Квантовый mx-магнитометр

Квантовый M_X - магнитометр, предназначенный для измерения характеристик магнитного поля Земли, содержит радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник излучения накачки, камеру поглощения с атомами щелочного металла, охваченную катушкой модуляции, и фотодетектор, выход которого подключен к входу схемы автоподстройки радиочастотного генератора. В магнитометр введены дополнительный радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, подключенной к выходу фотодетектора, соленоид с источником питания, схема преобразования частоты, соединенная с радиочастотным генератором и дополнительным радиочастотным генератором, коммутирующее устройство. Входы коммутирующего устройства соответственно соединены с источником питания соленоида и выходами радиочастотных генераторов и схем их автоподстройки, выходы коммутирующего устройства соответственно подключены к катушке модуляции, соленоиду и источнику излучения накачки, а камера поглощения с катушкой модуляции помещены в соленоид, расположенный так, что его ось перпендикулярна оси оптического тракта. Технический результат - повышение точности за счет уменьшения ориентационной погрешности измерений частоты и расширение функциональных возможностей для определения ориентации измеряемого магнитного поля относительно оптической оси магнитометра.

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 квантовые магнитометры M _X типа с оптической накачкой, в которых контролируется прецессия поперечной компоненты намагниченности атомов рабочего вещества под действием резонансного радиочастотного поля. [Е.Б. Александров, В.А. Бонч-Бруевич, Н.Н. Якобсон 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. Достоинством магнитометров M_X типа является относительная простота их схемного решения и высокое быстродействие отслеживания вариаций измеряемого магнитного поля. Недостатком аналогов является низкая точность из-за наличия мертвых зон, обусловленных зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла между измеряемым полем и оптической осью магнитометра.

К аналогам полезной модели относятся также 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.

Недостатком аналогов является низкая точность, обусловленная зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла между измеряемым полем и оптической осью по закону (sin cos)². В соответствии с указанной зависимостью снижение точности связано с наличием мертвых зон работы магнитометра при углах , близких к 0 или 90°, когда сигнал измерительного устройства стремится к нулю.

Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является магнитометр M_X типа с оптической накачкой, [Н.М. Померанцев, В.М. Рыжков, Г.В. Скроцкий, Физические основы квантовой магнитометрии, Из-во Наука, М. 1972, стр. 386], содержащий радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник излучения накачки, поляризатор, камеру поглощения с атомами щелочного металла, охваченную катушкой модуляции, и фотодетектор. Радиочастотный генератор подключен к источнику накачки через модулятор. Схема автоподстройки радиочастотного генератора содержит избирательный усилитель, звуковой генератор и фазовый детектор, подключенный к избирательному усилителю и звуковому генератору. Управляющее напряжение на выходе фазового детектора осуществляет перестройку частоты радиочастотного генератора под резонансное значение, соответствующее измеряемому магнитному полю.

В геомагнитном поле для большинства щелочных атомов спектр поглощения неразрешен и примерно на порядок шире в сравнении 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.

Недостатком прототипа является его низкая точность из-за ориентационной зависимости амплитуды сигнала магнитометра относительно угла между измеряемым полем и оптической осью по закону (sin)⁴ и сравнительно широкой линии поглощения, связанной с неразрешенным контуром зеемановского спектра атомов щелочного металла. Ассиметричная форма этой линии также приводит к вариациям средневзвешенной частоты магнитометра при изменении угла . К недостаткам прототипа относится также его принципиальная неспособность определять направление в пространстве вектора измеряемого магнитного поля, что снижает функциональные возможности устройства.

Задачей полезной модели является разработка M _X - магнитометра с высокой точностью за счет уменьшения ориентационной погрешности измерений частоты и расширением функциональных возможностей, а именно, с возможностью определения ориентации измеряемого магнитного поля относительно оптической оси магнитометра путем введения дополнительного источника магнитного поля.

Поставленная задача достигается тем, что в известный M_X - магнитометр, содержащий радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник излучения накачки, камеру поглощения с атомами щелочного металла, охваченную катушкой модуляции, и фотодетектор, выход которого подключен к входу схемы автоподстройки радиочастотного генератора, введены дополнительный радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, подключенной к выходу фотодетектора, соленоид с источником питания, схема преобразования частоты, соединенная с радиочастотным генератором и дополнительным радиочастотным генератором, коммутирующее устройство, входы которого соответственно соединены с источником питания соленоида и выходами радиочастотных генераторов и схем автоподстройки этих генераторов, выходы коммутирующего устройства соответственно подключены к катушке модуляции, соленоиду и источнику излучения накачки, а камера поглощения с катушкой модуляции помещены в соленоид, расположенный так, что его ось перпендикулярна оси оптического тракта.

Благодаря указанной совокупности существенных признаков увеличивается точность M_X - магнитометра и расширяются его функциональные возможности. Так, введение соленоида, создающего 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, соответствующей напряженности измеряемого магнитного поля. При этом вследствие симметрии линии поглощения ориентационная погрешность магнитометра принципиально отсутствует.

Расширение функциональных возможностей заявленного устройства обусловлено следующим. Резонансная частота заявляемого магнитометра пропорциональна модулю суммарного вектора напряженности магнитного поля, образованного вектором напряженности H₀ магнитного поля соленоида и вектором напряженности H_изм измеряемого магнитного поля, направленного под заранее неизвестным углом по отношению к оптической оси магнитометра. Для определения этого угла и измерения напряженности H_изм осуществляют периодическое переключение направления тока в соленоиде и соответственно подключение схемы автоподстройки либо радиочастотного генератора, либо дополнительного радиочастотного генератора посредством коммутирующего устройства. 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. По значениям частоты радиочастотных генераторов, управляемых схемами автоподстройки, с помощью схемы преобразования частоты определяют не только напряженность измеряемого магнитного поля, но его ориентацию по отношению к оптической оси магнитометра. 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. [Н.М. Померанцев, В.М. Рыжков, Г.В. Скроцкий, Физические основы квантовой магнитометрии, Из-во Наука, М. 1972, стр. 384]

Указанное размещение соленоида, ось которого перпендикулярна оси оптического тракта, обеспечивает максимум резонансного сигнала, амплитуда которого, как отмечалось выше, зависит от угла между направлением магнитного поля и оптической осью магнитометра. Для обеспечения высокой точности заявляемого магнитометра необходимо, чтобы напряженность H₀ магнитного поля соленоида намного превышала величину напряженности H_изм измеряемого (например, геомагнитного) поля. При выполнении этого условия, зеемановский спектр поглощения полностью разрешен, а амплитуда сигнала магнитометра практически не зависит от направления вектора H_изм, так как направление суммарного вектора, образованного векторами H_изм и H₀, в основном, определяется магнитным полем соленоида. При ином размещении соленоида увеличивается погрешность вследствие ориентационной зависимости амплитуды сигнала магнитометра. Например, если ось соленоида ориентирована под нулевым углом к оптической оси магнитометра, то устройство практически не будет функционировать, так как амплитуда сигнала вследствие упомянутой выше ориентационной зависимости от угла будет наблюдаться на уровне шумов.

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг.), на котором изображена схема квантового M_X - магнитометра, где 1 - радиочастотный генератор; 2 - схема автоподстройки радиочастотного генератора 1; 3 - источник излучения накачки; 4 - камера поглощения с атомами щелочного металла; 5 - катушка модуляции; 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 излучения накачки, камеру 4 поглощения с атомами щелочного металла, охваченную катушкой 5 модуляции, и фотодетектор 6, выход которого подключен к входу схемы 2 автоподстройки, схему 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. Выходы генераторов 1 и 11, схем 2 и 12 автоподстройки и источник питания 11 соленоида 9 подключены к соответствующим входам коммутирующего устройства 8, схема 7 преобразования частоты соединена с радиочастотными генераторами 1 и 11. Выходы коммутирующего устройства 8 подключены соответственно к катушке 5 модуляции, соленоиду 9 и источнику 3 излучения накачки. Камера 4 поглощения с катушкой 5 модуляции помещены в соленоид 9, расположенный так, что его ось перпендикулярна оси оптического тракта.

В качестве схемы 7 преобразования частоты возможно использовать стандартный контроллер.

В качестве коммутирующего устройства 8 может быть использован микроконтроллер, например, Silabs С8051Р120 и схема электронного переключателя, например, описанного в работе [У. Титце, К. Шенк, Полупроводниковая схемотехника, Перевод с немецкого под редакцией А.Г. Алексенко, М. Мир, 1982 г., стр. 276].

В качестве источника питания 10 соленоида 9 можно использовать высокостабильный источник тока на базе опорного источника напряжения, например, Burr-Braun REF02

В качестве соленоида 9 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^-5, 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, 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. [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.

В качестве источника накачки может быть использована высокочастотная спектральная лампа с циркулярным поляризатором, размещенным между спектральной лампой и камерой 4 поглощения. При этом интенсивность высокочастотного разряда модулируется на частоте радиочастотного генератора, что приводит к возбуждению в камере 4 прецессии намагниченности атомов рабочего вещества, однако сопровождается появлением нерезонансного фона. В качестве источника накачки также может быть использован лазер с ячейкой Керра, которая подключена к радиочастотному генератору и выполняет функцию модулятора поляризации лазерного излучения, интенсивность которого постоянна. Подобная модуляция возбуждает прецессию намагниченности атомов в камере 4 поглощения.

Квантовый магнитометр работает следующим образом.

В частном случае реализации источник 3 выполнен в виде лазера с ячейкой Керра, модулирующей свет накачки по поляризации. Поступая в камеру поглощения 4, модулированный по поляризации свет накачки вызывает прецессию намагниченности атомов рабочего вещества с частотой либо генератора 1, либо генератора 11 в зависимости от направления тока в соленоиде 9, переключаемого с помощью коммутирующего устройства 8 синхронно с подключением схемы 2 или схемы 12 автоподстройки. При этом происходит соответствующее изменение степени прозрачности камеры 4 поглощения синхронно со звуковой частотой переменного магнитного поля катушки 5. Изменение прозрачности камеры 4 фиксируется приемным фотодетектором 6 в виде входного резонансного сигнала магнитометра, поступающего на входы схем 2 и 12 автоподстройки.

Работа схем 2 и 12 автоподстройки основана на синхронном детектировании резонансного сигнала магнитометра, при котором измеряемое магнитное поле модулируется с низкой звуковой частотой. Схемы 2, 12 предварительно настраивают на пропуск только одной частоты модуляции, своей для каждой схемы. Это позволяет разделить сигнал радиооптического резонанса, снимаемый общим приемным фотодетектором 6 по двум схемам автоподстройки. Таким образом, в силу различия частот модуляции достигается автономная работа схем автоподстройки 2 и 12 без их взаимного влияния.

Схемы автоподстройки 2 и 12 осуществляют перестройку частоты соответствующих радиочастотных генераторов 1 и 11 до резонансных значений, определяемых как суммарные вектора напряженности магнитного поля, образованные векторами напряженности H_изм измеряемого магнитного поля и напряженности H₀ магнитного поля, создаваемого соленоидом 9 при его прямом (для генератора 1) и обратном (для генератора 11) включении (или инверсии направления тока).

В общем случае вектора напряженности H_изм и H₀ образуют между собой неизвестный заранее угол . Для исключения этого параметра и определения значения напряженности H_изм магнитного поля в заявляемом магнитометре предусмотрена инверсия вектора напряженности H₀, при которой косинус угла в геометрической сумме векторов напряженности H_изм измеряемого магнитного поля и напряженности H ₀ 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 _изм измеряемого магнитного поля. Значения частоты радиочастотных генераторов 1 и 11, можно определить из следующих равенств:

где ₁ - частота радиочастотного генератора 1;

₂ - частота радиочастотного генератора 11; у - гиромагнитное отношение атомов рабочего вещества;

H₀ - величина напряженности магнитного поля, создаваемого соленоидом 9;

H_изм - величина напряженности измеряемого магнитного поля;

- угол, образованный между вектором напряженности H ₀ магнитного поля соленоида и вектором напряженности H _изм измеряемого магнитного поля.

В соответствии с (1) и (2) сумма квадратов частот, определенных по формулам (1) и (2) не зависит от косинуса угла , что позволяет по их измеренным значениям и известному значению H₀ определить величину напряженности H _изм магнитного поля. С другой стороны, зная величину H _изм, по разности этих частот несложно определить косинус угла , 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 , что соответственно приводит к более точному измерению центра линии на частотной шкале.

Так, например, при превышении H₀ над H_изм в десять раз при изменении угла 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 [Е.Б. Александрова, М.В. Балабаса, А.К. Вершовского, А.С. Пазгалева 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 обусловлено сужением ширины резонансной линии (примерно на порядок по сравнению с шириной линии в магнитных полях геомагнитного диапазона) в сильном стабилизированном магнитном поле соленоида. При этом подобное устройство принципиально не имеет мертвых зон и способно функционировать при любой ориентации измеряемого поля в магнитном пространстве.

Квантовый М_х-магнитометр, содержащий радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник излучения накачки, камеру поглощения с атомами щелочного металла, охваченную катушкой модуляции, и фотодетектор, выход которого подключен к входу схемы автоподстройки радиочастотного генератора, отличающийся тем, что в него введены дополнительный радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, подключенной к выходу фотодетектора, соленоид с источником питания, схема преобразования частоты, соединенная с радиочастотным генератором и дополнительным радиочастотным генератором, коммутирующее устройство, входы которого соответственно соединены с источником питания соленоида и выходами радиочастотных генераторов и схем автоподстройки радиочастотных генераторов, выходы коммутирующего устройства соответственно подключены к катушке модуляции, соленоиду и источнику излучения накачки, а камера поглощения с катушкой модуляции помещены в соленоид, расположенный так, что его ось перпендикулярна оси оптического тракта.