Магнитометр Советский патент 1982 года по МПК G01R33/08 

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для построения магнитометров, термостатированные датчики которых (квантовые, феррозондр.вые, кварцевые и другие) характеризуются малым вреМенем выхода на рабочий режим и измеряют магнитные поля на Земле и в космическом пространстве.

Известны магнитометры, в которых чувствительный элемент датчика магнитного поля термостабилизируется путем обогрева его тепловой энергией от протекания тока по бифилярной обмотке, намотанной на чувствительный элемент, например ячейку поглощения квантованного датчика с оптической накачкой 13.

Однако указанные магнитометры, термостатированные датчики которых не. герметичны, имеют различное время выхода на рабочий режим в зависимости от внешних условий - влажности, окружающей температуры в других.

Наиболее близким -вехническим решением к предлагаемому является магнитометр .содержащий квантовый датчик с оптической накачкой.

Он содержит вакуумированный квантовый датчикj заполненный инертным газом, термоэлемент, радиочастотную катушку и фотоприемник, размещенные в квантовом датчике, последовательно подключенные к кватовому датчику источник высокочастотной мощности и блок регулирования, усилитель сигнала прецессии, вход которого соединен с фотоприемникой, а выход усилителя с радиочастотной катутикой этого датчика и с блоком регистрации 12J,

Недостатками этого магнитометра являются медленный нагрев датчика магнитометра от тепла спектральной лампы (за счет конвекции) и, особенно, в области низкой окружанхаей температуры, снижение срока службы спектральной лампы, и особенно, при работе датчика магнитометра в области низкой окружающей температуры. Данный недостаток вызван тем, что спектральная лампа выступает не , только как источник света оптической накачки, но и как источник тепла. Поэтому в области низКой окружакидей температур требуете большая отдача тепла с поверхности баллона спектральной лампн. Это приводит

к изменению структуры стекла лампы,. стекло темнеет и оптические параметры лампы изменяются.

Эти недостатки приводят к большому времени выхода: датчика, а следовательно и всего магнитометра на ра- 5 бочий режим в области- низкой окружающей температуры.

Цель изобретения - сокращение времени готовности датчика магнитометра к работе в широком диапазоне внеш-ю ей температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитометр, содержащий вакуумированный квантовый датчик, заполненный инертным газом, внутри которого .г размещены термоэлемент, радиочастотная катушка и фотоприемник, последовательно подключенные к входу вакуумированного квантового датчика, источник высокочастотной мощности и блок регулирования, усилитель сигнала процессии, вход которого соединен с фотоприемником вакуумированного квантового датчика, а выход - с радиочастотной катушкой этого датчика и с блоком регистрации, введены последо- 25 вательно соединенные.между собой блок управления и дополнительный источник высокочастотной мощности, а также,

установленные в вакуумированном квантовом датчике, кольцевые разрядные 30 электродам, которяле подсоединены к выходу дополнительного источника высокочастотной мощности,, а вход блока управления подсоединен к термоэлементу вакуумированного квантово- 35 го датчика.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого магнитометра.

Магнитометр содержит заполненный , Q инертным газом, вакуумированный квантовый датчик 1, с двойными стенками, вакуумный промежуток 2 между ними, стержневые крепежные растяжки 3, на которых в квантовом датчике 1 . размещены обкладки конденсатора 4 со спектральной лампой 5 в них, фокусирующие линзы 6, циркулярный поляризатор 7, р.адиочастотную катуш- ку 8, ячейку 9 поглощения, термоэлемент 10, фотоприемник 11, разрядные 50, кольцевые электроды 12 и контрольный фотодиод 13. К входу квантового датчика 1 подсоединены последовательно соединенные между собой блок 14 регулирования и источник 15 вы- 55 сокочастотной мощности. К фотоприемнику 11 вакуумированного квантового датчика 1 своим входом подключен усилитель 16 сигнала прецессии, выход которого подключен к блоку 17 60 регистрации и к радиочастотной катушке 8.Кольцевые разрядные электроды 12 подсоединены к выходу дополнительного источника 18 высокочастотной мощности, к входу которого 5

подключен выход блока 19 управления, а вход блока 19 управления подсоединен к термоэлементу 10 вакуумированного квантового датчика 1.

Магнитометр работает следующим образом.

Сигнал процессии атомов (или ядер с датчика 1 магнитометра снимается с фотоприемника 11 и поступает на входуёилителя 16 сигнала прецессии.. С выхода усилителя 16 сигнал на -частоте магнитного резонанса HO (где HQ - напряженность измеряемого магнитного поля, Л ylTi - гиромагнитное отношение атомов в ячейке 9 поглощения) поступает в блок 1 регистрации и на радиочастотную ка-тушку 8 датчика 1. Таким образом цепь обратной связи магнитометра замрлкается.

Сигнал магнитного резонанса в вакуумированном квантовом датчике формируется традиционным образом. Свечение спектральной лампы 5 возбуждается благодаря действию в ней безэлектродного высокочастотного разряда, который осуществляется путем подведения напряжения высокой частоты к обкладкам конденсатора 4 от источника 15 высокочастотной мощности. Пройдя фокусирующую линзу 6, циркулярный поляризатор 7 свет спектральной лампы 5 приобретает параллельность Q (или Q поляризацию р падает на ячейку 9 поглощения, содержащую рабочий атомный газ щелочного металла, например изотопы калия

().После прохождения ячейки 9 свет фокусируется на фотоприамник 11 с которого снимается напряжение сигнала процессии. Фазовая когерентность в коллективе атомов в ячейке 9 осуществляется радиочастотным полем, созданным радиочастотной катушкой 8.

Тепловой режим датчика магнитометра обеспечивается двумя независимми каналами.

Первый каНсШ термостатирования квантового датчика состоит в отборе тепла от его спектральной лампы 5, кторая при свечении имеет температуру -110°С и нагревает, таким образом инертный газ, например,канон (-Хе), закачанный во внутренний объем датчика 1. Поскольку элементы датчика 1 (фокусирующие линзы б, циркулярный поляризатор 7, ячейка 9 поглощения, фотоприемник 11) закреплены на стержневых растяжках 3, то тепловая конвекция является эффективной и в объеме датчика 1 создаемся однородная температура. Температура баллона ;illO°C спектральной лампы 5 поддерживается постоянной путем съема сигнала с контрольного фотодиода 13, который через блок 14 регулирования .вклизчен в цепь управления источника 15 высокочастотной мощности. Давление инертного газа подбирается такой величины, чтобы ячейка 9 поглощения не перегревалась (от тепла спектральной лампы) при ра боте датчика 1 в условиях положительной окружающей температуры +4 . Для уменьшения рассеяния тепла от датчика 1 в окружакщее пространство корпус его выполнен с двой ными стенками, разделенными вакуумным промежутком 2. Новым в магнитометре является вве дение второго канала термостатирования, который обеспечивает как форсированный разогрев датчика, так и . выполняет роль резервированного канала теплоBoto режима датчика 1. Дело в том, что в области низкой окружающей температуры - 30°- ус тановление рабочей температуры (для ячейки с. изотопом )во внутреннем объеме- датчика 1 за счет отда чи тепла от баллона спектральной лампы 5 будет происходить достаточно длительное время (;30 мин и более}. Не исключено, что тепла от .спектраль.ной лампы 5 будет недостаточно для обогрева ячейки 9 поглощения. Поэтому для сокращения времени готовности дат .чика 1 магнитометра к работе в датчик 1 введены разрядные кольцевые электро ды 12, к которым подводится высокочастотное напряжение от дополнительного источника 18, связанного последовательно через блок управления 19 с термоэлементом 10, осуществляющем контроль рабочей температуры во внутреннем объеме датчика 1. При отсутствии заданной температуры инёрт ного газа происходит возбуждение высокочастотного разряда между каждой парой кольцевых электродов 12, инертный газ переходит в (частично)плазменное состояние ri температура его быстро повышается. При этом время разогрева датчика 1 может составлять единицы минут. Такой канал форсированного разогре ва и стабилизации температуры датчика 1 магнитометра в равной мере годится для различных типов датчиков магнитометров - квантовых, феррозондовых, кварцевых и других. Использование предлагаемого магнитометра позволяет сократить время готовности его датчика и работы в широком диапазоне внешней температуры/ и к тому же, сохранить во времени точностные характеристики за счет БЫСТРОГО нагрева датчика 1 магнитометра вследствие возбуждения во внутреннем объеме высокочастотного разряда в инертном газе, а также увеличение срока службы спектральной лампы 5 датчика 1 в области низкой окружающей температуры вследствие подведения дополнительной тепловой энергии в датчик 1 от инертного газа, в котором зажигается высокочастотный разряд, и .находящегося в плазменном состоянии. Таким образом, предлагаемый магнитометр, позволяет сократить время готовности датчика магнитометра к работе в широком диапазоне внешней температуры. Формула изобретения Магнитометр, содержащий вакуумированный квантовый датчик, заполненный инертным газом, внутри которого размещены термоэлемент, радиочастотная катушка и фотоприемник, последовательно подключенные к входу вакуумированного квантового датчика, источник высокочастотной мощности и блок регулирования, усилитель сигнала прецессии, вход которого соединен с фотоприемником вакуумированного квантового датчика, а выход - с радиочастотной катушкой этого датчика и с блоком регистрации, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени готовности датчика магнитометра к работе в широком диапазоне внешней температуры, в него введены последовательно соединенные между собой блок управления и дополнительный источник высокочастотной мощности, а также установленные в вакуумированном квантовом датчике кольцевые разрядные электроды, которые подсоединены к выходу дополнительного источника высокочастотной мощности, а вход блока управления подсоединен к термоэлементу вакуумированного квантового датчика. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Геофизическая аппаратура, Сборник статей, вып. 53, Недра, 1975, стр. 37. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке 2764525/18-21,1979.