х
КВАНТОВЫЙ М - МАГНИТОМЕТР

Полезная модель относится к технике квантовых устройств и может быть использована в геологоразведке, сейсмологической службе, магнитокардиографии, а также в системах скрытого дистанционного обнаружения магнитных объектов.
К аналогам полезной модели относятся самогенерирующие парощелочные устройства с оптической накачкой. [Е.Б.Александров, А.К.Вершовский Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии, УФН. Том 179, №6 стр.605-637]. Подобное устройство состоит из датчика, усилителя обратной связи. Датчик включает в себя спектральную лампу накачки, колбу с парами щелочного металла, поляризационный фильтр, катушки, генерирующие радиочастотное магнитное поле, и фотодиод. Оптическое излучение распространяется под углом по отношению к измеряемому магнитному полю и выполняет одновременно две функции: создание неравновесного распределения атомов по магнитным подуровням и детектирование сигнала радиооптического резонанса. Радиочастотные катушки усиливают полученный сигнал и создают магнитное поле, служащее для возбуждения сигнала радиооптического резонанса.
Недостатком аналога являются так называемые ориентационные сдвиги частоты магнитометра при изменении угла между его оптической осью и вектором магнитного поля. Происхождение этих сдвигов связано с тем, что вклад различных парциальных резонансов сильно зависит от множества факторов - от интенсивности света и радиополя, от направления света накачки относительно направления постоянного поля, от плотности паров щелочного металла и так далее, - все это вносит неопределенность в положение максимума резонанса в функции от напряженности измеряемого поля. В результате точность магнитометра, как правило, не превышает единиц нТл, причем это проявляется как в низкой воспроизводимости показаний от включения к включению, так и в медленных дрейфах показаний даже в идеально стабилизированном поле.
F
F
Ближайшим аналогом заявленной полезной модели является магнитометр, содержащий источник накачки, последовательно расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляроида, две камеры поглощения, охваченные радиочастотными катушками, два приемных фотодетектора, частотомер, два усилителя обратной связи, первые выходы которых подключены к частотомеру, второй выход первого усилителя присоединен к второй радиочастотной катушке, а второй выход второго усилителя присоединен к первой радиочастотной катушке. [Н.М.Померанцев, В.М.Рыжков, Г.В.Скроцкий, Физические основы квантовой магнитометрии, Из-во Наука, М. 1972, стр..382]. В аналоге имеет место уменьшение ориентационной зависимости регистрируемой частоты путем компенсации ориентационного сдвига при оптической накачке рабочих камер поглощения циркулярнополяризованным светом разного знака. При этом в одной камере поглощения осуществляется накачка атомов на подуровень m=F, а в другой камере поглощения на уровень m=-F. Магнитометр генерирует на средневзвешенной частоте, которая не зависит от ориентации, если оптические оси камер поглощения лежат в плоскости вектора измеряемого магнитного поля
2
Недостатками аналога является относительно широкая линия поглощения, обусловленная градиентом измеряемого магнитного поля на участке разнесенных на относительно большое расстояние в пространстве рабочих камер поглощения из-за симметричного их расположения относительно источника накачки и неразрешенным контуром зеемановского спектра, а также наличие мертвых зон, которые вызваны зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла φ между измеряемым полем и оптической осью магнитометра по закону (sin φ cos φ), что приводит к обнулению сигнала магнитометра при углах φ, равных 0° или 90°. Возможное различие параметров в камерах (давление, температура, плотность паров) может влиять на номинальное значение измеряемой частоты сигнала магнитометра
х
Задачей полезной модели является разработка квантового М - магнитометра без мертвых зон с уменьшенной ориентационной погрешностью измерений частоты путем увеличения его разрешающей способности и обеспечения независимости амплитуды сигнала на выходе приемных фотодетекторов от ориентации магнитометра в плоскости, параллельной плоскости вектора измеряемого магнитного поля.
х
Поставленная задача достигается тем, что в известном квантовом М - магнитометре, включающем источник накачки, охваченные радиочастотными катушками камеры поглощения с парами щелочного металла, причем каждая камера поглощения оптически соединена с расположенными на одной с ней оптической оси циркулярным поляроидом с одной стороны и приемным фотодетектором с другой стороны, два усилителя обратной связи, первые выходы которых подключены к частотомеру, четыре цилиндрические камеры поглощения соединены между собой и расположены так, что оси первой и второй камер поглощения, лежащие в одной плоскости, параллельны и ориентированы под углом 45 градусов к параллельным осям третьей и четвертой камер, лежащим в той же или параллельной плоскости. Дополнительно установлены два сумматора, причем выход приемного фотодетектора, установленного после первой камеры поглощения, соединен с одним из входов первого сумматора, выход приемного фотодетектора, установленного после третьей камеры поглощения, соединен с другим входом первого сумматора. С соответствующими входами второго сумматора соединены выход приемного фотодетектора, установленного после второй камеры поглощения, и выход приемного фотодетектора, установленного после четвертой камеры поглощения. Выход первого сумматора соединен с входом первого усилителя обратной связи, второй выход которого подключен к соединенным между собой радиочастотным катушкам, охватывающим вторую и четвертую камеры поглощения. Выход второго сумматора соединен с входом второго усилителя обратной связи, второй выход которого подключен к соединенным между собой радиочастотным катушкам, охватывающим первую и третью камеры поглощения. Источник накачки выполнен в виде лазера, а между лазером и циркулярными поляроидами установлен оптический разделитель.
0
0
Подобная последовательность построения схемы обратной связи в заявляемом магнитометре (от фотодетекторов, регистрирующих сигнал с первой и третьей камер поглощения, до радиочастотных катушек, охватывающих вторую и четвертую камеры поглощения, и от фотодетекторов, регистрирующих сигнал со второй и четвертой камер поглощения, до радиочастотных катушек, охватывающих первую и третью камеры поглощения) обусловлена следующим. В магнитометрах на одной камере поглощения при резонансе модуляция света, регистрируемая приемным фотодетектором, сдвинута по фазе на +90. Для выполнения условий самовозбуждения этот сдвиг необходимо скомпенсировать в цепи обратной связи. При изменении направления измеряемого магнитного поля на обратное условие самовозбуждения по фазе оказывается нарушенным и возникает необходимость введения дополнительного сдвига сигнала по фазе на 180. Это делается с помощью автоматического переключателя радиочастотной катушки, который срабатывает всякий раз, когда на выходе усилителя обратной связи исчезает сигнал.
0
0
Неизбежный сдвиг +90 по фазе сигнала, снимаемого с первой и третьей камеры поглощения, автоматически компенсируется фазовым сдвигом -90 по фазе сигнала, снимаемого со второй и четвертой камеры поглощения. Аналогично фазовый сдвиг по фазе при съеме сигнала со второй и четвертой камер поглощения автоматически компенсируется фазовым сдвигом по фазе сигнала, снимаемого с первой и третьей камер поглощения.
При выполнении источника накачки в виде лазера высокая селективность лазерной накачки позволяет исключить часть магнитных подуровней одного из сверхтонких состояний, поскольку ширина линии лазерного излучения на порядок меньше энергетического зазора между состояниями сверхтонкой структуры, и уменьшить ширину резонансной линии, что в свою очередь и позволяет на порядок повысить разрешающую способность магнитометра, определяемую как минимальное приращение измеряемого поля, которое может быть зафиксировано измерительным устройством.
2
0
0
2
2
2
Размещение камер поглощения попарно под углом 45 градусов позволяет детектировать сигналы радиооптического резонанса на выходе приемных фотодетекторов с функциональной зависимостью амплитуды сигнала от угла φ по закону (sin φ cos φ) для третьей и четвертой камер поглощения и {sin(φ-45)cos(φ-45)} для первой и второй камеры, или соответственно (sin 2φ) и (cos 2φ). Тогда сумма этих сигналов с первой и третьей камер на выходе первого сумматора, и со второй и четвертой камер на выходе второго сумматора будет равна единице, т.е. от угла φ не зависит, что обеспечивает отсутствие мертвых зон измерительного устройства.
Соединение четырех цилиндрических камер поглощения между собой обеспечивает идентичность характеристик резонансного сигнала (ширина линии, интенсивность, резонансная частота), фиксируемого приемными фотодетекторами, и исключает погрешность измерений, связанную с различием параметров камер поглощения (давление, температура, плотность паров), влияющих на номинальное значение измеряемой частоты сигнала магнитометра. Соединение камер может быть осуществлено с помощью полых перемычек, причем размер, количество и расположение перемычек может варьироваться в частных случаях реализации.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображены:
х
Фиг.1 - блок-схема квантового М - магнитометра
Фиг.2 Схема расположения камер поглощения: а) вид сбоку, б) вид сверху
Магнитометр (фиг.1) содержит лазер накачки 1, оптический разделитель 2, циркулярные поляроиды 3, 4, 5, 6, камеры поглощения 7, 8, 9 и 10 с парами щелочных металлов, каждая из которых расположена на одной оптической оси с соответствующим циркулярным поляроидом 3, 4, 5, 6 с одной стороны и соответствующим приемным фотодетектором 18, 19, 20, 21 с другой стороны. Камеры поглощения 7, 8, 9, 10 расположены так, что оси камер 7 и 8, и оси камер 9 и 10 - попарно параллельны и лежат в параллельных плоскостях (фиг.2). Угол между осями камер 7, 8 и осями камер 9, 10 составляет 45 градусов. Камеры 7 и 8 соединены перемычкой 11, камеры 7 и 9 соединены перемычкой 12, камеры 8 и 10 соединены перемычкой 13 (фиг.1). Соединительные перемычки 11, 12 и 13 выполнены полыми и обеспечивают идентичность параметров атомов рабочего вещества (давление и температура) в каждой из камер поглощения. При этом число перемычек и порядок соединения камер поглощения может быть произвольным. Камеры 7, 8, 9, 10 охвачены соответствующими радиочастотными катушками 14, 15, 16 и 17. Дополнительно установлены два сумматора 22 и 23, причем с соответствующими входами сумматора 22 соединены выход приемного фото детектора 18, установленного после камеры 7, и выход приемного фотодетектора 20, установленного после камеры 9. С соответствующими входами сумматора 23 соединены выход приемного фотодетектора 19, установленного после камеры 8, и выход приемного фотодетектора 21, установленного после камеры 10. Выход сумматора 22 соединен с входом усилителя 24 обратной связи, второй выход которого подключен к соединенным между собой радиочастотным катушкам 17 и 15, охватывающим соответствующие камеры 10 и 8. Выход сумматора 23 соединен с входом усилителя 25 обратной связи, второй выход которого подключен к соединенным между собой радиочастотным катушкам 16 и 14, охватывающим соответствующие 9 и 7 камеры поглощения. Первые выходы усилителей 24 и 25 присоединены к входам частотомера 26.
В качестве оптического разделителя 2 могут быть использованы волоконные световоды, либо система зеркал и светоделительных призм.
х
Квантовый М - магнитометр работает следующим образом.
Магнитометр устанавливается так, чтобы оси камер 7, 8, 9, 10 поглощения были ориентированы в плоскости, параллельной плоскости вектора измеряемого магнитного поля. Излучение лазера 1 накачки, настроенного на один из оптических переходов атомов рабочего вещества, поступает на оптический разделитель 2, где происходит разделение света накачки на четыре луча одинаковой интенсивности, проходящих через циркулярные поляроиды 3, 4, 5 и 6 в соответствующие камеры 7, 9, 8 и 10 поглощения.
Предварительно поляроиды 3 и 4 настраивают таким образом, что на их выходе формируется свет накачки с вращением плоскости поляризации по часовой стрелке, а поляроиды 5 и 6 так, что формируется свет накачки с вращением плоскости поляризации против часовой стрелки.
F
F
1
2
1
2
1
2
1
2
В результате в камерах 7 и 9 поглощения осуществляется накачка щелочных атомов на подуровень m=F, в камерах 8 и 10 - на уровень m=-F. С выхода камер 7, 8, 9 и 10 излучение поступает на вход соответствующих приемных фотодетекторов 18, 19, 20 и 21. Сигналы с приемных фото детекторов 18 и 20, 19 и 21 складываются по амплитуде в соответствующих сумматорах 22 и 23, с выхода которых суммарные сигналы поступают на входы соответствующих усилителей 24 и 25 обратной связи. Усиленные сигналы с выхода усилителя 24 поступают на соединенные радиочастотные катушки 17 и 15, а сигналы с выхода усилителя 25 - на соединенные радиочастотные катушки 16 и 14. Шумовой ток фотодетекторов 18 и 20 вызывает «затравочный» сигнал на ларморовской частоте ω, соответствующей правой круговой поляризации света накачки (по часовой стрелке), а шумовой ток фото детекторов 19 и 21 вызывает «затравочный» сигнал на ларморовской частоте ω соответствующей левой круговой поляризации света накачки (против часовой стрелки). При выполнении условий самовозбуждения (суммарном нулевом фазовом сдвиге в цепи обратной связи - от фото детекторов 18, 20 и 19, 21 до радиочастотных катушек 17, 15 и 16, 14 - соответственно) на выходах усилителей 24 и 25 обратной связи формируется сигнал самогенерации на частотах ω и ω. Внешнее магнитное поле и его вариации регистрируются магнитометром по показаниям частотомера 26, фиксирующего полу сумму частот генерации ω и ω. Вследствие различия знаков ориентационной зависимости сигналов автогенерации на частотах ω и ω их полу сумма не зависит от ориентации магнитометра в плоскости, параллельной плоскости вектора измеряемого магнитного поля.
2
0
0
2
Отсутствие мертвых зон в заявляемом магнитометре связано с независимостью амплитуды колебаний на выходе усилителей 24 и 25 обратной связи от ориентации устройства в магнитном пространстве. Так например, если вектор измеряемого магнитного поля Н лежит в плоскости ZX под углом φ по отношению к оси камер 9 и 10 (фиг.2), ориентационные зависимости амплитуды сигналов генерации, снимаемых с фотодетекторов 18, 19, пропорциональны функции (sin φ cos φ), а снимаемых с фотодетекторов 20, 21 - функции {sin(φ-45)cos φ-45)}. Таким образом, суммарный сигнал с фотодетекторов 18, 20, получаемый на выходе сумматора 22 и с фото детекторов 19, 21, получаемый на выходе сумматора 23 от угла φ не зависит, (и не обнуляется как в прототипе). Это обуславливает отсутствие мертвых зон магнитометра при произвольном расположении вектора измеряемого поля в плоскости ZX за счет обеспечения независимости амплитуды сигнала магнитометра на выходе приемных фотодетекторов от ориентации магнитометра в плоскости, параллельной плоскости вектора измеряемого магнитного поля.
Как следует из описания работы магнитометра, положительный эффект достигается при такой ориентации измерительного устройства, при которой оси камер поглощения ориентированы в плоскости, параллельной плоскости вектора измеряемого магнитного поля. В случае произвольной ориентации магнитометра в пространстве для достижения положительного эффекта необходимо использовать комбинацию из трех рассмотренных схем магнитометра с общей системой регистрации измеряемого поля и лазером накачки. При этом число составных элементов устройства (оптический разделитель, поляроиды, фотодетекторы, камеры поглощения, и т.д.) утраивается.
Таким образом, заявляемая полезная модель магнитометра позволяет реализовать измерительное устройство с повышенной разрешающей способностью и уменьшенной ориентационной погрешностью измерений частоты вследствие независимости амплитуды сигнала на выходе приемных фотодетекторов от ориентации магнитометра в плоскости, параллельной плоскости вектора измеряемого магнитного поля.