Квантовый магнитометр-градиентометр Советский патент 1982 года по МПК G01R33/08 

(5Ю КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР-ГРАДИЕНТОМЕТР

I

Изобретение относится к магнитным измерениям квантовыми магнитомет рами и может быть использовано в геофизической и лабораторной практике для измерения и исследования слабых магнитных полей и их градиентов.

Известны квантовые магнитометрыградиентометры в виде двух самогенерирующих магнитометров с оптической накачкой атомов, расположенных на некотором базовом расстоянии друг от друга, и устройства, выделяющего сигнал, пропорциональный разности индукций магнитного поля (МП) в точках расположения магнитометров Щ.

Недостатком известного квантового магнитометра-градиентометра является низкая точность измерения градиента МП из-за неидентичности магниточувствительных преобразователей (кана-. лов) магнитометра-градиентометра.

Наиболее близкий к предлагаемому квантовый магнитометр-градиентометр с цифровым выходом содержит два

квантовых магниточувствительных преобразователя с оптической накачкой, подключенных к соответствующим преобразователями частота-код, программно-пусковую схему и вычитающее устройство, входы которого соединены с выходам 1 преобразователей частота-код, а выход подключен к цифровому регистратору. Одновременно выходы преобразователей частота-код соединены с соответствующими входами цифрового регистратора, а выходы программно-пусковой схемы подключены к соответствующим входам преобразователей частотакод, вычитающего устройства и цифрового регистратора il21.

Недостатком известного квантового магнитометра-градиентометра является низкая точность измерения градиента магнитного поля за счет неидентичности характеристик двух магниточувствительных преобразователей (каналов) магнитометра-градиентометра,которым присущ ряд сдвигов резонансной частоты, т.е. погрешностей измерения индукции магнитного поля. Это, в первую очередь, световые и фазовые сдвиги. Различие сдвигов в каналах магнитометра-градиентометра приводит к временным дрейфам показаний прибор и к погрешностям в виде постоянной в личины, изменяющейся к тому же от включения к включению. Некоторое уменьшение этих погрешностей обычно достигается тщательной подгонкой фазочастотных xapaкtepиcтик двух каналов, подбором их элементов, регулировкой режима накачки идр., что пра тически является исключительно трудоемкой и сугубо индивидуальной операцией, приводящей лишь к частич.ному устранению погрешностей измерения градиента магнитного поля. Цель изобретения - повышение точности измерений градиента магнитного поля. Для достижения поставленной цели квантовый магнитометр-градиентометр, содержащий два квантовых магниточувствительных преобразователя,подключенных к двум преобразователям частота-код, вторые входы которых соединены с первыми выходами программно-пускового блока, связанного с вычислительным блоком, а первые выходы упомянутых преобразователей частота-код подключены к двум входам цифрового регистратора, третий вход которого связан с выходом вычислительного блока, снабжен двумя счетчиками-сумматорами, селектором знака разности, двумя счетчиками кода компенсации, переключателем и автономным формирователем сброса,причем первые входы счетчиков-сумматоров соединены с выходами преобразователей частота-код, вторые входы счетчиков-сумматоров подключены к выхо.дам счетчиков кода компенсации, а выходы счетчиков-сумматоров соединены с соответствующими входами вычитающего блока, выход которого через переключатель и селектор знака разности подключен к первым входам счетчиков кода компенсации, при этом .третьи входы счетчиков-сумматоров подключены к выходу программно-пускового блока, вторые входы счетчиков кода компенсации - к автономному фор мирователю сброса. На чертеже изображена структурная схема устройства. Квантовый магнитометр-градиентометр состоит из двух квантовых магниточувствительных преобразователей v 1 и 2, подключенных к двум преобразователям 3 и 4 частота-код, вычитающего блока 5, программно-пускового блока 6, цифрового регистратора 7,двух счетчиков-сумматоров 8 и 9,селектора 10 знака разности,двух счетчиков П и 12 кода компенсации,переключателя 13 и автономногЬ формирователя 1 сброса, примем первые входы счетчиков-сумматоров 8 и 9 соединены с выходами преобразователей 3 и 4 частота-код, вторые входы счетчиков-сумматоров 8 и 9 подключены к выходам счетчиков 11 и 12 кода компенсации, а выходы счетчиковсумматоров 8 и 9 соединены с соответствующими входами вычитающего блока 5, выход которого через переключатель 43 и селектор 10 знака разности подключен к входам счетчиков 11 и 12 кода компенсации, при этом третьи входы счетчиков-сумматоров 8 и 9 подключены к программнопусковому блоку 6, а вторые входы счетчиков 11 и 12 кода компенсации к автономному формирователю 14 сброса. Квантовый магнитометр-градиентометр работает следующим образом. После включения питания и начального прогрева прибора производится сброс содержимого счетчиков 11 и 12 кода компенсации от автономного формирователя 14 сброса, который может быть выполнен на основе обычной кнопки либо на основе одного из полюсов переключателя 13. После этого программно-пусковой блок 6 перево- . дится в режим ручного пуска, а оба магниточувствительных преобразователя 1 и 2 помещаются в безградиентное поле (поле с градиентом ниже порога чувствительности), которое может быть выбрано на полигоне или создано специальной мерой, а в некоторых случаях - получено простым сближением магниточувствительных преобразователей на расстояния 0,10,2 м либо поочередным помещением магниточувствительных преобразователей в одну и ту же точку пространства. Затем переключателем 13 включается режим компенсации и осуществляется ручной запуск прибора через программно-пусковой блок 6. При этом частота, поступающая с выхода каждого магниточувствительного преобразователя 1 и 2 на преобра,зователи 3 -и t частота-код, складывается из двух слагаемых: истинной частоты генерации CD/i или cOj. , пропорциональной индукции магнитного поля в точках расположения магниТочувствительных преобразователей 1 и 2 Bj или 82 (), и из сдвига частоты ДсОу и &u)j|.. вызванного фазовыми и световыми погрешностями в каждом из каналов. Эти сигналы с выхода преобразователей 3 и Т частотакод в виде кодов 4-а) а (1Ь/|1-д,) и Х2. 2-Д 2. ir(. поступают на первые входы соответствующих счетчиков-сумматоров .8 и 9 а затем с их параллельных выходов на вычитаю щий блок 5, на выходе которого образуется код, равный разности входны двоичных чисел ch lf{ ((Так как оба магниточувствительных пр образователя 1 и 2 помещены в безградиентное поле, то BV| 62 и ;(лЗд-дВ2), т.е. на выходе вычитаю щего блока 5 появляется двоичное число, равное разности сдвигов частот генерации в двух каналах градиентометра, или число, отражающее неидентичность этих каналов. В зависимости от знака полученной разности (К -KQ) это число записывается (подсчитывается) в один из счетчиков 11 или 12 кода компенсации, где хранится до следующего включения режима компенсации. Далее после размыкания переключателя 13 и перевода программно-пускового блока 6 в автоматический режим градиентометр готов к измерениям. При этом код компенсаций f (дВ -дВ2) будет каждый цикл измерения поступать навторые входы одного из счетчиков-сумматоров 8 или 9, автоматически компенсируя погрешность, обусловленную неидентичностью магниточувствительных преобразователей градиентометра. Повторное включение режима компенсации (обновление содержимого, счетчиков кода компенсации) целесообразно проводить при изменении условий измерения (окружающей температуры, широты места, напряжения источников питания .n.J, а также при каждом новом включении прибора. Таким образом, предлагаемый ма1- нитометр- градиентометр позволяет повысить точность измерения градиента МП за счет компенсации погрешностей , обусловленных неидентичностью каналов прибора. Формула изобретения Квантовый магнитометр-градиентометр, содержащий два квантовых магниточувствительных преобразователя, подключенных к двум преобразователям частота-код, вторые, входы которых соединены с первыми выходами программно-пускового блока, связанного с вычислительным блоком, а первые выходы упомянутых преобразователей частота-код подключены к двум входам цифррвого регистратора, третий вход которого связан с выходом вычислительного блока, отличающийся тем, 4TOf с целью повышения точности, он снабжен двумя счетчиками-сумматорами,селектором знака разности,двумя счетчиками кода компенсации, переключателем и автономным формирователем сброса, причем первые входы счетчиков-сумматоров соединены с выходами преобразователей частота-код, вторые входы счетчиков-сумматоров подключены к выходам счетчиков кода компенсации, а выходы счетчиков-сумматоров соединены с соответствующими входами вычитающего блока, выход которого через переключатель и селектор знака разности подключен к первым входам счетчиков кода компенсации, при этом третьи входы счетчиков-сумматоров подключены к выходу программнопускового блока, вторые входы счетчиков кода компенсации - к автономному формирователю сброса. Источники информации, . принятые во внимание при экспертизе 1 . Патент США № 3252081 , , кл. 32А-5, 1966. 2. Квантовый магнитометр-градиентометр КМ-8. Паспорт Бт 2. 733.015СК5 физического приборостроения Н СССР, 1979