Способ измерений магнитного поля земли и квантовый магнитометр для реализации такого способа
METHOD FOR MEASURING THE EARTH'S MAGNETIC FIELD AND A QUANTUM MAGNETOMETER FOR IMPLEMENTING SUCH A METHOD

Техническое решение относится к измерительной технике, а именно к квантовым магнитометрам с оптической накачкой, и может быть использовано в геологоразведке, археологии с использованием беспилотных летательных аппаратов в качестве носителя.
На сегодняшний день квантовые магнитометры с оптической накачкой являются безальтернативными типами магнитометров, когда необходима высокая чувствительность, точность и быстродействие, например, в случае аэромагниторазведки месторождений для нужд геофизики. Существуют различные виды квантовых магнитометров с оптической накачкой, отличающихся использованием разных сигналов: Mz или Mx, использованием атомов различных щелочных металлов в качестве рабочей среды, а также разных источников излучения для оптической накачки, таких как полупроводниковый лазер или газоразрядная спектральная лампа. Каждое из решений не является идеальным, имея определенные недостатки.
Известен квантовый магнитометр с лазерной накачкой – прототип (патент RU142546U1, заявка №2013149036/28 от 05.11.2013). Указанное устройство включает полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором и систему стабилизации частоты излучения, оптическое многомодовое волокно, оптическую систему, ячейку с парами щелочного металла цезия. Атомы возбуждаются резонансным излучением, а возвращаясь в основное состояние, испускают фотоны, несущие информацию о магнитном поле. В качестве источника сигнала используется оптический поток, прошедший через ячейку. Сам сигнал представляет собой переменный ток фотодиода, измеряющего прошедший поток на ларморовской частоте, т.н. Mx сигнал.
Недостатками прототипа по отношению к заявляемому техническому решению является недостаточная точность измерений присущая магнитометрам, использующим Mx сигнал.
Техническим результатом заявляемого технического решения является увеличение точности измерений.
Для этого, измерения магнитного поля земли проводят следующим образом во вторичном измерительном преобразователе, излучение лазера вводят в многомодовый световод, в первичном измерительном преобразователе вышедшее излучение лазера с торца световода направляют на фокусирующую линзу, затем сформированный пучок света направляют через поляризатор в камеру с парами щелочного металла Rb-87, прошедшее сквозь камеру излучение фокусируют линзой и направляют на фотодиод, с помощью катушки прилагают дополнительное переменное магнитное поле, перпендикулярное оптической оси, применяют низкочастотную модуляцию частоты радиополя для получения Mz сигнала, с помощью цифровой следящей системы проводят измерение частоты перехода между магнитными подуровнями и вырабатывают управляющий сигнал, который подают на цифровой синтезатор частоты, с целью обеспечения резонансного излучения лазера посредством термостабилизатора применяют активную стабилизацию длины волны лазера на рабочей температуре, соответствующей грубой настройке длины волны лазера на резонансное поглощение атомами Rb-87, за счет изменения тока лазера посредством источника тока осуществляют точную подстройку длины волны лазера, для этого вводят слабую модуляцию тока лазера в качестве исходного сигнала используют ток фотодиода, преобразованный в цифровой сигнал с помощью аналогово-цифрового преобразователя, по сигналу с фотодиода получают сигнал ошибки длины волны лазера, используя нагреватель камеры, на который подается переменное напряжение, регулируемое системой стабилизации температуры камеры поддерживают достаточную для концентрации атомов Rb-87 температуру камеры, саму стабилизацию выполняют посредством цифрового алгоритма.
Для реализации способа измерений магнитного поля земли предложен квантовый магнитометр содержащий полупроводниковый лазер с вертикальной структурой, камеру с парами щелочного металла и оптическое многомодовое волокно, который в соответствии с заявляемым техническим решением выполнен следующим образом,
полупроводниковый лазер с вертикальной структурой расположен во вторичном измерительном преобразователе, содержащем также, цифровой вычислитель, систему стабилизации температуры камеры с парами щелочного металла, термостабилизатор лазера, источник тока лазера, цифровой синтезатор частоты и аналого-цифровой преобразователь,
камера с парами щелочного металла расположена в первичном измерительном преобразователе, содержащем также собирающие линзы, круговой поляризатор, радиочастотную катушку, создающую дополнительное поле поперечное оптической оси, нагреватель камеры с парами щелочного металла и фотодиод, при этом в качестве щелочного металла используется изотоп Rb-87.
На рисунке представлена структурная схема квантового магнитометра в соответствии с заявляемым техническим решением, где: ВИП - вторичный измерительный преобразователь; ПИП - первичный измерительный преобразователь; А1 - цифровой вычислитель; А2 – система стабилизации температуры камеры; А4 – источник тока; А5 – цифровой синтезатор; А6 - аналого-цифровой преобразователь; 1 - контуры обратной связи; 2 - полупроводниковый лазер с вертикальной структурой; 3 - многомодовый световод; 4 - собирающие линзы; 5 - круговой поляризатор; 6 - радиочастотная катушка; 7 - камера с парами щелочного металла; 8 - нагреватель камеры; 9 – фотодиод.
Техническим результатом заявляемой группы изобретений является увеличение точности измерений. Технический результат обеспечивается предложенными способом измерений магнитного поля земли и конструкцией квантового магнитометра. Во-первых, обеспечивается использование Mz сигнала на частоте модуляции радиополя, благодаря чему увеличивается точность квантового магнитометра. Во-вторых, точность квантового магнитометра увеличивается за счет цифровой обработки сигналов. Это позволяет реализовывать сложные алгоритмы, которые практически невозможно осуществить в рамках аналоговой электроники. Это особенно важно для квантового магнитометра, поскольку в нем нужно одновременно следить за частотой радиополя, за длиной волны лазера и за вспомогательными величинами, типа, температуры камеры, которые практически невозможно осуществить в рамках аналоговой электроники. В-третьих, использование изотопа Rb-87 за счет его более простой энергетической структуры, а также за счет почти в 2 раза большего гиромагнитного соотношения по сравнению с цезием также дает выигрыш в точности измерения и чувствительности магнитометра.
Для этого, квантовый магнитометр (как показано на рисунке) содержит полупроводниковый лазер с вертикальной структурой 2, камеру с парами щелочного металла 7 и оптическое многомодовое волокно 3 для передачи излучения от полупроводникового лазера к камере с парами щелочного металла, и выполнен следующим образом:
полупроводниковый лазер 2 с вертикальной структурой расположен во вторичном измерительном преобразователе (ВИП на рисунке), содержащем также: цифровой вычислитель А1, на котором выполняется цифровой алгоритм стабилизации частоты лазера, температуры камеры с парами щелочного металла и частоты радиополя, образуя контуры обратной связи 1; систему стабилизации температуры А2 камеры с парами щелочного металла 7 с цифровым управлением; термостабилизатор А3 лазера с цифровым управлением; источник тока А4 лазера с цифровым управлением, цифровой синтезатор частоты А5; аналогово-цифровой преобразователь А6 тока фотодиода.
Камера с парами щелочного металла изотопа Rb-87 7 расположена в первичном измерительном преобразователе (ПИП на рисунке), содержащем также: собирающие линзы 4; круговой поляризатор 5; радиочастотную катушку 6, создающую дополнительное поле, поперечное оптической оси; нагреватель 8 камеры с парами щелочного металла 7; фотодиод 9.
Измерения магнитного поля земли в соответствии с предлагаемым способом посредством заявляемого квантового магнитометра производятся следующим образом:
Во вторичном измерительном преобразователе (ВИП на рисунке), представляющим из себя электронное устройство, излучение лазера 2 вводится в многомодовый световод 3. В первичном измерительном преобразователе (ПИП на рисунке) вышедшее излучение с торца световода 3 попадает на фокусирующую линзу 4 для создания пучка света, близкого к параллельному. Сформированный пучок света проходит через поляризатор 5, который сообщает излучению круговую поляризацию, и попадает в стеклянную камеру 7 с парами щелочного металла Rb-87. Прошедшее сквозь камеру 7 излучение фокусируется линзой и попадает на фотодиод 9. Атомы в камере поглощают резонансное излучение с круговой поляризацией и ориентируются, населяя один из магнитных подуровней, при этом интенсивность прошедшего сквозь камеру излучения уменьшается, что можно регистрировать фотодиодом 9. Если приложить дополнительное переменное магнитное поле с помощью катушки 6, перпендикулярное оптической оси на частоте, соответствующей частоте перехода между магнитными подуровнями, то можно уменьшить интенсивность прошедшего сквозь ячейку излучения. Частота перехода между магнитными подуровнями пропорциональна измеряемому магнитному полю, то есть измерение магнитного поля сводится к измерению частоты перехода между магнитными подуровнями. Сигнал интенсивности излучения измеряемого магнитного поля, связанный с изменением степени оптической ориентации ансамбля атомов, называется Mz сигналом.
Введение низкочастотной, порядка 250 Гц, модуляции частоты радиополя вблизи резонансной частоты приводит к модуляции излучения на фотодиоде. При корректной настройке радиополя на резонанс в сигнале фотодиода будет присутствовать только вторая гармоника исходной частоты модуляции, а при допущении нарушения (расстройке) - от резонанса будет возникать первая гармоника, причем фаза будет соответствовать знаку расстройки.
Измерение частоты перехода между магнитными подуровнями предлагается осуществлять с помощью цифровой следящей системы, которая использует сигнал фотодиода, а именно первую гармонику в качестве сигнал ошибки и вырабатывает управляющий сигнал, подающийся на цифровой синтезатор частоты А5. Поскольку вне резонанса сигнал ошибки обращается в ноль, то следящая система при первом включении или срыве захвата должна сканировать весь допустимый диапазон частот. Возникший сигнал ошибки вводит систему в режим удержания. В следящей системе используется также сигнал второй гармоники, сообщающий о том, что система находится в резонансе, в противном случае поиск необходимо повторить.
Для работы магнитометра необходимо, чтобы излучение лазера было резонансным. Для этого применена активная стабилизация длины волны лазера. Известно, что длина волны лазера с вертикальным резонатором может быть изменена температурой лазера и током лазера. В квантовом магнитометре предлагается использовать термостабилизацию лазера на рабочей температуре, соответствующей грубой настройке длины волны лазера на резонансное поглощение атомами Rb-87. Точная и быстрая подстройка длины волны лазера осуществляется изменением тока лазера посредством источника тока А4. При точной настройке длины волны лазера на оптический переход атомов Rb-87 происходит сильное поглощение излучения атомами и уменьшение тока фотодиода. Введение слабой модуляции тока лазера приводит к модуляции интенсивности излучения, прошедшего сквозь камеру, иначе тока фотодиода. При этом, в случае точной настройки длины волны лазера на оптический переход, в сигнале фотодиода будет присутствовать только вторая гармоника исходной частоты модуляции, а при нарушении точности (расстройке) будет возникать первая гармоника, фаза которой будет соответствовать знаку расстройки. Частота модуляции тока лазера должна быть значительно больше частоты модуляции радиополя, чтобы не было взаимодействия между сигналами ошибки длины волны лазера и частоты радиополя. Стабилизация длины волны лазера выполнена в виде цифровой следящей системы, работающей по аналогии с системой стабилизации частоты радиополя. В качестве исходного сигнала используется также ток фотодиода, преобразованный в цифровой сигнал с помощью аналогово-цифрового преобразователя А6.
Для надлежащей работы квантового магнитометра необходимо поддерживать температуру камеры в районе 70°С для создания достаточной концентрации атомов Rb-87, что решено путем использования нагревателя камеры 8, на который подается переменное напряжение, регулируемое блоком А2. Сама стабилизация выполнена в виде цифрового алгоритма.
Изготовление квантового магнитометра не представляет большой сложности. Полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором с системой стабилизации частоты излучения, полимерное многомодовое волокно, оптическая система, приемник лазерного излучения, система обработки и анализа сигнала, радиочастотная катушка и т.п. давно освоены мировой и российской промышленностями. Конструкция квантового магнитометра проста, его изготовление не требует специальной оснастки для производства и очень высокой квалификации изготовителей.
Квантовый магнитометр в соответствии с заявляемым техническим решением неоднократно изготовлен и успешно испытан заявителем в составе аэромагнитометра Geoscan GeoShark. На момент подачи заявки проведено несколько десятков опытных работ, которые подтвердили высокую стабильность измерений, удобство его эксплуатации.