Магнитометр с оптической накачкой Советский патент 1981 года по МПК G01R33/09 

Изобретение относится к радиоспек троскопии и может быть использовано в метрологических и научных целях. Известен магнитометр с оптической накачкой, предназначенный для измерения сильных магнитных полей в труд нодоступных зазорах магнитных систем, который включает в себя последовательно расположенные на единой оптической оси спектральную лампу, размещенную между витками индуктора, подключенного к генератору возбуждения разряда, элементы оптики (светопроводы или линзы), циркулярный поляризатор, охваченную витками радиочастотнсЛ катушки поглощающую ячейку с полезньм объемом менее 0,1 образованную резонансным сосудом, соединенным посредством капилляра с резервуаром, где размещен запас металла, пары которого подлежат оптическсииу ориентированию, а также фотоприемник, связанный через блок управления с Перестраиваемьм генератором, нагруженным на указанную ради частотную катушку. Для увеличения степени поляризации,поглощающая ячей ка имеет диамагнитное покрытие стенок 1. Недостатками данного магнитометра являются пониженные точность, чувствительность и диапазон измерения полей. Это обусловлено тем, что поскольку длину капилляра выбирают, исходя из условия некоторого превышения геометрического времени нахождения атома в резонансном сосуде относительно времени продольной релаксации Т. , Т, учитывая, что объем резонансного сосуда чрезвычайно мал, а время релаксации атомов на покрытиях резко возрастает благодаря исключению механизма дипольного взаимодействия, то очевидно, что длину капилляра приходится выбирать достаточно большой. В этих условиях внутренний объем капилляра становится сравнимым с полезным объемсял резонансного сосуда, и при возбуждении резонанса часть поляризованных атомов, находящихся в капилляре в условиях целокализованного радиочастотного поля, принимает участие в формировании спектральной линии, обуславливая ее уширение и нессимметрию . Поскольку спектральная лампа размещена в земном магнитном поле, то при измерении сильных магнитных полей центр линии излучения лампы и центр линии поглощения атомов в поглощающей ячейке не совпадают что обуславливает появление световых сдвигов, особенно заметных на краю диапазона Малый диапазон измерения полей ограничен требованием выполнения условия, при котором зеемановское расщепление спектральных линий в измеряемом магнитном поле не должно превышать доплеровской ширины линии излучения спектральной линии. За пределами этой ширины эффективность оптической накачки резко падает. Цель изобретения - повышение точ ности и чувствительности магнитометра. Поставленная цель достигатся тем, что, в магнитометре с оптической накачкой, содержащем расположенные на единой оптической оси спектральную лампу, размещенную между витками индуктора, подключенного к генератору поджига разряда, элементы оптики, циркулярный поляризатор, охваченную витками радиочастотной катушки поглощающую ячейку, установленную в зазору магнитной систем и выполненную в виде резонансного сосуда, соединенного посредством ка пилляра с резервуаром, в котором размещен запас металла, пары которо го подлежат оптическому ориентирова нию-, атакже фотоприемник, связанный через блок управления с перестраи емым генератором,нагруженным на рад частотную катушку,капилляр поглощаю щей ячейки выполнен металлизиро ванным слоем высокопроводящего ме талла, гальванически соединенным с общим выводом перерастраиваемо го генератора, причем при радиусе капилляра Гд длина области feтaллизации 6j, отсчитываемая вдоль ка пилляра в направлении от резонансно го сосуда к резервуару, выбрана в соответствии с соотношением: где и - средняя скорость тепло вого движения атомов} геометрическое время нахождения атомов в объеме резонансного сосуда; Л - частота сканирования линии магнитного резонанса Кроме того, слой высокопроводящего металла капилляра снабжен тепловым контактом с любъзл- из блоков магнитометра, имеющим температуру более высокую, чем температура поглощающей ячейки, спектральная лампа размещена в зазоре магнитной системы, индуктор выполнен в виде двух витков, каждый из которых ориентирован в плоскости, параллельной плоскости полюсных наконечников магнитной системы, а индуктивность L и емкость Си индуктора выбраны в соответствии с выражением: 4Ь С, L, Ск, где L,V;CM индуктивность и емкость индуктора; L.C - индуктивность и емкость задающего контура генератора поджига. На чертеже представлена функциональная схема Магнитометра. Магнитометр с оптической накачкой включает в себя расположенные последовательно на единой оптической оси спектральную лампу 1, установленную в зазоре магнитной системы 2 и размещенную между витками индуктора 3, подключенного к генератору 4 поджига разряда, элементы 5 оптики (световоды) , циркулярный поляризатор б, охваченную витками радиочастотной катушки 7 поглощающую ячейку с диамагнитным покрытием стенок и полезным объемом менее 0,1 см, образованную резонансным сосудом 8, соединенным посредством капилляра 9 с резервуаром 10, где размещен запас металла, пары которого подлежат оптическому ориентированию, и фо1 приемник 11. При этом капилляр поглОщарщий ячейки защищен слоем 12 высокопроводящего металла. Кроме этого, выхО|Ц фотоприемника связан с блоком 13 уп- равления, который через перестраиваемый генератор 14 соединен с радиочастотной катушкой и системой 15 съема информации, причем общий вывод перестраиваемого генератора гальванически связан с сл&ем вьасокопроводящего металла, защищающего капилляр поглощающей ячейки. Магнитометр работает следующим образом. Высокочастотный генератор 4 с помощью индуктора 3 возбуждает высокочастотный безэлектродный разряд в спектральной лампе 1, обеспечивая интенсивный поток резонансного света в направлении оптической оси прибора. Проходя через циркулярный поляризатор б, свет приобретает циркулярную поляризацию и, попадая (под углом 45° к направлению измеряемого поля) на резонансный сосуд 8 поглощающей ячейки, осуществляет в иолят.зацию атомных спинов. Макроскоп1гчески это проявляется в изменении.оптической плоскости атомного пара и, как следствие, приводит к некоторому определенному уровню засветки фотоприемника 11. При этом поскольку диамагнитное покрытие внутренних стенок имеется не только в области резонансного сосуда 8, но с необходимостью присутствует и в капилляре 9 на протяжении всей его длины, то поляризованные в резонансном сосуде 8атомы через механизм теплового движения проникают из резонансного сосуда 8 в капилляр 9, создавая определенное распределение поляризации по его длине. Если далее на радиочастотную кат шку 7 подается с помощью блока 13 у равления от перестраиваемого генера тора 14 высокочастотное напряжение частоте, равной частоте процессии ат ных спинов в измеряемом магнитном п ле (j - гидромагнитное отноше ние атома в поле HQ), то в системе ориентированных спинов наступает маг нитный резонанс. Наличие резонанса фиксируется по максимуму электричес кого сигнала, снимаемого с нагрузки фотоприемника 11. В связи с тем, что слой 12 металла , защищающий капилл 9ячейки, гальванически связанный с общим выводом перестраиваемого генератора 14, образует электромагнитный экран, то при возбуждении резонанса радиочастотное поле, создаваемое катушкой 7 в окрестности поглощающей ячейки, не может проникнуть в объем капилляра. Тем самым атомы, находящи еся в капилляре, не испытывают резонансного перехода и, следовательно, не дают вклада в ширину и форму линии магнитного резонанса. При сканировании линии резонанса с частотой Q, осуществляемого с помощью блока 13 управления, сигнал магнитного резонанса соответствует минимуму сигнала первой гармоники напряжения частоты сканирования, сни маемого с нагрузки фотоприемника 11. Подстройка частоты перестраиваемого генератора 14 под центр линии поглощения магнитного резонанса в этом случае осуществляется с помощью системы автоматической подстройки частоты. В этих условиях длину области капилляра выбирают. металли зации исходя из условия где Т - геометрическое время нахождения атома в резонан сном сосуде; внутренний радиус капилляра, средняя скорость теплово движения атомов. В связи с тем, что в процессе раб ты генератора 4 поджига разряда корпус его прогревается, то за счет име ющегося теплового контакта со слоем 12 высокопроводящего металла, защища ющего капилляр 9, последний также прогревается до более высокой температуры, чем окружающая среда. Это обуславливает возникновение отрицательного градиента температу м в нап равлении от колбы к резервуару 10, и следовательно, исключает нежелательное явление миграции металла, находящегося в резервуаре 10, в резонансный сосуд 8. Поскольку спектральная лампа 1 находится в том же измеряемом поле, что и поглощающая ячейка, то при изменении номинала поля центры линии поглощения ячейки и излучения лампы всегда совпадают, что, с одной стороны, исключает наличие световых сдвигов, обязанных виртуальным оптическим переходом атомов, а с другой Ьбеспечивает эффективность накачки и, следовательно, работоспособность магнитометра в диапазоне магнитных полей, значительно превышающих доплеровскую ширину линии излучения лампы. Для исключения явления неустойчивости и нестабильности горения высокочастотного безэлектродного разряда,в сильном магнитном поле витки индуктора 3 развернуты таким образом, чтобы обеспечить относительную параллельность векторов переменного электромагнитного поля, создаваемого индуктором 3, и постоянного, создаваемого магнитной системой. При этом для увеличения яркости горения спектральной лампы 1 путем повыиения частоты.колебаний, на которой возбуждается разряд (когда за счет уменьшения толщины скин-слоя светящейся плазмы резко уменьшаетсясамопоглощение спектральных линий излучения), индуктор 3 настраивается на вторую гармонику напряжения, выдаваемого генератором 4 поджига разряда, что выполняется, если между индуктивностью и емкостью задающего контура ( С J, ) и индуктивностью и емкостью индуктора { L,. С,. ) соблюИ X. Л Двно соотношение 4L С L С,. Формула изобретения 1. Магнитометр с оптической накачкой, содержащий расположенные на единой оптической оси спектральную лампу, размещенную между витками индуктора, подключенного к генератору поджига разряда, элементы оптики, циркулярный поляризатор, охваченную витками радиочастотной катушки поглощающую ячейку, установленную в зазоре магнитной системы и выполненную в виде резонансного сосуда, соединенного посредством капилляра с резервуаром, в котором размещен запас металла, najaj которого подлежат оптическому ориентированию, а также фотоприемник, связанный через блок управления с перестраиваемым генератором, нагруженным на радиочастотную к&тушку, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности капилляр поглощающий ячейки выполнен металлизированным слоем высокопроводящего металла, гальванически соединенным с общим выводом перестраиваемого генерйтора, причем при радиусе капилобласти металлизации

ляра г длина j, отсчитываемая вдоль капилляра в направлении от резонансного сосуда к резервуару, выбрана в соответствии с соотношением:

.,,i

а

Q 1

.V3 Q где и - средняя скорость теплового движения атомов; Тр - геометрическое время нахождения атома в объеме резонансного сосуда; И - частота сканирования линии магнитного резонанса 2. Магнитометр по п. 1, о т л и чающийся тем, что слой высокрпроводящего металла капилляра снабжен тепловым контактом с любым из блоков магнитометра, имеющим температуру более высокую,.чем температура поглощающей ячейки.

3.Магнитометр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что спекрральная лампа размещена в зазоре магнитной Системы

4.Магнитометр по пп, 1 - 3, отличающийся тем, что индуктор выполнен в виде ддух витков, каждый из которых ориентирован в плоскости, параллельной плоскости полюсных наконечников магнитной системы,

.а индуктивность LV, и емкость С и индуктора выбраны в соответствии с выражением:

4L,

Си

-к CK

и С, .7 соответственно индукде L тивность и емкость индуктора;

лС соответственно индуктивность и емкость задающего контура генератора поджига.

Источники информации, принятые во внимание при зкспертизе

-1. Патент США 3786340, кл. 324-05, 1974.