Квантовый мz - магнитометр

Полезная модель относится к технике квантовых устройств и может быть использована в геологоразведке, сейсмологической службе, и магнитокардиографии. Технический результат заключается в уменьшении ориентационной погрешности измерений резонансной частоты и отсутствии мертвых зон магнитометра. Квантовый M _z - магнитометр с оптической накачкой содержит оптический тракт, включающий источник накачки и расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляризатора, две камеры поглощения, два фотодетектора, две радиочастотные катушки, охватывающие соответствующие камеры поглощения, два модулятора, сумматор частоты, два радиочастотных генератора со схемами автоподстройки частоты (АПЧ) этих генераторов, первые выходы которых подключены к входу соответствующих модуляторов, а вторые - к входам сумматора частоты, звуковой генератор, выходы которого подключены к первым входам схем АПЧ. Перпендикулярно первому оптическому тракту установлен второй оптический тракт, включающий расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляризатора, две камеры поглощения с парами щелочного металла, два фотодетектора, две радиочастотные катушки, охватывающие соответствующие камеры поглощения. Дополнительно введены два сумматора амплитуды сигналов и четыре преобразователя напряжения, фотодетекторы первого и второго оптических трактов через преобразователи напряжения попарно соединены с соответствующими сумматорами амплитуды сигналов, радиочастотные катушки первого и второго оптических трактов попарно соединены, их оси параллельны и ориентированы перпендикулярно осям оптических трактов, а выходы сумматоров амплитуды сигналов присоединены соответственно к вторым входам схем АПЧ.

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 квантовые магнитометры M_z типа, в которых контролируется разность населенностей атомов рабочего вещества под действием резонансного радиочастотного поля. [Н.М.Померанцев, В.М.Рыжков, Г.В.Скроцкий, Физические основы квантовой магнитометрии, Из-во Наука, М. 1972, стр.284]. В магнитометрах M_z типа используется периодическое прохождение магнитного резонанса, для чего измеряемое магнитное поле или частота радиочастотного поля модулируется с низкой звуковой частотой. На этой частоте осуществляется усиление и фазовое детектирование сигнала фотодетектора. Выход фазового детектора при медленном прохождении резонансных условий имеет вид дисперсионной кривой, причем в центре резонанса при совпадении частоты радиочастотного поля с резонансным значением сигнал фазового детектора равен нулю. Магнитометр M_z типа содержит последовательно расположенные на одной оси источник накачки, циркулярный поляроид, камеру поглощения, охваченную радиочастотной катушкой, и приемный фотодетектор. Выход приемного фотодетектора подключен к входу избирательного усилителя, выход которого присоединен к схеме автоматической подстройки частоты (АПЧ) радиочастотного генератора, включающей звуковой генератор и модулятор. Сигнал ошибки на выходе фазового детектора осуществляет подстройку частоты радиочастотного генератора под резонансное значение. При вариациях измеряемого поля на выходе фазового детектора появляется управляющее напряжение, используемое для подстройки частоты радиополя, измеряемой частотомером

Недостатком аналогов являются ориентационные сдвиги частоты магнитометра при изменении угла между его оптической осью и вектором магнитного поля. В результате точность измерительного устройства снижается и не превышает единиц нТл.

Ближайшим аналогом (прототипом) заявленной полезной модели является квантовый M_z - магнитометр, содержащий оптический тракт, включающий источник накачки и расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляризатора, две камеры поглощения, два фотодетектора, две радиочастотных катушки, охватывающие камеры поглощения, звуковой генератор, два радиочастотных генератора со схемами автоподстройки частоты (АПЧ) этих генераторов, два модулятора, импульсный генератор и сумматор частоты, при этом схемы АПЧ радиочастотных генераторов подключены первыми входами к выходу соответствующего приемного фотодетектора, вторыми входами к выходам звукового генератора, первыми выходами - к входу соответствующего радиочастотного генератора, выход импульсного генератора подключен к первым входам модуляторов, а радиочастотные генераторы подключены первыми выходами через модуляторы к радиочастотным катушкам и вторыми выходами к входам сумматора [А.С.SU 1655212, МПК G01V 3/14, опубликовано 10,06.1996] В прототипе имеет место уменьшение ориентационной зависимости регистрируемой частоты путем компенсации ориентационного сдвига при оптической накачке рабочих камер поглощения циркулярнополяризованным светом разного знака. Подобная компенсация автоматически обеспечивается путем суммирования частот радиочастотных генераторов в сумматоре частоты и выделения полусуммы частот радиочастотных генераторов, которая не подвержена ориентационной зависимости магнитометра.

Недостатками прототипа является наличие мертвых зон, которые вызваны зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла между измеряемым полем и оптической осью магнитометра по закону (cos )⁴, что приводит к обнулению сигнала магнитометра при углах , равных 270° или 90°.

Задачей полезной модели является разработка квантового M_z магнитометра без мертвых зон с уменьшенной ориентационной погрешностью измерений частоты путем увеличения разрешающей способности измерительного устройства и обеспечения независимости амплитуды сигнала магнитометра от ориентации магнитометра в пространстве.

Поставленная задача достигается тем, что в известном квантовом M_z - магнитометре, содержащим оптический тракт, включающий источник накачки и расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляризатора, две камеры поглощения, два фотодетектора, две радиочастотные катушки, охватывающие соответствующие камеры поглощения, два модулятора, сумматор частоты, два радиочастотных генератора со схемами автоподстройки частоты (АПЧ) этих генераторов, первые выходы которых подключены к входу соответствующих модуляторов, а вторые - к входам сумматора частоты, звуковой генератор, выходы которого подключены к первым входам схем АПЧ. Перпендикулярно первому оптическому тракту установлен второй оптический тракт, включающий расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляризатора, две камеры поглощения с парами щелочного металла, два фотодетектора, две радиочастотные катушки, охватывающие соответствующие камеры поглощения. В магнитометр введены два сумматора амплитуды сигналов и четыре преобразователя напряжения. Фотодетекторы первого и второго оптических трактов через преобразователи напряжения попарно соединены с соответствующими сумматорами амплитуды сигналов, радиочастотные катушки первого и второго оптических трактов попарно соединены, их оси параллельны и ориентированы перпендикулярно осям оптических трактов, а выходы сумматоров амплитуды сигналов присоединены соответственно ко вторым входам схем АПЧ.

Источник накачки может быть выполнен в виде лазера, настроенного на один из оптических переходов атомов рабочего вещества магнитометра.

Размещение оптических трактов под углом 90 градусов позволяет детектировать сигналы радиооптического резонанса на выходе приемных фотодетекторов с функциональной зависимостью амплитуды сигнала от угла , равной (cos )⁴ для первого оптического тракта и (sin )⁴ для второго оптического тракта, которые поступают на вход преобразователей напряжений. На выходе преобразователей напряжений формируются сигналы с функциональной зависимостью амплитуды сигнала от угла , равной соответственно (cos )² и (sin )² и поступающие на вход сумматоров напряжения. При этом суммарный сигнал с выхода каждого из сумматоров равен постоянному по амплитуде значению и не зависит от угла , что дает возможность обеспечить отсутствие мертвых зон квантового магнитометра.

В случае лазерной накачки ее высокая селективность позволяет исключить часть магнитных подуровней одного из сверхтонких состояний, поскольку ширина линии лазерного излучения на порядок меньше энергетического зазора между состояниями сверхтонкой структуры. При этом ширина резонансной линии определяется шириной контура лишь одного из сверхтонких состояний F либо F+1, где интервал между соседними зеемановскими компонентами линии поглощения в геомагнитном поле более чем на порядок меньше, чем это наблюдается при использовании спектральных ламп. Соответственно на порядок выше оказывается и разрешающая способность магнитометра, определяемая как минимальное приращение измеряемого поля, которое может быть зафиксировано измерительным устройством..

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг.), на котором изображена: блок-схема квантового M_z - магнитометра без мертвых зон

Магнитометр (фиг.) включает источник накачки 1, выполненный в виде лазера, настроенного на один из оптических переходов атомов рабочего вещества, и два оптических тракта, расположенные симметрично относительно источника 1 и перпендикулярно друг другу. Первый оптический тракт содержит расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки 1 циркулярные поляризаторы 2 и 3, камеры поглощения 4 и 5, фотодетекторы 6 и 7, радиочастотные катушки 8 и 9, охватывающие соответствующие камеры поглощения 4 и 5. Второй оптический тракт содержит расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки 1 циркулярные поляризаторы 10 и 11, камеры поглощения 12 и 13, фото детекторы 14 и 15, радиочастотные катушки 16 и 17, охватывающие соответствующие камеры поглощения 12 и 13.

Одна пара фотодетекторов 6 и 14 соответственно первого и второго оптических трактов через соответствующие преобразователи напряжений 18 и 19 соединены с сумматором амплитуды сигналов 22, а другая пара фото детекторов 7 и 15 первого и второго оптических трактов через соответствующие преобразователи напряжений 20 и 21 соединены с сумматором амплитуды 23. Выходы звукового генератора 26 подключены к первым входам схем АПЧ 24 и 25, вторые входы которых соответственно присоединены к выходам сумматоров 22 и 23 амплитуды сигналов. Радиочастотные катушки 8 и 16, 9 и 17 первого и второго оптических трактов попарно соединены, при этом оси катушек 8, 9, 16, 17 параллельны и ориентированы перпендикулярно осям оптических трактов. Выходы схем АПЧ 24 и 25 соответственно подключены к входам радиочастотных генераторов 27 и 28, первые выходы которых соответственно подключены к входам модуляторов 29 и 30, а вторые - к входам сумматора частоты 31. Выходы модуляторов 29 и 30 соответственно присоединены к радиочастотным катушкам 8 и 9.

Преобразователи напряжения 18, 19, 21, 22 могут быть выполнены по схеме умножения для извлечения квадратного корня [У.Титце, К.Шенк, Полупроводниковая схемотехника, Перевод с немецкого под редакцией А.Г.Алексенко, М. Мир, 1982 г., стр 167, рис.11.47]. При использовании этой схемы напряжение на выходе преобразователя пропорционально корню квадратному от входного напряжения.

Квантовый M_z магнитометр работает следующим образом.

Магнитометр устанавливается так, чтобы оси камер 4, 5, 12, 13 поглощения были ориентированы в плоскости, параллельной плоскости ZX вектора измеряемого магнитного поля (фиг.). Излучение источника 1 накачки поступает через циркулярные поляроиды 2, 3, 10, 11 в соответствующие камеры 4, 5, 12, 13 поглощения.

Предварительно поляроиды 2 и 10 настраивают таким образом, что на их выходе формируется свет накачки с вращением плоскости поляризации по часовой стрелке, а поляроиды 3 и 11 так, что формируется свет накачки с вращением плоскости поляризации против часовой стрелки.

В результате в камерах 4 и 12 осуществляется накачка щелочных атомов на подуровень m _F=F, в камерах 5 и 13 - на уровень m_F=-F. С выхода камер 4, 5, 12, 13 поглощения излучение поступает на вход соответствующих приемных фото детекторов 6, 7, 14 и 15, сигнал с которых поступает соответственно на вход преобразователей 18, 20, 19 и 21 с частотой модуляции звукового генератора 26. При этом на вход преобразователей 18 и 19 поступает сигнал переменного напряжения, амплитуда которого зависит от угла между направлением света накачки и вектором измеряемого магнитного поля по закону A(cos )⁴, где А - фиксированное значение амплитуды входного сигнала. На выходе преобразователей 18 и 19 формируется сигнал переменного напряжения, амплитуда которого зависит от угла по закону A^1/2(cos )². На вход преобразователей 20 и 21 поступает сигнал переменного напряжения, амплитуда которого зависит от угла по закону A(sin )⁴ На выходе преобразователей 20 и 21 формируется сигнал переменного напряжения, амплитуда которого зависит от угла по закону A^1/2(sin )². В сумматорах 22 и 23 осуществляется суммирование сигналов, поступающих на их входы с соответствующих выходов преобразователей 18, 19 и 20, 21, при этом на выходе сумматоров 22 и 23 формируется переменное напряжение, амплитуда которого не зависит от угла и пропорциональна постоянной величине А^1/2.

Далее сигналы с выхода сумматоров 22 и 23 поступают соответственно на первый вход схем АПЧ 24 и 25, управляющее напряжение которых осуществляет перестройку радиочастотных генераторов 27 и 28 в окрестности резонансных значений ₁ и ₂ соответствующих центрам линии поглощения при оптической накачке циркулярнополяризованным излучением противоположных знаков. Частоты этих генераторов 27 и 28 модулируются с низкой звуковой частотой звукового генератора, сигнал с которого поступает на второй вход схем АПЧ 24 и 25. Управляющее напряжение с выхода схем АПЧ 24 и 25 в виде сигнала ошибки осуществляет подстройку частоты генераторов 27 и 28 (₁ и ₂) под резонансное значение, соответствующее двум противоположным знакам (по часовой и против часовой стрелке) циркулярной поляризации света накачки. На этих частотах с помощью модуляторов 29 и 30, подключенных к радиочастотным катушкам 8 и 9, соединенным соответственно с катушками 16, 17, индуцируются магнитодипольные переходы в атомах рабочего вещества камер поглощения 4, 5, 12, 13. Внешнее магнитное поле, и его вариации регистрируются магнитометром по показаниям сумматора частоты 31, фиксирующего полу сумму частот ₁ и ₂, которая вследствие различия знаков ориентационной зависимости частоты магнитометра не зависит от его ориентации в пространстве.

Отсутствие мертвых зон в заявляемом магнитометре связано с независимостью от угла на выходе сумматоров 22, 23 амплитуды сигналов, поступающих с выхода преобразователей 18-21 напряжения с указанными выше функциональными зависимостями от этого угла. При этом, для любых углов сигнал, управляющий схемами АПЧ 24 и 25, сохраняет постоянное значение и не обнуляется как в прототипе. Это обуславливает отсутствие мертвых зон магнитометра при произвольном расположении вектора измеряемого поля в плоскости ZX.

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.

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 пространстве.

1. Квантовый M_z - магнитометр, содержащий оптический тракт, включающий источник накачки и расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляризатора, две камеры поглощения, два фотодетектора, две радиочастотные катушки, охватывающие соответствующие камеры поглощения, два модулятора, сумматор частоты, два радиочастотных генератора со схемами автоподстройки частоты (АПЧ) этих генераторов, первые выходы которых подключены к входу соответствующих модуляторов, а вторые - к входам сумматора частоты, звуковой генератор, выходы которого подключены к первым входам схем АПЧ, отличающийся тем, что перпендикулярно первому оптическому тракту установлен второй оптический тракт, включающий расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляризатора, две камеры поглощения с парами щелочного металла, два фотодетектора, две радиочастотные катушки, охватывающие соответствующие камеры поглощения, дополнительно введены два сумматора амплитуды сигналов и четыре преобразователя напряжения, фотодетекторы первого и второго оптических трактов через преобразователи напряжения попарно соединены с соответствующими сумматорами амплитуды сигналов, радиочастотные катушки первого и второго оптических трактов попарно соединены, их оси параллельны и ориентированы перпендикулярно осям оптических трактов, а выходы сумматоров амплитуды сигналов присоединены соответственно к вторым входам схем АПЧ.

2. Квантовый M_z - магнитометр по п.1, отличающийся тем, что источник накачки выполнен в виде лазера, настроенного на один из оптических переходов атомов рабочего вещества магнитометра.