Квантовый Mz-магнитометр

Полезная модель относится к технике измерений характеристик слабого магнитного поля в магнитных экранах, по порядку величины сравнимого с шириной резонансной линии атомов рабочего вещества, и может быть использована для контроля магнитных вариаций при работе атомных стандартов частоты и ядерных гироскопов с оптической накачкой.
z
4
К аналогам полезной модели относятся квантовые магнитометры M типа с оптической накачкой, в которых контролируется изменение продольной компоненты намагниченности атомов рабочего вещества под действием резонансного радиочастотного поля [Е.Б. Александров, А.К. Вершовский Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии, УФН. Том 179, №6 стр. 605-637]. Подобные устройства содержат в своем составе магниточувствительный датчик, подключенный к схеме автоподстройки частоты управляемого радиочастотный генератора, соединенного с частотомером. Недостатком аналогов является наличие мертвых зон, обусловленных зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла ϑ между измеряемым полем и оптической осью по закону (cos ϑ).
2
К аналогам полезной модели относятся также самогенерирующее парощелочное устройство с оптической накачкой. [Е.Б. Александров, А.К. Вершовский Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии, УФН. Том 179, №6 стр. 605-637], включающее магниточувствительный датчик и усилитель обратной связи. Датчик содержит спектральную лампу накачки, колбу с парами щелочного металла, поляризационный фильтр, катушки, создающие радиочастотное магнитное поле, и фотодиод. Недостатком аналога является низкая точность и наличие мертвых зон, обусловленных зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла ϑ между измеряемым полем и оптической осью по закону (sinϑ ⋅ cos ϑ) В соответствии с указанной зависимостью наличие мертвой зоны связано с обнулением сигнала измерительного устройства при стремлении угла ϑ к нулю и 90°.
Принципиальным недостатком перечисленных аналогов является их значительная измерительная погрешность при измерении слабых магнитных полей, обусловленная влиянием нерезонансной компоненты радиочастотного поля на сдвиг измеряемой частоты (так называемый сдвиг Блоха-Зигерта). [Л.Н. Новиков, Г.В. Скроцкий, Нелинейные и параметрические эффекты в атомной радиоспектроскопии, - УФН, 1978, том 125, вып. 3, стр. 449-488]
z-
z-
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является квантовый M-магнитометр с оптической накачкой, содержащий два радиочастотных генератора со схемой автоподстройки, два оптических тракта, оси которых взаимно перпендикулярны, причем каждый из оптических трактов, помимо общей камеры поглощения, включает последовательно расположенные на одной оси источник циркулярно поляризованного излучения накачки и фотодетектор, при этом камера поглощения охвачена тремя радиочастотными катушками, две из которых выполнены в виде соленоидов, оси которых совпадают с осями оптических трактов и ортогональны оси первой радиочастотной катушки. [В.В. Семенов, С. В. Ермак, Квантовый Mмагнитометр, Полезная модель, Бюллетень изобретений №21 от 27.07.2014] Схема автоподстройки каждого 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. Сигналы ошибки на выходе фазовых детекторов является выходным сигналом схем автоподстройки радиочастотных генераторов, и этот сигнал осуществляет перестройку их частоты под резонансное значение, измеряемое частотомером.
1
0
1
0
2
Недостатком прототипа является его высокая измерительная погрешность при работе в слабых магнитных полях в условиях магнитного экранирования, сравнимых с шириной резонансной линии атомов рабочего вещества. Как и в аналогах эта погрешность обусловлена влиянием нерезонансной компоненты линейно поляризованного радиополя в радиочастотной катушке на сдвиг частоты магнитного резонанса (сдвиг Блоха-Зигерта). В соответствии с [Л.Н. Новиков, Г.В. Скроцкий, Нелинейные и параметрические эффекты в атомной радиоспектроскопии, - УФН, 1978, том 125, вып. 3, стр. 449-488] относительная величина этого сдвига пропорциональна отношению [ω/2ω], где ω - выраженная в единицах частоты амплитуда радиополя, ω - частота Лармора. На практике в квантовых магнитометрах амплитуду радиополя подбирают сравнимой с шириной линии атомов рабочего вещества. Так, например, ширина неразрешенного контура линии поглощения атомов цезия составляет порядок величины в несколько сотен герц. При таких параметрах рабочего вещества в прототипе его относительная погрешность измерения магнитного поля напряженностью 0,01 Э составляет 0,3%, что на несколько порядков превышает измерительную погрешность того же магнитометра, работающего в геомагнитном поле (~0,5 Э).
z
Задачей полезной модели является разработка M магнитометра с высокой точностью измерения слабых магнитных полей, создаваемых внутри магнитных экранов, за счет устранения нерезонансной компоненты линейно поляризованного радиополя в радиочастотной катушке магнитометра.
z
Поставленная задача достигается тем, что в известном M-магнитометре, содержащем радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, два оптических тракта х и у, оси которых взаимно перпендикулярны, причем каждый из оптических трактов, помимо общей камеры поглощения, включает последовательно расположенные на одной оси источник циркулярно поляризованного излучения накачки и фотодетектор, при этом камера поглощения охвачена тремя радиочастотными катушками, первая из которых подключена к первому выходу радиочастотного генератора, ее ось - перпендикулярна осям оптических трактов, а оси второй и третьей радиочастотных катушек соответственно совпадают с осями первого и второго оптических трактов, выходы фотодетекторов подключены соответственно к входам избирательных усилителей, настроенных на частоту модуляции схемы автоподстройки, выходы избирательных усилителей соответственно подключены к входам преобразователей напряжения, первые выходы которых подключены к входам сумматора напряжений, выход сумматора напряжений подключен к входу схемы автоподстройки частоты радиочастотного генератора, второй выход радиочастотного генератора подключен к фазовращателю, выход которого подключен к первому входу схемы управления радиополем во второй и третьей радиочастотных катушках, причем второй и третий вход схемы управления соответственно подключены к вторым выходам преобразователей напряжения, а первый и второй выходы схемы управления соответственно подключены к второй и третьей радиочастотной катушке.
Измеряемое магнитное поле ориентировано в плоскости xy декартовой системы координат xyz. Для измерения магнитного поля произвольного направления в декартовой системе координат xyz камера поглощения магнитометра охвачена магнитной катушкой, ось которой совпадает с осью первой радиочастотной катушки, а выход сумматора напряжений подключен к блоку управления током магнитной катушки, первый выход которого присоединен к магнитной катушке, а второй - к измерителю z компоненты магнитного поля.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами на фиг. 1 и фиг. 2.
z
На фиг. 1 изображена схема предлагаемой полезной модели квантового M-магнитометра для измерения индукции магнитного поля в плоскости xy декартовой системы координат, где 1 - радиочастотный генератор; 2 - схема автоподстройки радиочастотного генератора; 3 -магнитный экран; 4 - камера поглощения; 5 и 6 - источники циркулярно поляризованного излучения накачки; 7 и 8 - фотодетекторы; 9, 10, 11 - радиочастотные катушки; 12, 13 - избирательные усилители; 14, 15 - преобразователей напряжения, 16 - сумматор напряжений; 17 - фазовращатель; 18 - схема управления радиополем.
z
На фиг. 2 изображена схема предлагаемой полезной модели квантового M-магнитометра для измерения индукции магнитного поля в декартовой системе координат xyz, где 1 - радиочастотный генератор; 2 - схема автоподстройки радиочастотного генератора; 3 - магнитный экран; 4 - камера поглощения; 5 и 6 - источники циркулярно поляризованного излучения накачки; 7 и 8 -фотодетекторы; 9, 10, 11 - радиочастотные катушки; 12, 13 - избирательные усилители; 14, 15 - преобразователей напряжения, 16 - сумматор напряжений; 17 - фазовращатель; 18 - схема управления радиополем, 19 - магнитная катушка, ось которой перпендикулярна осям оптических трактов, 20 - блок управления током катушки 19, 21 - измеритель z компоненты магнитного поля.
1
Магнитометр на фиг. 1 содержит радиочастотный генератор 1 со схемой автоподстройки 2, два оптических тракта, помещенные в магнитный экран 3, оси которых взаимно перпендикулярны, причем каждый из оптических трактов, помимо общей камеры поглощения 4, включает последовательно расположенные на одной оси источники циркулярно поляризованного излучения накачки 5 и 6 и фотодетекторы 7 и 8, при этом камера поглощения 4 охвачена тремя радиочастотными катушками 9, 10, 11. Катушка 9 подключена к первому выходу радиочастотного генератора 1 (его выходной сигнал обозначен на фиг. 1 как H), ось катушки 10 совпадает с осью оптического тракта, на котором размещены источник 6 и фотодетектор 8, а ось катушки 11 совпадает с осью оптического тракта, на котором размещены источник 5 и фотодетектор 7. Выходы фотодетекторов 7 и 8 соответственно подключены к входам избирательных усилителей 12 и 13, настроенных на частоту модуляции схемы автоподстройки 2, выходы избирательных усилителей 12 и 13 соответственно подключены к входам преобразователей напряжения 14 и 15, первые выходы которых соответственно подключены к входам сумматора напряжений 16, выход сумматора напряжений 16 подключен к входу схемы автоподстройки частоты радиочастотного генератора 2, второй выход радиочастотного генератора 1 подключен к фазовращателю 17, выход которого подключен к первому входу схемы управления радиополем 18 в радиочастотных катушках 10 и 11, причем второй и третий вход схемы управления 18 соответственно подключены к вторым выходам преобразователей напряжения 14 и 15, а первый и второй выходы схемы управления 18 соответственно подключены к радиочастотным катушкам 10 и 11.
z
X
Y
4
4
Схема 2 автоподстройки радиочастотного генератора 1 может быть построена по известной методике, используемой в технике квантовых M-магнитометров, и содержать избирательный усилитель, модулятор, звуковой генератор и фазовый детектор [Н.М. Померанцев, В.М. Рыжков, Г.В. Скроцкий, Физические основы квантовой магнитометрии, Из-во Наука, М. 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. Амплитуды начальных сигналов s и s на выходе избирательных усилителей 13 и 14 соответственно пропорциональны тригонометрическим функциям cos ϑ и sin ϑ.
x
y
4
4
2
Преобразователи напряжений 14 и 15 соответственно осуществляют преобразование сигналов s ~ cos ϑ и s ~ sin ϑ в сигналы  и sin ϑ и могут быть выполнены по схеме на основе перемножителя AD530. [М. Херпи, Аналоговые интегральные схемы, Радио и связь, 1983 г. Стр. 397].
В соответствии с фиг. 1 входом схемы автоподстройки 2 является выход сумматора напряжений 16, преобразующий входные сигналы  и  в их суммарный сигнал, не зависящий от угла ϑ. В качестве сумматора напряжений может быть использован микроконтроллер типа [SiLabs C8051F020 8051 8-bit Microcontroller].
Фазовращатель 17 осуществляет 90° сдвиг по фазе переменного напряжения, поступающего со второго выхода радиочастотного генератора 1 на первый вход схемы управления радиополем 18. В качестве фазовращателя 17 может быть использован микроконтроллер [SiLabs C8051F020 8051 8-bit Microcontroller].
Схема управления радиополем 18 может быть выполнена на основе микроконтроллеров [SiLabs C8051F020 8051 8-bit Microcontroller], обеспечивающий формирование двух низкочастотных напряжений, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 90°.
X
Y
Функциональная связь тригонометрических функций и детектируемых сигналов s и s для магнитометра на фиг. 1 имеет следующий вид:
1
Магнитометр на фиг. 2 содержит радиочастотный генератор 1 со схемой автоподстройки 2, помещенные в магнитный экран 3 два оптических тракта, оси которых взаимно перпендикулярны, причем каждый из оптических трактов, помимо общей камеры поглощения 4, включает последовательно расположенные на одной оси источники циркулярно поляризованного излучения накачки 5 и 6 и фотодетекторы 7 и 8, при этом камера поглощения 4 охвачена тремя радиочастотными катушками 9, 10, 11. Катушка 9 подключена к первому выходу радиочастотного генератора 1 (его выходной сигнал обозначен на фиг. 2 как H), ось катушки 10 совпадает с осью оптического тракта, на котором размещены источник 6 и фотодетектор 8, а ось катушки 11 совпадает с осью оптического тракта, на котором размещены источник 5 и фотодетектор 7. Выходы фотодетекторов 7 и 8 соответственно подключены к входам избирательных усилителей 12 и 13, настроенных на частоту модуляции схемы автоподстройки 2, выходы избирательных усилителей 12 и 13 соответственно подключены к входам преобразователей напряжения 14 и 15, первые выходы которых соответственно подключены к входам сумматора напряжений 16, выход сумматора напряжений 16 подключен к входу схемы автоподстройки частоты радиочастотного генератора 2, второй выход радиочастотного генератора 1 подключен к фазовращателю 17, выход которого подключен к первому входу схемы управления радиополем 18 в радиочастотных катушках 10 и 11, причем второй и - третий вход схемы управления 18 соответственно подключены к вторым выходам преобразователей напряжения 14 и 15, а первый и второй выходы схемы управления 18 соответственно подключены к радиочастотным катушкам 10 и 11. В магнитометр введена магнитная катушка 19, подключенная к первому выходу блоку управления 20, второй выход которого присоединен к измерителю z компоненты магнитного поля 21, а вход - к выходу сумматора напряжений 16.
X
Y
X
Y
4
4
4
Схема 2 автоподстройки радиочастотного генератора 1 на фиг. 2 аналогична схеме 2 автоподстройки радиочастотного генератора 1 на фиг. 1. При этом амплитуды начальных сигналов s и s на выходе избирательных усилителей 12 и 13 соответственно пропорциональны s ~ cos ϑ и s ~ sin ϑ ⋅ sin ϕ.
X
Y
4
4
4
2
Преобразователи напряжений 14 и 15 соответственно осуществляют преобразование сигналов s ~ cos ϑ и s ~ sin ϑ ⋅ sin ϕ в сигналы  cos ϑ и  и могут быть выполнены по схеме на основе перемножителя AD530. [М. Херпи, Аналоговые интегральные схемы, Радио и связь, 1983 г. Стр. 397]
XY
max
max
2
2
Входом схемы автоподстройки 2 является выход сумматора напряжений 16, преобразующий входные сигналы  и  в их суммарный сигнал s, отличающийся от сигнала s с максимально возможной амплитудой на величину, пропорциональную функции sin ϑ ⋅ cos ϕ. Величина сигнала s определяется путем изменения тока в магнитных катушках 19 до такого значения, при котором на выходе сумматора напряжений 16 суммарный сигнал имеет максимальную амплитуду, соответствующую значению угла . Этому же значению тока в магнитных катушках 19 соответствует z-компонента измеряемого магнитного поля и минимальная частота радиочастотного генератора 1.
X
Y
Функциональная связь тригонометрических функций и детектируемых сигналов s и s для магнитометра на фиг. 2 при  имеет следующий вид:
В качестве сумматора напряжений может быть использован микроконтроллер типа [SiLabs C8051F020 8051 8-bit Microcontroller].
Схема управления радиополем 17 может быть выполнена на основе микроконтроллеров [SiLabs C8051F020 8051 8-bit Microcontroller].
max
Блок управления 20 выполнен на основе персонального компьютера с программным управлением, которое предусматривает установку тока в магнитных катушках 19, соответствующего максимальной амплитуде суммарного сигнала s на выходе сумматора напряжений 16 на базе пакета LabVIEW. [www.ni.com/labview/]/
В качестве измерителя z-компоненты магнитного поля можно использовать амперметр, цена деления которого заранее отградуирована в единицах магнитной индукции. Модуль измеряемого магнитного поля устанавливается по векторной сумме z компоненты и суммарного вектора измеряемого поля в плоскости ху, величина которого определяется частотой радиочастотного генератора схемы 1.
Квантовый магнитометр на фиг. 1 работает следующим образом.
Y
X
Циркулярно поляризованное излучение источников накачки 5 и 6 поступает в камеру 4, помещенную в магнитный экран 3, и осуществляет поляризацию атомов рабочего вещества, в качестве которого могут служить атомы щелочных металлов. С выхода камеры 4 свет поступает на входы приемных фотодетекторов 7 и 8, сигналы s и s с которых через избирательные усилители 12 и 13 соответственно поступают на входы преобразователей напряжений 14 и 15, с первых выходов которых преобразованные сигналы  и  поступают в сумматор напряжений 16. На выходе сумматора напряжений 16 формируется суммарный сигнал , который поступает на вход схемы автоподстройки 2 частоты радиочастотного генератора 1. Работа схемы автоподстройки основана на методике синхронного детектирования резонансного сигнала магнитометра, согласно которой частота радиочастотного генератора 1 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 приемными фотодетекторами 7 и 8, подключенным соответственно к избирательным усилителям 12 и 13, настроенным на низкую звуковую частоту. Управляющее напряжение на выходе схемы автоподстройки 2 осуществляет периодическую подстройку частоты радиочастотного генератора 1 под резонансное значение, соответствующее измеряемому магнитному полю.
Y
X
z
Функциональная роль схемы управления радиополем 18 состоит в создании переменного магнитного поля с помощью радиочастотных катушек 10 и 11, напряжение на которых соответственно пропорциональны сигналам  и , поступающим со вторых выходов преобразователей напряжения 14 и 15. Вследствие указанных функциональных зависимостей (1)-(4) суммарная амплитуда переменного радиочастотного поля, создаваемого радиочастотными катушками 10 и 11 сохраняет свое постоянное значение вне зависимости от угла ϑ. Фазовый 90° сдвиг этого поля по отношению к переменному радиочастотному полю, создаваемому радиочастотной катушкой 9, приводит к вращению суммарного вектора переменного радиочастотного поля в плоскости, перпендикулярной направлению измеряемого магнитного поля вне зависимости от угла ϑ. При равенстве абсолютных значений и знаков частот прецессии атомов рабочего вещества и вращения вектора переменного радиочастотного поля в камере 4 с рабочим веществом происходит поглощение энергии этого поля, которое фиксируется приемными фотодетекторами 7 и 8 в виде сигналов s и s M-магнитометра. Принципиальное отсутствие в такой схеме нерезонансного вращающегося радиочастотного поля (с противоположным знаком по отношению к знаку частоты ларморовской прецессии) полностью исключает погрешности измеряемой частоты, связанными с упомянутым выше эффектом Блоха-Зигерта.
Квантовый магнитометр на фиг. 2 работает следующим образом.
Y
X
Циркулярно поляризованное излучение источников накачки 5 и 6 поступает в камеру 4, помещенную в магнитный экран 3, и осуществляет поляризацию атомов рабочего вещества, в качестве которого могут служить атомы щелочных металлов. С выхода камеры 4 свет поступает на входы приемных фотодетекторов 7 и 8, сигналы s и s с которых через избирательные усилители 12 и 13 соответственно поступают на входы преобразователей напряжений 14 и 15, с первых выходов которых преобразованные сигналы  и  поступают в сумматор напряжений 16. На выходе сумматора напряжений 16 формируется суммарный сигнал , который поступает на вход схемы автоподстройки 2 частоты радиочастотного генератора 1. Работа схемы автоподстройки основана на методике синхронного детектирования резонансного сигнала магнитометра, согласно которой частота радиочастотного генератора 1 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 приемными фотодетекторами 7 и 8, подключенным соответственно к избирательным усилителям 12 и 13, настроенным на низкую звуковую частоту. Управляющее напряжение на выходе схемы автоподстройки 2 осуществляет периодическую подстройку частоты радиочастотного генератора 1 под резонансное значение, соответствующее измеряемому магнитному полю. Для определения его z-компоненты в магнитную катушку 19 подается постоянный ток из блока управления 20, создающий магнитное поле, которое компенсирует z-компоненту измеряемого магнитного поля, оставляя без изменений его х и у составляющие. Векторная сумма этих составляющих определяется по частоте радиочастотного генератора 1.
x
x
x
z
В случае ориентации измеряемого магнитного поля строго вдоль оси z сигналы в х и у трактах магнитометра достигают нулевого значения в силу ориентационной зависимости. В этом случае измерительный процесс осуществляется по тому же принципу создания искусственного магнитного поля, но не в направлении оси z, а в направлении оси х, либо у. Так, например, искусственное поле H может быть создано дополнительными секциями радиочастотной катушки 10, подключенными к стороннему источнику питания, размещенного в блоке управления 20. При этом величина поля H заранее определена, радиочастотные катушки 9 и 10 соответственно отключены от радиочастотного генератора 1 и схемы управления радиополем 18, а переменное линейно поляризованное радиочастотное поле в зоне камеры поглощения 3 создается радиочастотной катушкой 11, ось которой ориентирована перпендикулярно плоскости xz. При этом, на фотодетекторе 8 появляется сигнал на частоте магнитного резонанса f, соответствующей векторной сумме поля H. и измеряемого поля H. Частота определяется по следующей формуле
x1.
где H - напряженность х-компоненты магнитного поля, создаваемого дополнительными секциями радиочастотной катушки 9.
z
H - напряженность измеряемого магнитного поля, ориентированного вдоль оси z.
γ - гиромагнитное отношение атомов рабочего вещества.
δf - поправка к частоте магнитного резонанса, вызванная действием эффекта Блоха-Зигерта.
x2
Далее в магнитную катушку 19 подается постоянный ток из блока управления 20, создающий магнитное поле, которое компенсирует z-компоненту измеряемого магнитного поля и одновременно увеличивают поле, создаваемое дополнительными секциями радиочастотной катушки 10 до значения H, при котором частота магнитного резонанса, сохраняет свое прежнее значение, то есть выполняется равенство
Поскольку амплитуда радиочастотного поля и резонансная частота остаются постоянными по величине, значение поправки δf в выражениях (8) и (9), связанное с влиянием нерезонансной компоненты радиочастотного поля - одно и то же, что позволяет определить искомую величину измеряемого магнитного поля по формуле
X
Y
z
В общем случае, когда вектор измеряемого магнитного поле имеет три компоненты, осуществляется компенсация его z-компоненты, что соответствует углу  (фиг. 2). При этом схема управления радиополем 18 создает переменное магнитное поле с помощью радиочастотных катушек 10 и 11, напряжение на которых соответственно пропорциональны сигналам  и , поступающим со вторых выходов преобразователей напряжения 14 и 15. Вследствие функциональных зависимостей (4)-(5) суммарная амплитуда переменного радиочастотного поля, создаваемого радиочастотными катушками 10 и 11 сохраняет свое постоянное значение вне зависимости от угла ϑ. Фазовый 90° сдвиг этого поля по отношению к переменному радиочастотному полю, создаваемому радиочастотной катушкой 9, приводит к вращению суммарного вектора переменного радиочастотного поля в плоскости, перпендикулярной направлению суммарного измеряемого магнитного поля, образованного из x и y его компонент вне зависимости от угла ϑ. При равенстве абсолютных значений и знаков частот прецессии атомов рабочего вещества и вращения вектора переменного радиочастотного поля в камере 4 с рабочим веществом происходит поглощение энергии этого поля, которое фиксируется приемными фотодетекторами 7 и 8 в виде сигналов s и s M-магнитометра. Принципиальное отсутствие в такой схеме нерезонансного вращающегося радиочастотного поля (с противоположным знаком по отношению к знаку частоты ларморовской прецессии) полностью исключает погрешности измеряемой частоты, связанными с упомянутым выше эффектом Блоха-Зигерта.