Z
КВАНТОВЫЙ М-МАГНИТОМЕТР

Полезная модель относится к технике измерений характеристик магнитного поля Земли и может быть использована в геологоразведке, сейсмологической службе, магнитокардиографии, а также в системах скрытого дистанционного обнаружения магнитных объектов.
X
2
К аналогам полезной модели относятся квантовые магнитометры Mтипа с оптической накачкой, в которых контролируется прецессия поперечной компоненты намагниченности атомов рабочего вещества под действием резонансного радиочастотного поля [Александров Е.Б., Бонч-Бруевич В.А., Якобсон Н.Н. Магнитометры на основе оптической накачки атомов - состояние и перспективы разработок. Оптический журнал, 1993, №11, стр. 17-30]. Подобные устройства содержат в своем составе магниточувствительный датчик, подключенный к усилителю сигнала прецессии, синхронный детектор, управляемый радиочастотный генератор и частотомер. Недостатком аналогов является низкая точность и наличие мертвых зон, обусловленных зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла α между измеряемым полем и оптической осью по закону (sinαcosα).
К аналогам полезной модели относятся также самогенерирующие парощелочные устройства с оптической накачкой [Александров Е.Б., Вершовский А.К. 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.
2
Недостатком аналогов является низкая точность и наличие мертвых зон, обусловленных зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла α между измеряемым полем и оптической осью по закону (sinαcosα). В соответствии с указанной зависимостью наличие мертвой зоны связано с онулением сигнала измерительного устройства при стремлении угла α к нулю и 90°.
Z
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является магнитометр M типа с оптической накачкой [Померанцев Н.М., Рыжков В.М., Скроцкий Г.В. Физические основы квантовой магнитометрии. - М.: Из-во Наука, 1972, стр. 384], содержащий радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник циркулярно поляризованного излучения накачки, камеру поглощения с атомами щелочного металла, охваченную радиочастотной катушкой, и фотодетектор. Схема автоподстройки радиочастотного генератора содержит избирательный усилитель, модулятор, звуковой генератор, фазовый детектор, первый вход которого соединен с выходом избирательного усилителя, а второй с первым выходом звукового генератора, второй выход которого подключен к первому входу модулятора, вход избирательного усилителя является входом схемы автоподстройки, а выход фазового детектора - выходом схемы автоподстройки. Сигнал ошибки на выходе фазового детектора является выходным сигналом схемы автоподстройки радиочастотного генератора, и этот сигнал осуществляет перестройку его частоты под резонансное значение, измеряемое частотомером. В геомагнитном поле для большинства щелочных атомов спектр поглощения неразрешен и примерно на порядок шире в сравнении с шириной линии разрешенного спектра. При работе на неразрешенном контуре линии поглощения, форма которого ассиметрична, средневзвешенная резонансная частота существенно зависит от угла между направлением света накачки и измеряемым магнитным полем.
4
Недостатком прототипа является его низкая точность из-за относительно широкой линии поглощения, связанной с неразрешенным контуром зеемановского спектра атомов щелочного металла, что приводит к ориентационным погрешностям магнитометра, и наличием мертвых зон, обусловленных зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла α между измеряемым полем и оптической осью по закону (cosα). К недостаткам прототипа относится также его принципиальная неспособность определять направление в пространстве вектора измеряемого магнитного поля, что снижает функциональные возможности устройства.
Z
Задачей полезной модели является разработка M магнитометра с высокой точностью за счет уменьшения ориентационной погрешности измерений частоты и расширением функциональных возможностей, а именно, возможностью определения ориентации измеряемого магнитного поля относительно оптической оси магнитометра путем введения дополнительного магнитного поля.
Z
Поставленная задача достигается тем, что в известном Mмагнитометре, содержащем радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник циркулярно поляризованного излучения накачки, камеру поглощения с атомами щелочного металла, охваченную радиочастотной катушкой, и фотодетектор, подключенный к входу схемы автоподстройки радиочастотного генератора, введены дополнительный радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, вход которой подключен к выходу фотодетектора, соленоид с источником питания, схема преобразования частоты, соединенная с радиочастотным генератором и дополнительным радиочастотным генератором, коммутирующее устройство, соединенное с источником питания соленоида, выходами радиочастотного генератора, дополнительного радиочастотного генератора и схем их автоподстройки, выходы коммутирующего устройства подключены к радиочастотной катушке и соленоиду, а камера поглощения с радиочастотной катушкой помещены в соленоид, расположенный так, что его ось параллельна оси оптического тракта.
0
изм
изм
0
изм
изм
изм
0
4
Введение соленоида, создающее сильное стабилизированное магнитное поле, в котором много резонансный спектр поглощения оптически ориентированных атомов щелочного металла полностью разрешен, позволяет использовать для работы магнитометра линию поглощения со значительно меньшей шириной. Уменьшение ширины линии приводит к увеличению точности магнитометра и исключению ориентационной погрешности определения резонансной частоты. В заявляемом устройстве вследствие симметрии линии поглощения ориентационная погрешность принципиально отсутствует. При этом резонансная частота заявляемого магнитометра пропорциональна модулю суммарного вектора напряженности магнитного поля, образованного вектором напряженности H магнитного поля соленоида и вектором напряженности H измеряемого магнитного поля, направленного под заранее неизвестным углом а по отношению к оптической оси магнитометра. Для определения этого угла и измерения напряженности H в заявленном магнитометре использовано коммутирующее устройство, осуществляющее периодическое переключение направления тока в соленоиде, и схема автоподстройки частоты дополнительного радиочастотного генератора. По значениям частоты радиочастотных генераторов, управляемых схемами автоподстройки, схема преобразования частоты осуществляет определение не только напряженности измеряемого магнитного поля, но и его ориентации относительно оптической оси магнитометра. Указанное размещение соленоида, ось которого параллельна оси оптического тракта, обеспечивает максимум резонансного сигнала, амплитуда которого, как отмечалось выше, зависит от угла α между направлением магнитного поля и оптической осью магнитометра по закону (cosα). Для обеспечения высокой точности заявляемого магнитометра необходимо, чтобы напряженность Н магнитного поля соленоида намного превышала величину напряженности H измеряемого (например, геомагнитного) поля. При выполнении этого условия, зеемановский спектр поглощения полностью разрешен, а амплитуда сигнала магнитометра практически не зависит от направления вектора H, так как направление суммарного вектора, образованного векторами H и H, в основном, определяется магнитным полем соленоида. При ином размещении соленоида увеличивается погрешность вследствие ориентационной зависимости амплитуды сигнала магнитометра. Например, если ось соленоида ориентирована под углом 90 градусов к оптической оси магнитометра, то устройство практически не будет функционировать, так как амплитуда сигнала, снимаемого с выхода приемного фотодетектора, будет на уровне шумов.
Введение дополнительного радиочастотного генератора со схемой автоподстройки позволяет с помощью коммутирующего устройства осуществлять работу магнитометра при изменении направления магнитного поля в соленоиде с прямого на обратное. Схемы автоподстройки генератора и дополнительного генератора настраивают на различные частоты при прямом и обратном включении магнитного поля соленоида для достижения независимой перестройки частот радиочастотных генераторов, что позволяет расширить функциональную возможность магнитометра - получить информацию не только об измеряемом магнитном поле, но и его ориентации по отношению к оптической оси измерительного устройства.
Указанные свойства заявленного магнитометра могут быть использованы при разработке ориентометров, применяемых, в частности, в космической навигации и фиксирующих некоторое направление в пространстве относительно инерциальной системы отсчета. [Померанцев Н.М., Рыжков В.М., Скроцкий Г.В. Физические основы квантовой магнитометрии. - М.: Из-во Наука, 1972, стр. 384]
Z
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг.), на котором изображена схема предлагаемой полезной модели квантового M - магнитометра, где 1 - радиочастотный генератор; 2 - схема автоподстройки радиочастотного генератора 1; 3 - источник циркулярно поляризованного излучения накачки; 4 - камера поглощения с атомами щелочного металла; 5 - радиочастотная катушка; 6 - фотодетектор; 7 - схема преобразования частоты; 8 - коммутирующее устройство; 9 - соленоид; 10 - источник питания соленоида; 11 - дополнительный радиочастотный генератор; 12 - схема автоподстройки дополнительного радиочастотного генератора 11.
Магнитометр (фиг.) содержит радиочастотный генератор 1 со схемой 2 автоподстройки, оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник 3 циркулярно поляризованного излучения накачки, камеру 4 поглощения с атомами щелочного металла, охваченную радиочастотной катушкой 5, и фото детектор 6, подключенный к входу схемы 2 автоподстройки. Дополнительно введены схема 7 преобразования частоты, коммутирующее устройство 8, соленоид 9 с источником питания 10, дополнительный радиочастотный генератор 11 со схемой 12 автоподстройки, вход которой подключен к выходу фотодетектора 6. Схема 7 преобразования частоты соединена с радиочастотными генераторами 1 и 11. Коммутирующее устройство 8 соединено с источником питания 3 соленоида 9, выходами радиочастотного генератора 1, дополнительного радиочастотного генератора 11 и выходами схем 2, 12 автоподстройки. Выходы коммутирующего устройства 8 подключены соответственно к радиочастотной катушке 5 и соленоиду 9. Камера 4 поглощения с радиочастотной катушкой 5 помещены в соленоид 9, расположенный так, что его ось параллельна оси оптического тракта.
В качестве схемы 7 преобразования частоты возможно использовать стандартный контроллер.
В качестве коммутирующего устройства может быть использован микроконтроллер, например, Silabs C8051F120 и схема электронного переключателя, например, описанного в работе [Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника. Перевод с немецкого под редакцией Алексенко А.Г. - М.: Мир, 1982 г., стр 276]
В качестве источника питания соленоида можно использовать высокостабильный источник тока на базе опорного источника напряжения, например, Burr-Braun REF02.
-5
В качестве соленоида может быть использована многослойная катушка, создающая постоянное магнитное поле в зоне размещения камеры поглощения требуемой напряженности и однородности. Так, например, для измерения геомагнитного поля заявляемым устройством на атомах цезия для достижения высокой точности необходимо, чтобы напряженность магнитного поля в соленоиде была на порядок больше напряженности геомагнитного поля при его относительной однородности в пределах камеры поглощения не хуже 10, что несложно обеспечить. При этих условиях достигается сужение линии радиооптического резонанса за счет разрешения зеемановского спектра поглощения и уменьшение ориентационной погрешности устройства.
Схемы 2 и 12 автоподстройки радиочастотных генераторов могут быть построены по известному стандарту, используемому в технике квантовой магнитометрии, и содержать избирательный усилитель, модулятор, звуковой генератор и фазовый детектор. Входом схем автоподстройки является вход избирательного усилителя, а выходом - выход фазового детектора. [Померанцев Н.М., Рыжков В.М., Скроцкий Г.В. Физические основы квантовой магнитометрии. - М.: Из-во Наука, 1972, стр. 384]. Избирательный усилитель обеспечивает работу схем автоподстройки на определенной частоте, задаваемой звуковым генератором, и не пропускает сигналы с частотами, отличными от частоты этого звукового генератора.
Квантовый магнитометр работает следующим образом.
Циркулярно поляризованное излучение источника 3 накачки поступает в камеру 4 и осуществляет поляризацию атомов щелочного металла. С выхода камеры 4 свет поступает на вход приемного фотодетектора 6, сигнал с которого поступает далее на входы схем 2 и 12 автоподстройки. Работа схем 2 и 12 автоподстройки основана на методике синхронного детектирования резонансного сигнала магнитометра, согласно которому частота радиочастотных генераторов 1 и 11 модулируется с низкой звуковой частотой. При этом в условиях радиооптического резонанса прозрачность камеры 4 поглощения будет изменяться синхронно с частотой модуляции и это изменение фиксируется приемным фото детектором 6, подключенным к схемам 2, 12 автоподстройки частоты соответствующих радиочастотных генераторов 1 и 11. Управляющее напряжение на выходе этих схем 2, 12 осуществляет периодическую подстройку частоты соответствующих радиочастотных генераторов 1 и 11 под резонансное значение, соответствующее измеряемому магнитному полю. Схемы 2, 12 настраивают на разные частоты модуляции так, что каждая из этих схем пропускает только одну их этих частот модуляции, что позволяет разделить сигнал радиоопического резонанса, снимаемый общим приемным фотодетектором 6 по двум схемам автоподстройки и добиться того, что каждая схема автоподстройки работает только на одной из двух частот модуляции.
изм
0
Таким образом, в силу различия частот модуляции достигается автономная работа схем автоподстройки 2 и 12 без их взаимного влияния. Сигналы с первых выходов схем автоподстройки 2 и 12 управляют частотой соответствующих радиочастотных генераторов 1 и 11, частота которых модулируется на различных звуковых частотах модуляции. Со вторых выходов схем автоподстройки 2 и 12 частотномодулированные сигналы поступают соответственно на входы коммутирующего устройства 8, сигнал с одного из выходов которого создает в радиочастотной катушке 5 переменное магнитное поле либо на частоте радиочастотного генератора 1, либо на частоте дополнительного радиочастотного генератора 11 в зависимости от направления магнитного поля в соленоиде 9, питаемого от источника питания 10. Переключение направления магнитного поля в соленоиде 9 осуществляется через другой выход коммутирующего устройства 8 синхронно с переключением частоты переменного магнитного поля радиочастотной катушки 5. Переменное магнитное поле радиочастотной катушки 5 индуцирует магнитодипольные переходы в оптически ориентированных атомах щелочного металла в камере 4. При этом прозрачность камеры 4 изменяется синхронно с частотой модуляции частоты радиочастотного генератора 1, либо частоты дополнительного радиочастотного генератора 11 в зависимости от периода подключения схем автоподстройки 2 и 12, соответствующего двум направлениям магнитного поля в соленоиде 9. Изменение прозрачности камеры 4 фиксируется приемным фотодетектором 6 в виде входного резонансного сигнала магнитометра. Этот сигнал поступает на вход схем автоподстройки 2 и 12, которые осуществляют перестройку частоты радиочастотных генераторов 1 и 11 до резонансных значений, соответствующих двум значениям суммарного вектора напряженности магнитного поля, образованного векторами напряженности H измеряемого магнитного поля и напряженности Н магнитного поля, создаваемого соленоидом 9 при его прямом и обратном включении (или инверсии направления тока).
изм
0
изм
0
изм
0
изм
В общем случае вектора напряженности H и H образуют между собой неизвестный заранее угол. Для исключения этого параметра и определения значения напряженности H магнитного поля в заявляемом магнитометре предусмотрена инверсия вектора напряженности H, при которой косинус угла в геометрической сумме векторов напряженности H измеряемого магнитного поля и напряженности H меняет знак, что в свою очередь приводит к изменению указанной геометрической суммы и соответственному изменению резонансной частоты магнитометра. Это позволяет после соответствующей обработки сигналов радиочастотных генераторов 1 и 11 в схеме преобразования частоты 7 выделить информацию о величине напряженности H измеряемого магнитного поля. Значения частоты радиочастотных генераторов 1 и 11, можно определить из следующих равенств
1
где ω - частота радиочастотного генератора 1;
2
ω - частота радиочастотного генератора 11;
γ - гиромагнитное отношение атомов рабочего вещества;
0
H - величина напряженности магнитного поля, создаваемого соленоидом 9;
изм
H - величина напряженности измеряемого магнитного поля;
0
изм
α - угол, образованный между вектором напряженности H магнитного поля соленоида, совпадающий с оптической осью магнитометра, и вектором напряженности H измеряемого магнитного поля.
0
изм
изм
В соответствии с (1) и (2) сумма квадратов частот, определенных по формулам (1) и (2) не зависит от косинуса угла α, что позволяет по их измеренным значениям и известному значению H определить величину напряженности H магнитного поля. С другой стороны, зная величину Hпо разности этих частот несложно определить косинус угла α, что также может быть выполнено с помощью схемы преобразования частоты 7.
Для обеспечения высокой точности заявляемого магнитометра необходимо, чтобы магнитное поле соленоида 9 намного превышало величину измеряемого (например, геомагнитного) поля. В геомагнитном поле ширина резонансной линии большинства парощелочных магнитометров неразрешена (результат перекрытия многих соседних линий) и весьма широкая (для разных изотопов порядка нескольких килогерц). В однородных магнитных полях, напряженность которых в десятки раз больше напряженности геомагнитного поля для тех же изотопов ширина разрешенной (отдельной) линии составляет от сотен до десятков герц, то есть более чем на порядок уже, зеемановский спектр поглощения полностью разрешен, а амплитуда сигнала магнитометра практически не зависит от угла α, что соответственно приводит к более точному измерению центра линии на частотной шкале.
0
изм
Так, например, при превышении H над H в десять раз при изменении угла α на 90° максимальное уменьшение амплитуды сигнала магнитометра вследствие его ориентационной зависимости (пропорциональной косинусу четвертой степени от угла между магнитным полем и лучом света накачки) составляет 2%, в то время как в аналогах при угле 90° сигнал магнитометра равен нулю. Если увеличить напряженность поля соленоида еще на порядок, то уменьшение амплитуды сигнала заявляемого магнитометра составит всего лишь 0,02%. При этом предполагается, что напряженность магнитного поля, создаваемого соленоидом 9 заранее известна и поле абсолютно стабильно. Стабильность этого поля может быть обеспечена известными способами, описанными, например, в работе [Александров Е.Б., Балабас М.В., Вершовский А.К., Пазгалев А.С. Экспериментальная демонстрация разрешающей способности квантового магнитометра с оптической накачкой. Журнал Технической Физики, 2004, том 74, вып. 6, стр. 119]
Повышение точности заявляемого магнитометра по сравнению с аналогами обусловлен сужением ширины резонансной линии (примерно на порядок по сравнению с шириной линии в магнитных полях геомагнитного диапазона) в сильном стабилизированном магнитном поле соленоида 9. При этом подобное устройство принципиально не имеет мертвых зон и способно функционировать при любой ориентации измеряемого поля в магнитном пространстве.