Brevet FR2229978A1 — publié le 19741213

La présente invention a pour objet de façon générale un magnetometre à pompage optique et plus particulièrement un magnétometre perfectionne auto-oscillateur ayant une correction de phase automatique. Jusqu'à maintenant, des magnetometres auto-oscillants à couplage croisé, à pompage optique et à double cellules ont été construits. Dans un tel système, le magnétomètre auto oscille à une fréquence correspondant à une intersection des deux lignes de résonance de ZEEMAN des deux cellules pompées optiquement. Pour un état de déphasage zero des signaux électriques de résonance de ZEEMAN autour du circuit oscillant ferme, la fréquence d'auto-oscillation correspond à un point d'intersection des deux lignes de résonance de ZEEMAN où chaque ligne a la même pente. Cependant, pour des états de déphasage non nuls autour du circuit électrique oscillant fermé, la fréquence d'auto-oscillation est plus voisine du centre d'un des signaux de résonance de ZEEMAN que du centre de l'autre et il en résulte qu'il y a une erreur dans la frequence d'auto-oscillation et par suite une erreur dans la mesure du champ magnétique. Des déphasages peuvent être introduits dans le circuit électrique oscillant en boucle par de légers désalignements optiques dans l'une des cellules ou par des dêsalignements de la bobine à fréquence radio-électrique. Les erreurs d'alignement résultent de l'impossibilité de rendre les axes optiques et à frequence radio parfaitement parallèles et aussi des hétéréogénéités dans la direction du champ à fréquence radio et des imperfections des composantes optiques qui réduisent la symétrie autour de l'axe optique. Un magnétomètre à pompage optique auto-oscillant, à couplage croisé et à deux cellules d'un type connu est décrit dans le brevet américain n" 3 256 500 appartenant à la demanderesse. Malgré leurs difficultés d'alignement, les magnétomètres à pompage optique auto-oscillants sont souvent préférés aux magnétomètres à pompage optique et à balayage du fait de leur plus faible bruit dû à leur nature, de leur réponse plus rapide à des variations de champ rapide et de leur rétablissement rapide lors d'une interruption de fonctionnement. Le but principal de la présente invention est la mise en oeuvre d'un magnétomètre auto-oscillant à pompage optique et plus particulièrement la mise en oeuvre de moyens pour supprimer automatiquement tous les déphasages indésirables produits électroniquement et optiquement de façon à obtenir une erreur minimum en tête. Suivant une caractéristique de la présente invention, la fréquence autooscillante est modulée en fréquence ou en phase de faço d engendrer des signaux de sortie correspondant aux pentes respectives des lignes de résonance de ZEEMAN dans chacune des cellules à la frequence d'auto-oscillation. Ces signaux sont comparés de façon à engendrer un signal d'erreur qui commande la phase de la fréquence d'auto-oscillation de telle sorte que, pour cette fréquence, les deux lignes de resonance de ZEEMAN qui se coupent aient la même pente, ce qui rend minimum l'erreur de tête. Suivant une caractéristique de la présente invention, les modulations d'amplitude de chacun des signaux de résonance de ZEEMAN détectés produits par la modulation de phase de la frequence d'auto-resonance, sont comparés de façon à engendrer un signal de différence sur la fréquence de modulation. Cette fréquence de différence est comparée en phase à un échantillon de la fréquence de modulation de façon à engendrer un signal d'erreur continu utilisé pour commander la phase du signal à fréquence d'auto-oscillation en sorte que cette frequence est automatiquement amenée sur une valeur correspondant à des pentes égales des lignes de resonance de ZEEMAN. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexes sur lesquels - la Fig. 1 représente un schéma sous forme de blocs d'un magnetomètre à pompage optique et à auto-oscillation selon la presente invention; - la Fig. 2 represente une courbe de l'amplitude du signal de LARMOR (amplitude des lignes de résonance de ZEEMAN) en fonction de la fréquence montrant les deux lignes de résonance de ZEEMAN-des cellules respectives du magnetometre à deux cellules de la Fig. 1; et - la Fig. 3 représente une courbe de la fréquence d'auto-oscillation en fonction du déphasage introduit par les désalignements électroniques et optiques du magnetometre de la Fig. 1. Sur la Fig. 1, on a représenté un magnétomètre à pompage optique autooscillant, à couplage croisé et à deux cellules selon l'invention. Ce magnétomètre est essentiellement le même que celui decrit dans le brevet américain cité ci-dessus et on se référera à ce brevet pour une description plus détaillée du magnétomètre en soi. D'une façon générale, ce magnétomètre comprend une lampe à décharge 1 à électrodes excite à fréquence radio par un oscillateur d'excitation 2. La lampe à decharge 1 est remplie d'une vapeur de rubidium naturel melange avec un milieu de départ tel que du krypton. Cette lampe est décrite en détail dans le brevet américain n" 3 109 960. La lumière de pompage optique emanant de cette lampe est dirigée dans des sens opposes sur des cellules d'absorption respectives 3 et 4. Chacun des faisceaux de lumiere directement opposes passe successivement dans une lentille collimatrice 5 et dans un filtre à interférence 6 qui supprime la ligne D2 à 7800 angstroms tout en laissant passer la ligne D1 sur 7948 angstroms, ce qui renforce le pompage optique dans les cellules d'absorption 3 et 4.Un polariseur circulaire 7 est prévu devant chacune des cellules d'absorption dans le but d'effectuer une absorption différentielle d'un sous-niveau à l'intérieur des cellules 3 et 4 dans le but de les pomper optiquement. Les cellules d'absorption 3 et 4 contiennent de la vapeur de rubidium qui est de préférence enrichie en isotope par du rubidium 85 ou du rubidium 87, mélange avec un gaz tampon tel que le neon de façon à réduire la dêsorientation due aux collisions sur les parois, en fournissant par là des durees de relaxation longue et par conséquent une faible largeur de lignes necessaire pour obtenir une grande sensibilité. Dans le cas du rubidium 85, le faisceau de lumière polarisée est filtré et module à une fréquence de precession (fréquence de resonance ZEEMAN) d'environ 4,66 cycles par gamma du champ magnétique à mesurer, et dans le cas du rubidium 87, la fréquence de précession est d'environ sept cycles par gamma (1 gamma = 10 5 gauss). Par exemple, avec un champ terrestre moyen de 0,5 gauss, la fréquence de précession du rubidium 85 est d'environ 233 kHz. Ce faisceau de lumière modulé en intensité en passant dans les cellules d'absorption 3 ou 4, est concentré par une lentille de concentration 8 sur des photo-cellules respectives 9. La modulation d'intensité de la lumière frappant la cellule 9 est convertie par ces cellules en un signal électrique alternatif à la même frequence.Ces signaux sont respectivement amplifiés par les amplificateurs 11 et 12 et renvoyes en relation de couplage croisé aux cellules d'absorption respectives 4 et 3 dans des bobines 13 à une fréquence radio, ces bobines étant coaxiales, enroulées en sens opposé et engendrant un champ magnétique alternatif. Ce champ magnetique à fréquence radio maintient une precession forcée des atomes de rubidium, ce qui cree une oscillation auto entretenue à une fréquence proportionnelle à l'intensité du champ magnetique unidirectionnel à mesurer. Des limiteurs 14 sont prévus entre chacun des amplificateurs 11 et 12 et la bobine correspondante 13 dans le but de limiter l'amplitude des signaux électriques de reaction à couplage croisé. Un échantillon du signal à la fréquence d'auto-oscillation est pris à la sortie de l'amplificateur ll-et envoye à un dispositif de lecture 20 tel qu'un compteur de façon à obtenir un signal de sortie proportionnel à l'intensité du champ magnétique. En se référant maintenant à la Fig. 2, on a représenté les enveloppes respectives 17 et 18 des lignes de résonance de LARMOR ou de ZEEMAN, pour les systèmes quantiques (atome de rubidium) des cellules respectives 3 et 4. Le magnetometre oscille sur une fréquence d'auto-oscillation correspondant à l'intersection des enveloppes 17 et 18 pour les deux cellules respectives 3 et 4. Dans le cas special où il y a un déphasage optique ou électronique égal à zéro autour du circuit d'oscillation fermé, Ta fréquence d'auto-oscillation se produit en VO là où les deux lignes 17 et 18 ont la même pente.Cependant, du fait de la grande difficulté d'obtention d'un alignement précis dans le domaine à frequence radio et dans le domaine optique dans les deux cellules d'absorption 3 et 4, le déphasage n'est généralement pas égal a zéro autour de ce circuit fermé et par suite la fréquence d'auto-oscillation se produit en un point tel que V' où les pentes des deux enveloppes 17 et 18 ne sont pas egales. Comme les déphasages indésirables du circuit oscillant dépendent de l'orienta tion des cellules 3 et 4 dans le champ magnétique à mesurer, il se produit une erreur indésirable en tête qu'il est souhaitable d'éliminer. Sur la Fig. 3, on a representé la courbe représentant V'-VO (erreur de tête) en fonction du déphasage autour du circuit oscillant en boucle. L'erreur de tête est représentée sous la forme de la courbe 19 en fonction du déphasage. En revenant maintenant à la Fig. 2, on voit qu'une modulation de fréquence (phase) superposée à la frequence d'auto-oscillation V' produit des signaux de modulation en amplitude pour chacun des signaux détectés correspondant aux lignes de résonance de ZEEMAN. Les amplitudes des signaux à modulation d'in tensite sont proportionnelles à la pente des enveloppes respectives des lignes de résonance de ZEEMAN pour la fréquence d'auto-oscillation.Ainsi dans la présente invention, les signaux à modulation d'intensité sont compares de façon à engendrer un signal de différence et ce signal est utilisé pour régler le déphasage autour du circuit oscillant fermé en boucle de telle sorte que le déphasage total autour de ce circuit en boucle, c'est- -dire celui produit par les desalignements optiques et électroniques, est supprimé par un déphasage électronique introduit dans la boucle de telle sorte que la fréquence d'auto oscillation est amenée à une fréquence correspondant à VO, ce qui diminue forte ment les erreurs indésirables dues aux désalignements electroniques et optiques. En se referant de nouveau à la Fig. 1, la partie de correction automatique de phase du circuit est représentée en-dessous de la ligne en traits interrom pus 21. Un déphaseur à tension variable 22 est connecté en série avec le cir cuit oscillant fermé de résonance de ZEEMAN en connectant ce déphaseur entre l'amplificateur 12 et le limiteur 14. Un oscillateur de référence à basse fré quence 23 ayant une frequence inférieure à chacune des largeurs de bandes a demi-puissance des enveloppes de résonance de ZEEMAN transmet un signal de démodulation à 30 Hz au déphaseur 22 de façon à moduler la phase (fréquence) du signal auto-oscillant du circuit électrique fermé en boucle. Cette modulation de phase produit une modulation de fréquence correspondant a la fréquence auto-oscillante qui à son tour produit une modulation en amplitude correspondante de chacun des signaux de résonance de ZEEMAN détectes dans les detecteurs 9, tels que représentés par les signaux 24 et 25 de la Fig. 2. Ces signaux à modulation d'amplitude 24 et 25 sont échantillonnés a la sortie des amplificateurs respectifs 11 et 12 et transmis à l'entrée des detecteurs respectifs à modulation d'amplitude 26 et 27 de façon à séparer les composantes de modulation correspondantes 24 et 25 provenant du signal autooscillant.Les signaux à modulation d'amplitude détectés 24 et 25 sont envoyés dans un amplificateur d'addition 28 dans lequel ils sont additionnés avec un dephasage de 1800 de façon a engendrer un signal de sortie de différence sur la fréquence de modulation de l'oscillateur de référence 23. Le signal de différence de sortie de l'amplificateur 28 est transmis à une entre d'un détecteur de phase 29 qui détecte la phase tandis que son autre entrée reçoit un echantillon du signal de modulation provenant de l'oscillateur 23 de façon à engendrer un signal d'erreur continu ayant une amplitude correspondant à la différence de fréquence entre la fréquence d'auto-oscillation V' et la frequence d'auto-oscillation désirée VO,, et ayant un signe (phase) plus ou moins suivant que V' est supérieur ou inférieur à la fréquence YO. Le signal d'erreur est envoye à un intégrateur 31 qui l'intègre et qui engendre une tension en forme de rampe transmise au déphaseur 22 de façon à déphaser la phase du signal auto-oscillant dans une direction dictée par la polarité de la tension d'erreur jusqu'a ce que le dephasage desiré dans le reste du circuit en boucle ait été rendu égal à zéro. A ce moment, V' est égal a VO et les deux signaux de modulation d'intensité 24 et 25 ont des amplitudes égales, et leur somme est égale à zéro du fait qu'il n'y a pas d'autre déphasage électronique dans le circuit fermé de résonance de ZEEMAN. En fonctionnement, en admettant un déphasage initial du déphaseur 22 de zéro degré, le magnétomètre demande seulement quelques millisecondes pour commencer à osciller à une fréquence qui est rendue erronée seulement par l'erreur résiduelle de tête plus le résultat de petits déphasages électroniques. La partie de l'erreur de fréquence produite par le dephasage électronique et les effets du désalignement est corrigée ultérieurement à un moment détermine par la constante de temps du circuit de correction. Comme ce circuit de correc tion doit seulement répondre à une vitesse comparable à celle de la rotation du magnétometre, la largeur de bande de ce circuit peut être restreinte à une fraction de Hertz de façon à rendre minimum le bruit. A l'inverse du agnéto- mètre à balayage, le fait de rendre étroite la correction ne réduit pas le temps de réponse du magnetometre à des changements rapides du champ. Une caractéristique indesirable du circuit de correction de phase ci-dessus est la modulation de fréquence introduite dans la fréquence d'auto-oscillation qui doit être lue par l'appareil de lecture 20. Si un enregistreur analogique direct est utilisé comme appareil de lecture 20, un filtre passe-bas peut être utilise pour rejeter la fréquence de modulation de telle sorte que l'appareil de lecture ne réponde pas à la fréquence de modulation. Si un compteur de fre- quences est utilisé, l'oscillateur de réference à basse frequence 23 peut être remplacé par des signaux provenant du compteur. Le signal provenant du compteur dans ce cas doit être un harmonique convenable de la periode de commande reciproque utilisée à l'intérieur du compteur.De cette façon, un nombre entier de cycles de modulation de phases se produisent pendant le compte en sorte que la modulation de fréquence indésirable de la fréquence d'auto-oscillation a une moyenne qui est rendue égale a zéro par le compteur 20. Si une mesure de la fréquence de LARMOR est effectuée, le même moyen peut être obtenu en utilisant un signal de LARMOR divisé en fréquence pour remplacer l'oscillateur 23. Pour une mesure de periode caractéristique, le compte est actuellement effectué pour un grand nombre de périodes du signal. Le compte total dépend de l'intervalle de temps entre la première et la dernière traversée à zéro du signal. Si un nombre entier de cycles de modulation de frequence se produisent pendant la duree de ce compte, la modulation n'affecte pas l'intervalle de temps relatif à la premiere et à la dernière traversee à zéro. La vapeur fournissant la résonance de ZEEMAN (systèmes quantiques) n'est pas nécessairement limitée à la vapeur de rubidium mais elle peut comprendre d'autres vapeurs de matériaux tels que Cs, K et d'autres résonateurs de sys tèmes quantiques dont le champ magnétique dépend des transitions quantiques. REVENDICATIONS 1.- Magnetomètre à pompage optique comprenant un dispositif comportant un premier et un deuxième volumes d'absorption optique contenant chacun un assemblage de systemes quantiques qui peuvent avoir une precession dans un champ magnétique unidirectionnel à une vitesse déterminée -par l'intensité de te champ, un dispositif dirigeant le rayonnement optique sur ces volumes d'absorption avec des caractéristiques spectrales absorbées différentiellement par rapport au niveau magnetique de ce systeme quantique, en sorte que l'intensité du rayonnement optique provenant de chaque volume est modulée en intensité à une frequence qui dépend de ladite vitesse de précession, un dispositif destiné à convertir la modulation d'intensité du rayonnement reçu en provenance desdits volumes d'absorption en signaux électriques alternatifs, un dispositif de couplage croisé du signal électrique alternatif provenant de chaque volume d'absorption vers l'autre volume d'absorption sous la forme d'un champ magnétique alternatif qui produit une précession forcée desdits systèmes quantiques, en créant ainsi une oscillation auto entretenue desdits signaux électriques à une fréquence déterminée par l'intensité du champ magnétique et correspondant à une intersection des enveloppes des lignes de résonance du premier et du deuxième systemes quantiques, ces signaux de résonance correspondant à des vitesses de précession de la fréquence centrale légèrement différentes dans chacun desdits volumes, ce magnétomètre etant caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de commande de phase qui oblige ladite fréquence d'intersection et d'oscillation à se produire pour une valeur correspondant à des pentes sensiblement egales des enveloppes desdites lignes de résonance, ce dispositif de commande de phase comprenant un circuit de modulation de la phase de ladite fréquence d'auto-oscillation à une fréquence de modulation de façon a créer une modulation d'amplitude correspondante dans chacun des premier et deuxième signaux electriques alternatifs derives desdits volumes d'absorption, un circuit comparant lesdits signaux à modulation d'amplitude et engendrant un signal d'erreur proportionnel à la différence de pente de la première et de la deuxième lignes de resonance pour la fréquence d'auto-oscillation, et un circuit de decalage de la phase dudit signal auto-oscillant en réponse au signal d'erreur de façon à obliger ladite frequence d'auto-oscillation a se produire pour une valeur correspondant à des pentes égales des premiere et deuxième enveloppes des lignes de resonance. 2.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de comparaison du signal à modulation d'amplitude qui engendre le signal d'erreur comprend un circuit comparant les amplitudes du premier et du deuxième signal de modulation en engendrant un signal de différence de sortie sur la frequence de modulation dont l'amplitude détermine les différences d'amplitude entre le premier et le deuxième signal de modulation et dont la phase détermine laquelle des enveloppes de résonance pour la frequence d'auto-oscillation a la plus grande pente, et un circuit comparant ledit signal de sortie de différence à un echantillon de ladite frequence de modulation utilisé pour moduler la phase de cette fréquence d'auto-oscillation, en engendrant ledit signal d'erreur. 3.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fréquence de modulation est inférieure à la largeur de bande à demi-puissance de la première et de la deuxième enveloppes à recouvrements des lignes de résonance. 4.- Appareil selon la revendication 2, caractérise en ce qu'il renferme un dispositif d'intégration du signal d'erreur et un dispositif appliquant le signal d'erreur integre audit modulateur de phase de façon a decaler ladite fréquence d'auto-oscillation. 5.- Magnetometre à pompage optique comprenant un dispositif comportant un premier et un deuxième volumes d'absorption optique contenant chacun unx assemblage de systèmes quantiques qui peuvent avoir une précession dans un champ magnetique unidirectionnel à une vitesse déterminée par l'intensité de ce champ, un dispositif dirigeant le rayonnemant optique sur ces volumes d'absorption avec des caractéristiques spectrales absorbées differentiellement par rapport au niveau magnétique de ce système quantique, en sorte que l'intensité du rayonnement optique provenant de chaque volume est modulée en intensité à une fréquence qui dépend de ladite vitesse de précession, un dispositif destiné à convertir la modulation d'intensité du rayonnement reçu en provenance desdits volumes d'absorption en signaux électriques alternatifs, un dispositif de couplage croi-sé du signal electrique alternatif provenant de chaque volume d'absorption vers l'autre volume d'absorption sous la forme d'un champ magnétique alternatif qui produit une precession forcée desdits systèmes quantiques, en créant ainsi une oscillation auto-entretenue desdits signaux electriques à une frequence déterminée par l'intensité du champ magnétique et correspondant à une intersection des enveloppes des lignes de résonance du premier et du deuxième systèmes quantiques, ces signaux de résonance correspondant à des vitesses de précession de la fréquence centrale légèrement différentes dans chacun desdits volumes, et un dispositif de commande de phase obligeant ladite fréquence d'intersection et d'oscillation à se produire pour une valeur correspondant à des pentes sensiblement égales desdites enveloppes des lignes de résonance à recouvrement, en introduisant un dephasage compensateur dans le dispositif de couplage croisé de façon à supprimer les déphasages introduits par des désalignements physiques ou par des caracteristiques fréquence-phase inégales de ce dispositif de couplage croise. 6.- Procédé d'élimination des erreurs de tête d'un magnétomètre commandé optiquement à pompage optique, à deux cellules, à couplage croisé et à autooscillation, caractérisé en ce qu'il comporte la détermination et l'insertion d'un déphasage compensateur dans le circuit fermé de couplage croisé de façon à obliger la fréquence d'intersection et d'oscillation à se produire pour une valeur correspondant à des pentes sensiblement egales des enveloppes des lignes de resonance à recouvrement.