Z
КВАНТОВЫЙ M-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.
К аналогам полезной модели относятся самогенерирующие парощелочные устройства с оптической накачкой [Александров Е.Б. Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии / Е.Б. Александров, А.К. Вершовский // УФН. - Том 179. - №6. - С. 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. Устройство позволяет измерять абсолютную величину напряженности магнитного поля.
2
Недостатком аналогов является неспособность определения компонент измеряемого магнитного поля, а также низкая точность из-за наличия мертвых зон, обусловленных зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла φ между измеряемым полем и оптической осью магнитометра по закону (sinφcosφ). В соответствии с указанной зависимостью сигнал измерительного устройства уменьшается до нуля при стремлении угла φ к нулю и 90°.
2
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является магнитометр M - типа с оптической накачкой [Померанцев Н.М. Физические основы квантовой магнитометрии / Н.М.Померанцев, В.М. Рыжков, Г.В. Скроцкий. - М.: Наука, 1972. - С. 384], содержащий радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, оптический тракт, включающий последовательно 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. Схема автоподстройки управляет частотой радиочастотного генератора, подстраивая ее под резонансное значение, соответствующее абсолютной величине измеряемого магнитного поля.
4
Недостатком прототипа является неспособность определения компонент измеряемого магнитного поля, а также низкая точность из-за неразрешенного спектра поглощения оптически ориентированных атомов щелочного металла, широкой ассиметричной линии поглощения и зависимости амплитуды сигнала магнитометра от угла φ между измеряемым полем и оптической осью по закону (cosφ), в соответствии с которой сигнал измерительного устройства уменьшается до нуля при стремлении угла φ к 90°.
Z
Задачей полезной модели является разработка M - магнитометра, характеризующегося высокой точностью за счет уменьшения ориентационной погрешности измерений частоты и расширением функциональных возможностей, а именно, способностью измерять как абсолютную величину напряженности магнитного поля, так и его компоненты путем введения дополнительного источника магнитного поля.
Z
Поставленная задача достигается тем, что в известном Mмагнитометре, содержащем радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, оптический тракт, включающий последовательно 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 схема преобразования частоты, коммутирующее устройство, дополнительный источник циркулярно поляризованного излучения накачки и дополнительный фотодетектор, установленные на одной оси соответственно до и после камеры поглощения с образованием дополнительного оптического тракта, расположенного перпендикулярно к оптическому тракту и имеющего с ним общую камеру поглощения, дополнительный радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, вход которой подключен к выходу дополнительного фотодетектора, при этом камера поглощения помещена в магнитную систему из двух взаимно перпендикулярных соленоидов с источником питания, причем ось одного соленоида совпадает с осью оптического тракта, ось другого соленоида совпадает с осью дополнительного оптического тракта, схема преобразования частоты соединена с радиочастотным генератором и дополнительным радиочастотным генератором, входы коммутирующего устройства соединены с источником питания соленоидов, выходами схем автоподстройки радиочастотного генератора и дополнительного радиочастотного генератора, а выходы коммутирующего устройства подключены к радиочастотной катушке и соленоидам.
Z
Благодаря указанной совокупности существенных признаков увеличивается точность M - магнитометра и расширяются его функциональные возможности, заключающиеся в дополнительной способности определения трех компонент векторов напряженности магнитного поля. Введение соленоидов для попеременного создания разнонаправленных сильных стабилизированных магнитных полей, в которых много резонансный спектр поглощения оптически ориентированных атомов щелочного металла полностью разрешен, и дополнительного оптического тракта 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, соответствующей напряженности измеряемого магнитного поля. При этом вследствие симметрии линии поглощения ориентационная погрешность магнитометр принципиально отсутствует.
0
изм
изм
0
изм
0
изм
изм
Резонансная частота заявляемого магнитометра при работе одного из соленоидов пропорциональна напряженности суммарного магнитного поля, образованного вектором напряженности H магнитного поля этого соленоида и вектором напряженности H измеряемого магнитного поля, направленного под заранее неизвестным углом по отношению к оси этого соленоида. Для исключения этого параметра и определения значения напряженности H магнитного поля в заявляемом магнитометре с помощью коммутирующего устройства осуществляют инверсию вектора напряженности H попеременно в каждом из соленоидов, при которой косинус угла в геометрической сумме векторов напряженности Hизмеряемого магнитного поля и напряженности H меняет знак, что приводит к изменению указанной геометрической суммы и соответственному изменению резонансной частоты магнитометра. Это позволяет после соответствующей обработки сигналов радиочастотных генераторов в схеме преобразования частоты выделить информацию о величине напряженности H измеряемого магнитного поля и угле между осью соленоида и направлением H, а по углу установить одну из компонент измеряемого магнитного поля - его проекцию на ось соленоида. Вторую компоненту измеряемого магнитного поля определяют аналогично при работе другого соленоида. Третью компоненту вычисляют по соотношениям, связывающим проекции измеряемого магнитного поля на оси соленоидов. Таким образом, для определения компонент измеряемого магнитного поля в заявленном магнитометре с помощью коммутирующего устройства осуществляют попеременное подключение соленоидов с периодической сменой направления рабочего тока, приводящей к инверсии магнитного поля соленоида. При этом с помощью схемы преобразования частоты по значениям частоты соответствующих радиочастотных генераторов устанавливают не только напряженность измеряемого магнитного поля, но и значения углов между осями соленоидов и направлением измеряемого магнитного поля, а, следовательно, три его компоненты.
г
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг.), на котором изображена схема квантового М - магнитометра, где 1 - оптический тракт; 2 - дополнительный оптический тракт; 3 - источник циркулярно поляризованного излучения накачки; 4 - камера поглощения; 5 - фотодетектор; 6 - дополнительный источник циркулярно поляризованного излучения накачки; 7 - дополнительный фотодетектор; 8 - радиочастотная катушка; 9 и 10 - соленоиды; 11 - радиочастотный генератор; 12 - схема автоподстройки радиочастотного генератора 11; 13 - дополнительный радиочастотный генератор; 14 - схема автоподстройки дополнительного радиочастотного генератора; 15 - источник питания соленоидов 9 и 10; 16 - коммутирующее устройство; 17 - схема преобразования частоты.
Z
Квантовый M - магнитометр (фиг.) содержит два взаимно перпендикулярных оптических тракта 1 и 2. Оптический тракт 1 включает последовательно расположенные на одной оси источник 3, камеру 4 поглощения и фотодетектор 5. Дополнительный оптический тракт 2 включает последовательно расположенные на одной оси дополнительный источник 6, камеру 4 и дополнительный фото детектор 7. Общая для обоих трактов камера 4 поглощения охвачена радиочастотной катушкой 8 и помещена в магнитную систему из двух взаимно перпендикулярных соленоидов 9, 10. Ось соленоида 9 совпадает с осью оптического тракта 1, ось соленоида 10 совпадает с осью оптического тракта 2. Фото детектор 5 подключен к входу схемы 12 автоподстройки генератора 11, а фотодетектор 7 подключен к входу схемы 14 автоподстройки генератора 13. Источник 15 питания соленоидов и выходы схем 12 и 14 подключены к входам коммутирующего устройства 16, выходы которого присоединены к соленоидам 9, 10 и радиочастотной катушке 8. Выходы радиочастотных генераторов 11 и 13 соединены со схемой преобразования частоты 17.
В качестве коммутирующего устройства 16 может быть использован микроконтроллер, например, Silabs C8051F120 и схема электронного переключателя, например, описанного в работе [Титце У. Полупроводниковая схемотехника.: пер. с нем. / У. Титце, К. Шенк; под ред. А.Г. Алексенко. - М.: Мир, 1982. - С. 276].
В качестве схемы 17 преобразования частоты возможно использовать стандартный контроллер.
-5
В качестве соленоидов 9, 10 могут быть использованы многослойные катушки, создающие постоянные магнитные поля 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.
В качестве источника питания 15 соленоидов 9, 10 можно использовать высокостабильный источник тока на базе опорного источника напряжения, например, Burr-Braun REF02.
Схемы 12 и 14 автоподстройки радиочастотных генераторов 11 и 13 могут быть построены по известному стандарту, используемому в технике квантовой магнитометрии, и содержать избирательный усилитель, звуковой генератор и фазовый детектор, причем выходом схемы автоподстройки является выход звукового генератора. Связь схемы автоподстройки с подстраиваемым радиочастотным генератором осуществляется через ее фазовый детектор. [Померанцев Н.М. Физические основы квантовой магнитометрии / Н.М. Померанцев, В.М. Рыжков, Г.В. Скроцкий. - М.: Наука, 1972. - С. 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. Работа схем 12 и 14 автоподстройки основана на синхронном детектировании резонансного сигнала магнитометра, при котором измеряемое магнитное поле модулируется с низкой звуковой частотой. При этом частоты радиочастотных генераторов 11, 13 попеременно изменяются до резонансных значений, определяемых суммарными векторами напряженности магнитного поля, образованными измеряемым магнитным полем и магнитным полем соответствующих соленоидов 9, 10 при их прямом и обратном включении (или инверсии направления тока).
В качестве источников накачки 3 и 6 может быть использован лазер либо высокочастотная спектральная лампа с циркулярным поляризатором, размещенным между лазером либо спектральной лампой и камерой 4 поглощения.
Квантовый магнитометр работает следующим образом.
В частном случае реализации при одновременном включении источников накачки 3 и 6 оптических трактов 1 и 2 циркулярно поляризованное излучение этих источников поступает в камеру 4 поглощения и осуществляет в ней поляризацию атомов рабочего вещества. При этом с помощью коммутирующего устройства 16 осуществляют попеременное подключение соленоидов 9 и 10 с периодической сменой направления тока в соленоидах.
Так, например, одновременно с источниками 3 и 6 включают соленоид 9, за время работы которого меняют направление рабочего тока. При этом частота переменного магнитного поля радиочастотной катушки 8 соответствует частоте радиочастотного генератора 11. Переменное магнитное поле радиочастотной катушки 8 возбуждает магнитодипольные переходы в атомах рабочего вещества камеры 4 поглощения, что приводит к деполяризации атомов рабочего вещества, поглощению света накачки от источников 3 и 6 и изменению степени прозрачности камеры 4 поглощения. Это изменение фиксируется приемными фотодетекторами 5 и 7 в виде входного сигнала магнитометра, резонансная частота которого совпадает с частотой перестраиваемого схемой автоподстройки 12 радиочастотного генератора 11. Значения частоты радиочастотного генератора 11 для двух противоположных ориентаций магнитного поля в соленоиде 9 можно определить из следующих равенств:
1
где ω - частота радиочастотного генератора 11 при прямом включении соленоида 9;
2
ω - частота радиочастотного генератора 11 при обратном включении соленоида 9;
γ - гиромагнитное отношение атомов рабочего вещества;
01
H - величина напряженности магнитного поля, создаваемого соленоидом 9;
изм
H - величина напряженности измеряемого магнитного поля;
α - угол, образованный между вектором напряженности магнитного поля соленоида 9 и вектором напряженности измеряемого магнитного поля.
01
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 H, по разности этих частот несложно определить косинус угла α, что также может быть выполнено с помощью схемы преобразования частоты 17.
Затем соленоид 9 выключают и с помощью коммутирующего устройства 16 включают соленоид 10 и в дальнейшем производят смену направления рабочего тока. При этом частота переменного магнитного поля радиочастотной катушки 8 соответствует частоте дополнительного радиочастотного генератора 13. Переменное магнитное поле радиочастотной катушки 8 возбуждает магнитодипольные переходы в атомах рабочего вещества камеры 4 поглощения, что приводит к деполяризации атомов рабочего вещества, поглощению света накачки от источников 3 и 6 и изменению степени прозрачности камеры 4 поглощения. Это изменение фиксируется приемными фотодетекторами 5 и 7 в виде входного сигнала магнитометра, резонансная частота которого совпадает с частотой перестраиваемого схемой автоподстройки 14 радиочастотного генератора 13. В период подключения соленоида 10 и выключенном соленоиде 9 в том же самом измеряемом магнитном поле вектор этого поля будет ориентирован по отношении к оси соленоида 10 под произвольным и неизвестным углом θ, в общем случае не равным углу α. При инверсии поля в соленоиде 10 значения частоты дополнительного радиочастотного генератора 13 для двух противоположных ориентаций магнитного поля можно определить из следующих равенств:
3
где ω - частота радиочастотного генератора 13 при прямом включении соленоида 10;
4
ω - частота радиочастотного генератора 13 при обратном включении соленоида 10;
γ - гиромагнитное отношение атомов рабочего вещества;
02
H - величина напряженности магнитного поля, создаваемого соленоидом 10;
изм
H - величина напряженности измеряемого магнитного поля;
θ - угол, образованный между вектором напряженности магнитного поля соленоида 10 и вектором напряженности измеряемого магнитного поля.
изм
Из этих уравнений, как показано выше, несложно определить косинус угла θ и величину напряженности H измеряемого магнитного поля. Таким образом, две из трех искомых компонент магнитного поля будут равны:
изм1
изм
H=Hcosα
изм2
изм
H=Hcosθ,
изм1
где H - компонента измеряемого магнитного поля вдоль оси соленоида 9;
изм2
H - компонента измеряемого магнитного поля вдоль оси соленоида 10.
Третья компонента определяется из равенства:
изм3
изм
изм
2
2
1/2
2
2
1/2
H=H(1-cosα-cosθ)=H(sinα-cosθ),
изм3
где H - компонента измеряемого магнитного поля вдоль оси, перпендикулярной осям соленоидов 9 и 10.
01
02
изм
Для обеспечения высокой точности заявляемого магнитометра необходимо, чтобы магнитное поле соленоидов 9 и 10 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 однородном магнитном поле, напряженность которого 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 между вектором напряженности магнитного поля соленоида и вектором напряженности измеряемого магнитного поля, что приводит к более точному измерению центра линии на частотной шкале. Так, например, при изменении этого угла от нулевых значений до 90° и превышении H и H над H в десять раз 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 такое же изменение угла приводит к падению амплитуды сигнала магнитометра до нулевого уровня. Если увеличить напряженность поля соленоидов еще на порядок, то уменьшение амплитуды сигнала заявляемого магнитометра составит только 0,02%. При этом предполагается, что напряженность магнитного поля, создаваемого соленоидами 9 и 10 заранее известна и поле абсолютно стабильно. Стабильность этого поля может быть обеспечена известными способами, описанными, например, в работе [Александров Е.Б. Экспериментальная демонстрация разрешающей способности квантового магнитометра с оптической накачкой / Е.Б. Александров, М.В. Балабас, А.К. Вершовский, А.С. Пазгалев // Журнал Технической Физики. - 2004. - том 74. - вып. 6. - С. 119]
Повышение точности заявляемого магнитометра по сравнению с аналогами обусловлено сужением ширины резонансной линии (примерно на порядок по сравнению с шириной линии в магнитных полях геомагнитного диапазона) в сильном стабилизированном магнитном поле каждого из соленоидов 9, 10. При этом подобное устройство измеряет не только абсолютную величину напряженности магнитного поля, но и его компоненты, не имеет мертвых зон и способно функционировать при любой ориентации измеряемого поля в магнитном пространстве.