КВАНТОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЁННОСТИ, НАПРАВЛЕНИЯ, ГРАДИЕНТА МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ЕГО УСТРОЙСТВО
QUANTUM WAY OF MEASURING THE INTENSITY, DIRECTION, GRADIENT MAGNETIC FIELDS OF THE EARTH AND SELLS ITS DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к области измерения параметров магнитного поля Земли с применением квантового магнитометра с рабочим веществом, атомы которого обладают магнитными моментами. Изобретение может быть использовано при разработке и создании космических аппаратов (КА) спутниковых систем, обеспечивающих высокоточные измерения напряженности, направления и градиента магнитного поля Земли, для составления карты магнитного поля Земли, автономного определения координат местоположения движения спутников на околоземной орбите, повышение точности ориентации и стабилизации КА, а также при разработке и создании сверхчувствительных сенсоров магнитного поля для регистрации очень слабых биотоков.
В настоящее время известны способы измерения магнитного поля Земли, основанные на взаимодействии этого поля:
- с постоянными магнитами (оптико-механические магнитометры);
- с магнитными моментами атомных ядер (протонные магнитометры);
- со спиновыми магнитными моментами при намагничивании магнитных материалов (феррозондовые магнитометры);
- с движущимися электрическими зарядами (магнитометры на эффекте Холла);
- с вращающимися электрическими катушками или рамками с током (индукционные магнитометры);
- с магнитными моментами атомов (квантовые магнитометры).
Перечисленные способы имеют следующую пороговую чувствительность (Ю.К. Меньшаков. Теоретические основы технических разведок. - М.: издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008, С. 503):
- оптико-механические магнитометры
- 5 нТл;
- протонные магнитометры
- 2 нТл;
- феррозондовые магнитометры
- 0,2…2 нТл;
- индукционные магнитометры
- 10<sup>-3</sup> нТл;
- магнитометры на эффекте Холла
- 30 нТл;
- криогенные магнитометры
- 0,1 нТл;
- квантовые магнитометры
- 2⋅10<sup>-2</sup> нТл.
Основные недостатки известных способов низкие значения пороговой чувствительности, большие погрешности измерения напряженности, направления и градиента магнитного поля Земли, а также сложные, трудозатратные реализующие устройства.
В качестве прототипа взят квантовый способ с оптической накачкой рабочего вещества и реализующее его устройство - магниточувствительный преобразователь Фиг. 1.
З
В основе известного квантового способа измерения напряженности магнитного поля Земли Н (геомагнитного поля) с оптической накачкой рабочего вещества лежит эффект Зеемана, выражающий взаимодействие измеряемого магнитного поля с рабочим веществом магнитометра. В квантовых магнитометрах в качестве рабочего вещества используются вещества, атомы которого обладают магнитными моментами.
Энергетические уровни атомов рабочего вещества находящиеся в магнитном поле расщепляются на несколько подуровней, что при спектроскопическом излучении проявляются в возникновении дополнительных спектральных линий. Это явление носит название эффекта Зеемана.
При оптической накачке рабочего вещества происходит интенсивное поглощение световой энергии атомами рабочего вещества, вызывая резонансные переходы. Частота излучения при переходе атомного электрона с одного подуровня на другой определяется как
Б
где μ - магнетон Бора; h - постоянная Планка. По известному соотношению и измеренному значению резонансной частоты определяют напряженность магнитного поля Земли.
В реальных магнитометрах рассмотренный способ измерения напряженности постоянного магнитного поля Земли реализуется в магниточувствительном преобразователе специальной и довольно сложной конструкции Фиг. 1. (Ю.К. Меньшаков. Теоретические основы технических разведок. - М.: издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008, С. 490).
Задачей предлагаемого изобретения является разработка высокочувствительного квантового способа измерения напряженности, направления, градиента магнитного поля Земли и простого, малогабаритного, частотнонезависимого квантового магниторамочного магнитометра с магнитной накачкой с использованием квантовых магнитных антенн индуцированного когерентного приема, излучения магнитоэлектрических волн.
Указанная задача решается за счет применения квантового способа измерения напряженности, направления, градиента магнитного поля Земли и реализующего устройства, при котором производят магнитную накачку рабочего вещества трех магнитометров в форме кольца, на поверхностях которых размещены измерительные обмотки, магнитоэлектрическим полем Земли, ориентируя микроскопические магнитные моменты вещества вдоль силовых магнитных линий магнитного поля Земли и увеличивая намагниченность рабочего вещества, в результате которой в соответствии с законом магнитоэлектрической индукции Фарадея (четвертое уравнение теории Максвелла) в измерительных обмотках индуцируются
электродвижущие силы (ЭДС) источников напряжения, затем измеряют значения ЭДС.
Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что предельно-компактные, сверхширокополосные с магнитной накачкой рабочего вещества трех идентичных квантовых магнитных рамочных антенн, предложенного квантового способа измерения напряженности, направления, градиента магнитного поля Земли и реализующего его устройства, обеспечат высокоточные измерения компонент геомагнитного поля.
Т
Т
Т
Магнитное поле Земли - геомагнитное поле характеризуется напряженностью, являющейся векторной величиной и обозначается в теории геомагнитизма Н. Вектор напряженности геомагнитного поля может быть разложен на составляющие Фиг. 2. Для этой цели используют прямоугольную систему координат с центом в точке измерения. Плоскость XOY принимают горизонтальной, ось X направлена на географический север, Y - на восток, Z - по вертикале вниз. Составляющие вектора Н по осям обозначаются X, Y, Z. Проекция полного вектора напряженности поля Н на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей Н=Х+Y.
Вертикальная плоскость OZ, в которой лежит вектор Н называется плоскостью магнитного меридиана. Положение магнитного меридиана используется для определения магнитного азимута какого-либо направления. Отчет угла проводится по часовой стрелке от направления магнитного меридиана.
Угол D между плоскостями географического и магнитного меридианов называется углом магнитного склонения.
Т
Угол I между вектором Н и горизонтальной плоскостью XOY называется углом магнитного наклонения.
Склонение D, наклонение I, горизонтальную Н, вертикальную Z, северную X и восточную Y составляющие называют элементами земного
-5
магнетизма. Элементы Н, Z, X, Y измеряются в эрстедах (в СГСМ) и в гаммах (10 Э); D, I - градусах.
Т
Значение и положение вектора Н в данной точке пространства зависят от трех величин наиболее распространенные, сочетание которых: X, Y, Z; X, Z, D или X, Z, I; D I, Z, или D, I, Н.
Т
При изучении распределения напряженности геомагнитного поля на земной поверхности измеряют Н, D, I, так как знания указанных величин достаточно для вычисления всех составляющих по координатным осям полного вектора Н
Х=Н⋅cosD, Y=Н⋅sinD, Z=H⋅tgI.
Семь элементов земного магнитного поля можно выразить через любые три составляющие Фиг. 2.
В любой точке Земли магнитное поле исчерпывающим образом характеризуется его интенсивностью и направлением. Магнитное поле может быть представлено двумя взаимно-перпендикулярными компонентами: горизонтальной (Н) и вертикальной (Z). Если векторы, показывающие интенсивность и направление горизонтальной компоненты в различных точках Земли, нанести на карту, то видно, что они расходятся от точки вблизи Южного полюса и сходятся в точке вблизи Северного полюса. Эти точки называются соответственно Южным и Северным магнитными полюсами Фиг. 3. На полюсах магнитное поле направлено вертикально. Линию, на которой магнитное поле направлено горизонтально, называют магнитным экватором.
На фигурах описания изобретения представлено.
Фиг. 1. Принципиальная схема магниточувствительного преобразователя (МПЧ). В квантовом магнитометре (прототипе) принцип измерения магнитного поля Земли реализуется в МПЧ специальной и довольно сложной конструкции, в состав которой входят:
1 - генератор возбуждения спектральной лампы;
2 - контур возбуждения;
3 - спектральная лампа;
4 - линза Френеля;
5 - поляризатор;
6 - четвертьволновая пластинка;
7 - ампула с рабочим веществом;
8 - катушка обратной связи;
9 - фокусирующая линза;
10 - фотодетектор;
11 - усилитель;
12 - фазовращатель.
Фиг. 2. Приведены элементы земного магнитизма. Магнитное поле Земли характеризуется напряженностью, являющейся векторной величиной, которую можно разложить на составляющие.
Фиг. 3. Представлено магнитное поле Земли и его изменение на поверхности во времени. Измерения показывают, что на поверхности Земли оно имеет вид как поле полосового магнита, помещенного в центр Земли.
Фиг. 4 Квантовый магнитометр, реализующий заявленный способ с применением малогабаритной, сверхширокополосной магнитной, квантовой антенны индуцированного, когерентного приема, излучения магнитоэлектрических волн вращающейся поляризации (Патент РФ №2598312 от 20.06.2016)
Название изобретения - квантовый магниторамочный магнитометр получило от высокочувствительного элемента оригинальной конструкции квантовой магнитной рамочной антенны в форме кольцевого сердечника из рабочего вещества, на поверхности которого размещена фазовая обмотка. С помощью магнитной рамочной антенны магнитное поле Земли измеряют посредством определения потока магнитоэлектрической индукции, создаваемого геомагнитным полем Земли.
Магнитным полем Земли называется форма материи, в качестве силовой характеристики которой используют понятие напряженности. Напряженность Н магнитного поля называется векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле. В реальных условиях магнитное поле распространяется в материальной среде, которая этим полем намагничивается. При этом разные среды пропускают через себя магнитное поле по-разному. Эта особенность называется магнитной проницаемостью μ среды вещества.
Плотность магнитного потока в намагниченном материале определяется как вектор магнитной индукции В. Магнитная индукция связана с напряженностью магнитного поля соотношением
Магнитное поле Земли связано с вращающимися магнитными полями, обусловленными радиационными поясами Земли, в частности, с третьим поясом радиации, или кольцевым током силой до 5000000 ампер, состоящим из электронов с энергией 200 эВ. Всю область с поясами называют магнитосферой. Под действием изменяющегося магнитного поля радиационных поясов на поверхности Земли индуцируются токи Фуко. Магнитные поля индукционных токов Земли, взаимодействуя с магнитными полями радиационных поясов, вовлекают Землю во вращательное движение (Авиационная техника и технология, №4, 2014, с. 26-36). Следовательно, магнитное поле Земли индуцированное (вынужденное) обусловленное индукционными токами (вихревыми токами Фуко).
3
Пусть оси (перпендикуляров) к плоскостям колец антенн установленных на спутнике, ориентированы по направлению вектора напряженности Н измеряемого поля. Под воздействием этого поля в магнитной квантовой антенне (Патент RU №2598312 МПК H04W 8/00, 2016) возникает поток магнитоэлектрической индукции
З
0
где Н - напряженность измеряемого поля; S - площадь поперечного сердечника магнитной квантовой антенны; μ - магнитная проницаемость вакуума; μ - начальная проницаемость рабочего материала сердечника магнитной квантовой антенны.
Из равенства видно, что магнитный поток пропорционален полю и, следовательно, может быть использован как мерой этого поля. А рабочее вещество кольцевого сердечника нужно прежде всего для усиления. Действительно, если выбрать сердечник из материала с большой магнитной проницаемостью, то даже слабое внешнее поле создаст в нем солидный поток индукции, что в свою очередь позволит более надежно выполнить измерение.
С технической точки зрения поток магнитоэлектрической индукции удобнее измерять наблюдая электродвижущую силу (ЭДС) в измерительной обмотке, охватывающей кольцевой сердечник. Обычно такая ЭДС  в обмотке возникает под влиянием переменного потока магнитоэлектрической индукции, т.е. когда Ф=Ф(t), где t - время. Напряженность магнитного поля Земли составляет на магнитном полюсе 0,63 гс. На экваторе напряженность поля равна 0,31 гс. Следовательно, Земля обладает относительно слабым магнитным полем и слабо изменяющимся (О. Струве и др. .элементарная астрономия. Перевод с английского. Изд-ство «Наука», Москва 1964, с. 54)
Принципы работы квантового магниторамочного магнитометра основан на магнитоэлектрической индукции, открытой М. Фарадеем в 1831 году, патент РФ №2598312 МПК H04W 8/00.
2
1
1
2
В основе предлагаемого квантового способа измерения напряженности магнитного поля Земли лежит магнитная накачка активного рабочего вещества, в результате которой по мере прохождения магнитного поля Земли через вещество будет происходить его усиление благодаря тому, что количество вынужденных переходов атомов с уровня ε на ε будет превосходить число актов поглощения ε→ε. Таким образом, квантовое усиление происходит за счет внутренней энергии атомов, которое называется вынужденным (индуцированным) усилением. (Квантовая электроника. Изд-ство «Советская энциклопедия», Москва - 1969, с. 11).
З
Установим количественную зависимость между измеряемым внешним полем Н и ЭДС в измерительной обмотке.
В соответствии с законом магнитоэлектрической индукции Фарадея индуцированная ЭДС в измерительной обмотке определяется выражением
где
ε - индуцированное в измерительной обмотке квантовой магниторамочной антенны напряжение;
ΔФ - равномерное приращение магнитного потока;
Δt - продолжительность изменения магнитного потока;
N -число витков в обмотке.
При неравномерном изменении магнитного потока мгновенное значение индуцированного напряжения дается формулой
Знак минус означает, что при увеличении мгновенного потока напряжение индуцированного тока противоположно определяемому правилом буравчика.
0
Магнитная индукция В магнитоэлектрического поля - векторная величина. Эта величина складывается из индукции, обусловленной магнитным полем Земли (намагничивающим током μ⋅H), индукции, обусловленной магнитным полем рабочего вещества (намагничивающим током 4πj) и индукции обусловленной магнитным полем (намагничивающим током 4πJ).
Так как В=μ⋅Н, то
0
0
-6
где  - намагниченность, ;  - магнитная восприимчивость; J - ток в возбуждающей обмотке; μ - магнитная постоянная, μ=1,257⋅10 В⋅с/А⋅м.
Известно, что
где W - число витков измерительной обмотки;
S - площадь поперечного сечения сердечника;
- дифференциальная магнитная проницаемость сердечника.
Следовательно,
- прямо пропорциональна числу витков и площади поперечного сечения сердечника (1)
Мерой излучаемого магнитного поля Землей в магнитометре является амплитуда ЭДС в измерительной обмотке. Для этого выполняется градуировка магнитометра. Для градуировки используются специальные устройства - образцовые меры магнитной индукции. Градуировке подлежит вся шкала магнитометра.
Из равенства (1) следует:
- предложенный магнитометр является индикатором переменного магнитного поля Земли, так как под влиянием этого поля на выходе появляется ЭДС;
- значение появляющейся ЭДС пропорционально значению магнитного поля Земли и может быть использовано как мера поля;
З
- фаза ЭДС в измерительной обмотке определяется направлением измеряемого поля Н; при изменении направления вектора Н фаза ЭДС на выходе магнитометра меняется на обратную.
- частотная характеристика ЭДС в измерительной обмотке магнитометра определяется частотой изменения магнитной проницаемости сердечника (рабочего вещества).
Магнитное поле Земли - это пространство, в котором действуют магнитные силы, связанные с намагниченностью Земли; это пространство (среда) в которой распространяются электромагнитные, магнитоэлектрические волны.
Наведенная намагниченность считается индуцированной. Следовательно магнитное поле Земли индуцированное. Под термином индуцированное понимается совокупность радиотехнических, оптических устройств - генераторы, магнитные квантовые антенны, усилители и преобразователи частоты магнитоэлектрических волн, действие которых основано на явлении индуцированного (вынужденного) излучения, усиления. Вынужденное излучение, усиление возникает в результате согласованного по частоте и направлению почти одновременного испускания магнитоэлектрических волн огромным количеством атомов, молекул под действием внешнего магнитного и электромагнитного полей. Вынужденное излучение, усиление может происходить в диапазонах радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света и ультрафиолетового излучения (Квантовая электроника. - М.: Изд. «Советская энциклопедия», 1969, с. 11).
Согласно принципа применения взаимности для излучения приемных антенн (Г.Н. Кочержевский Антенно-фидерные устройства. - М.: Изд. «Связь», 1968, с. 106) направленные свойства антенны (амплитудная и фазовая характеристики направленности, коэффициент направленного действия) при ее работе в качестве передающей или в качестве приемной остаются одинаковыми (при условии, что приемник и передатчик присоединяются к одним и тем же точкам антенны). Из принципа взаимности вытекает обратимость процессов приема и излучения (передачи).
Чувствительность квантового магниторамочного магнитометра определяется чувствительностью приемной квантовой магнитной рамочной антенны индукционного приема, излучения магнитоэлектрических волн под действием внешнего магнитного поля (Авиакосмическая техника и технология, №2 - 2014. С. 30-37, Авиакосмическая техника и технология, №42 - 2014. С. 26-34, Патент №2570651, МПК H04J 1/00, 2015 RU, Патент RU №2598312 МПК H04W 8/00), 2016 RU.
Согласно законам квантовой механики, энергия электрона, связанного в атоме, а следовательно и энергия атомов в целом в рабочем веществе не произвольна. При переходе атомного электрона с одного уровня энергии на другой атом может излучать или поглощать магнитоэлектрические волны.
Такой переход называется вынужденным или индуцированным. Переход электрона в состояние с большей энергией 82 сопровождается поглощением порции (кванта) энергии магнитоэлектрического излучения.
Условием вынужденного поглощения является равенство
23
где  - частота поглощения; h - постоянная Планка, равная 6,62⋅10 эрг/сек;
1
2
ε, ε - энергии начального и конечного уровней.
Обратный вынужденный переход (прием) связан с испусканием кванта энергии в виде магнитоэлектрической волны. При этом частота и фаза колебаний возникших магнитоэлектрических волн в точности совпадают с частотой и фазой первичной волны, вызвавшей переход. Именно вынужденное излучение, вынужденный прием приводит как к усилению амплитуды первичных волн, так и к повышению пороговой чувствительности магнитометра.
Пороговую чувствительность квантового способа измерения напряженности, направления, градиента магнитного поля Земли и реализующего его устройства определим из сравнительного анализа приема, передачи мощности электромагнитного поля с использованием элементарного электрического вибратора и приема, передачи мощности магнитоэлектрического поля с использованием элементарного квантового магнитного вибратора.
Элементарный электрический вибратор изначально в его окрестностях под действием протекающего в нем переменного электрического тока возбуждает переменное электрическое поле. Это переменное электрическое поле с постоянным магнитным полем Земли не взаимодействует. Следовательно, электрическая энергия из окрестностей вибратора, которую иногда называют ближней (связанной) зоной, где происходят колебания реактивной энергии, вызывая соответствующие потери мощности электрического поля на излучение, электромагнитные волны не излучаются.
Переменное электрическое поле элементарного электрического вибратора согласно электромагнитной индукции возбуждает переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле электрического вибратора теперь уже взаимодействует с постоянным магнитным полем Земли, вызывая магнитные колебания по аналогии на примере спокойной водной поверхности, когда брошенный предмет порождает ее колебания. Только теперь электромагнитные волны электрической антенны излучаются и распространяются в пространстве с соответствующими потерями в каждой волне.
В отличии от элементарного электрического вибратора элементарный магнитный вибратор изначально в ближней зоне возбуждает вихревое магнитное поле, которое сразу взаимодействует с магнитным полем Земли, вызывая магнитные колебания. Согласно магнитоэлектрической индукции, переменное магнитное поле возбуждает переменное электрическое поле магнитоэлектрической волны, излучая ее в пространстве.
У магнитного элементарного вибратора отсутствует связанное поле и, следовательно, отсутствуют потери в процессе излучения и отсутствуют соответствующие потери при распространении в пространстве.
Магнитная квантовая антенна излучает только свободные магнитоэлектрические волны, согласованные с магнитным индуцированным полем Земли. У магнитных квантовых антенн отсутствуют потери в процессе излучения и распространения магнитоэлектрических волн, которые присутствуют в процессе излучения электрическими антеннами электромагнитных волн и их распространения.
Выражения для мощности, излучаемой элементарным электрическим излучателем (вибратором) , и элементарным магнитным вибраторами  находящимися в свободном пространстве, имеют вид (Г.Н. Кочержевский. Антенно-фидерные устройства. - М.: Связь, 1968, С. 21, 24)
Отношение  показывают, что потери мощности излучения, распространения и приема магнитоэлектрических волн элементарным магнитным вибратором по сравнению с потерями мощности излучения, распространения и приема электромагнитных волн элементарным электрическим вибратором, ниже на  (51,52 дБ). То есть коэффициент
полезного действия (КПД) элементарного магнитного вибратора выше КПД элементарного электрического вибратора на 51,52 дБ.
Ом (25,76 дБ) (Г.Н. Кочержевский. Антенно-фидерные устройства. - М.: Связь, 1968, С. 17),
где:  - магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума),  гн/м;
- электрическая проницаемость (диэлектрическая проницаемость вакуума),  ф/м;
Физический смысл волнового сопротивления в том, что оно определяется для данной среды как отношение напряженности электрического поля к напряженности магнитного поля подобно тому, как волновое сопротивление длинной линии определяет отношение напряженности к току бегущей волны в проводах линии.
Согласно применения принципа взаимности для излучения приемных антенн (Г.Н. Кочержевский. Антенно-фидерные устройства. - М.: Связь, 1968, С. 106) снижение потерь при использовании квантовых магнитных рамочных антенн эквивалентно увеличению чувствительности приемных устройств.
При использовании кольцевого сердечника магнитометра, например, из рабочего вещества - пермаллоя, магнитная проницаемость которого
-15
Следовательно, суммарная пороговая чувствительность квантового способа измерения напряженности, направления, градиента магнитного поля Земля и реализующее его устройство может достичь порядка 2⋅10 Тл и более (Патент RU №2598312, MПК04W, 8/00, Авиакосмическая техника и технология, №4, 2014).
Положительный эффект использования предложенного технического решения, преимущества квантового магниторамочного магнитометра по сравнению с известными решениями состоит в следующем:
- высокая чувствительность;
- предельная компактность сочетается с высоким значением коэффициента полезного действия;
- способность непрерывно перекрывать весь радиочастотный диапазон;
- существенное снижение потерь мощности;
- пригодность квантового приеморамочного магнитометра функционировать в качестве магнитной квантовой приемопередающей антенны, принимающей, излучающей когерентные магнитоэлектрические волны;
- возможность создавать высокочувствительные магнитометры с компенсацией магнитных полей носителей вариации магнитного поля Земли.
Использование квантового магнитного рамочного магнитометра как сверхчувствительного датчика магнитного поля для регистрации очень слабых магнитных полей биотоков.
Анализ известных решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии признаков предложенного технического решения.
Таким образом, предложенный квантовый способ измерения напряженности, направления, градиента магнитного поля Земли и реализующее его устройство соответствует критериям новизны, изобретательскому уровню, промышленная применяемость и дает при использовании положительный эффект.