Квантовый мх - магнитометр

Полезная модель относится к технике измерений характеристик магнитного поля Земли. Технический результат заключается в повышении точности и расширении функциональных возможностей. Квантовый M_X-магнитометр 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, ось которой перпендикулярна оси оптического тракта, и фотодетектор, выход которого подключен к входу схемы автоподстройки радиочастотного генератора. В магнитометр введены дополнительный источник 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, схема преобразования частоты, коммутирующее устройство, дополнительный радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, вход которой подключен к выходу дополнительного фотодетектора. При этом камера поглощения охвачена дополнительной катушкой модуляции, ось которой перпендикулярна оси дополнительного оптического тракта, и помещена в магнитную систему из двух взаимно перпендикулярных соленоидов с источником питания, причем оси соленоидов перпендикулярны осям соответствующих оптических трактов. Схема преобразования частоты соединена с радиочастотными генераторами, входы коммутирующего устройства соединены с источником питания соленоидов, выходами схем автоподстройки радиочастотных генераторов, а выходы коммутирующего устройства подключены к катушкам модуляции, источникам накачки и соленоидам.

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 [Александров Е.Б. Магнитометры на основе оптической накачки атомов - состояние и перспективы разработок / Е.Б. Александров, В.А. Бонч-Бруевич, Н.Н. Якобсон. - Оптический журнал - 1993, 11, С. 17-30]. Подобные устройства содержат 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 неспособность определения компонент измеряемого магнитного поля, а также низкая точность из-за наличия мертвых зон, обусловленных зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла между измеряемым полем и оптической осью магнитометра по закону (sin cos)² В соответствии с указанной зависимостью сигнал измерительного устройства уменьшается до нуля при стремлении угла к нулю и 90°.

Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является квантовый M_X - магнитометр с оптической накачкой [Померанцев Н.М. Физические основы квантовой магнитометрии / Н.М. Померанцев, В.М. Рыжков, Г.В. Скроцкий. - М.: Наука, 1972. - С. 386], 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 так, что ось катушки модуляции перпендикулярна оси оптического тракта, 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 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.

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 между измеряемым полем и осью оптического тракта по закону (sin)⁴, в соответствии с которым сигнал измерительного устройства уменьшается до нуля при стремлении угла к 0°.

Задачей полезной модели является разработка квантового M_X-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.

Поставленная задача достигается тем, что в известном квантовом M_X-магнитометре, содержащем радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник излучения накачки, камеру поглощения с атомами щелочного металла, охваченную катушкой модуляции так, что ось катушки модуляции перпендикулярна оси оптического тракта, и фотодетектор, выход которого подключен к входу схемы автоподстройки радиочастотного генератора, введены дополнительный источник 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, схема преобразования частоты, коммутирующее устройство, дополнительный радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, вход которой подключен к выходу дополнительного фотодетектора. При этом камера поглощения охвачена дополнительной катушкой модуляции, ось которой перпендикулярна оси дополнительного оптического тракта, и помещена в магнитную систему из двух взаимно перпендикулярных соленоидов с источником питания, причем оси соленоидов перпендикулярны осям соответствующих оптических трактов. 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 катушкам модуляции, источникам накачки и соленоидам.

Благодаря указанной совокупности существенных признаков увеличивается точность M_X-магнитометра и расширяются его функциональные возможности, заключающиеся в дополнительной способности определения трех компонент напряженности магнитного поля. Введение дополнительного оптического тракта и соленоидов, расположенных перпендикулярно осям оптических трактов, для попеременного создания разнонаправленных сильных стабилизированных магнитных полей, в которых 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 при работе одного из соленоидов пропорциональна напряженности суммарного магнитного поля, образованного вектором напряженности магнитного поля этого соленоида и вектором напряженности измеряемого магнитного поля, направленного под заранее неизвестным углом по отношению к оси этого соленоида. Для исключения этого параметра и определения значения напряженности магнитного поля в заявляемом магнитометре с помощью коммутирующего устройства осуществляют инверсию вектора напряженности соленоида путем периодического переключения направления тока в соленоиде и соответственно подключения схемы автоподстройки либо радиочастотного генератора, либо дополнительного радиочастотного генератора. При этом косинус угла в геометрической сумме векторов напряженности измеряемого магнитного поля и напряженности соленоида меняет знак, что приводит к изменению указанной геометрической суммы и соответственному изменению резонансной частоты магнитометра. Для достижения независимой перестройки частот радиочастотных генераторов предварительно схемы автоподстройки генератора и дополнительного генератора настраивают на различные частоты при прямом и обратном включении магнитного поля каждого из соленоидов. По значениям частоты радиочастотных генераторов, управляемых схемами автоподстройки, с помощью схемы преобразования частоты определяют величину напряженности измеряемого магнитного поля и угол между осью соленоида и направлением измеряемого магнитного поля, а по углу устанавливают 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 оптическим трактам 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.

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг.), на котором изображена схема квантового M_X-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 - катушка модуляции; 9 - дополнительная катушка модуляции; 10 и 11 - соленоиды; 12 - радиочастотный генератор; 13 - схема автоподстройки радиочастотного генератора; 14 - дополнительный радиочастотный генератор; 15 - схема автоподстройки дополнительного радиочастотного генератора 14; 16 - источник питания соленоидов 10 и 11; 17 - коммутирующее устройство; 18 - схема преобразования частоты.

Квантовый M_X-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 фото детектор 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 катушками модуляции 8, 9 и помещена в магнитную систему из двух взаимно перпендикулярных соленоидов 10 и 11. Ось соленоида 10 и ось катушки 8 модуляции перпендикулярны оси оптического тракта 1. Ось соленоида 11 и ось дополнительной катушки 9 модуляции перпендикулярны оси оптического тракта 2. Фотодетектор 5 подключен к входу схемы 13 автоподстройки генератора 12, а фото детектор 7 подключен к входу схемы 15 автоподстройки генератора 14. Источник 16 питания соленоидов и выходы схем 13 и 15 подключены к входам коммутирующего устройства 17, выходы которого присоединены к соленоидам 10, 11, катушкам 8, 9 модуляции, источникам 3, 6 накачки.

В качестве коммутирующего устройства 17 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 18 преобразования частоты возможно использовать стандартный контроллер.

В качестве соленоидов 10 и 11 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^-5, 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 16 соленоидов 10 и 11 можно использовать высокостабильный источник тока на базе опорного источника напряжения, например, Burr-Braun REF02.

Схемы 13 и 15 автоподстройки радиочастотных генераторов 12 и 14 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 13 и 15 автоподстройки основана на синхронном детектировании резонансного сигнала магнитометра, при котором измеряемое магнитное поле модулируется с низкой звуковой частотой. При этом частоты радиочастотных генераторов 12 и 14 попеременно изменяются до резонансных значений, определяемых суммарными векторами напряженности магнитного поля, образованными измеряемым магнитным полем и магнитным полем соответствующих соленоидов 10 и 11 при их прямом и обратном включении (или инверсии направления тока).

В качестве источников 3 и 6 накачки может быть использована высокочастотная спектральная лампа с циркулярным поляризатором, размещенным между спектральной лампой и камерой 4 поглощения. 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 источники 3 и 6 выполнены в виде лазера с ячейкой Керра, модулирующей свет накачки по поляризации. С помощью коммутирующего устройства 17 осуществляют попеременное синхронное подключение соответственно источников 3 или 6, катушек модуляции 8 или 9 и соленоидов 10 или 11 с периодической сменой направления тока в соленоидах 10 или 11. Поступая в камеру поглощения 4, модулированный по поляризации свет накачки вызывает прецессию намагниченности атомов рабочего вещества с частотой либо генератора 12, либо генератора 14 в зависимости от подключения соленоида 10, либо соленоида 11. Так, например, одновременно с источником 3 включают катушку 8 и соленоид 10, за время работы которого меняют направление рабочего тока. При этом частота переменного магнитного поля катушки 8 модуляции соответствует звуковой частоте схемы 13 автоподстройки частоты радиочастотного генератора 12. Синхронно с звуковой частотой модуляции схемы 13 автоподстройки изменяется степень прозрачности камеры 4, фиксируемая приемным фотодетектором 5 в виде входного резонансного сигнала магнитометра, резонансная частота которого совпадает с частотой перестраиваемого схемой 13 автоподстройки радиочастотного генератора 12.

Значения частоты радиочастотного генератора 12 для двух противоположных ориентаций магнитного поля в соленоиде 10 можно определить из следующих равенств:

,

где ₁ - частота радиочастотного генератора 12 при прямом включении соленоида 10;

₂ - частота радиочастотного генератора 12 при обратном включении соленоида 10;

- гиромагнитное отношение атомов рабочего вещества;

H₀₁ - величина напряженности магнитного поля, создаваемого соленоидом 10;

H_изм - величина напряженности измеряемого магнитного поля;

- угол, образованный между вектором напряженности магнитного поля соленоида 10 и вектором напряженности измеряемого магнитного поля.

Так как сумма квадратов частот, определенных по формулам (1) и (2), не зависит от косинуса угла , то по измеренным значениям частоты и известному значению H₀₁ устанавливают величину напряженности H_изм магнитного поля. С другой стороны, зная величину H _изм, по разности этих частот находят косинус угла с помощью схемы преобразования частоты 18.

Затем с помощью коммутирующего устройства 17 соленоид 10, источник 3 и катушку 8 модуляции выключают и включают соленоид 11, дополнительный источник 6 и дополнительную катушку 9 модуляции, и в процессе работы в соленоиде 11 производят смену направления рабочего тока. При этом частота переменного магнитного поля катушки 9 модуляции соответствует звуковой частоте схемы 15 автоподстройки частоты радиочастотного генератора 14. Синхронно со звуковой частотой модуляции схемы 15 автоподстройки изменяется степень прозрачности камеры 4, фиксируемая приемным фотодетектором 7 в виде входного резонансного сигнала магнитометра, резонансная частота которого совпадает с частотой перестраиваемого схемой 15 автоподстройки радиочастотного генератора 14.

Значения частоты дополнительного радиочастотного генератора 14 для двух противоположных ориентаций магнитного поля в соленоиде 11 можно определить из следующих равенств:

,

где ₃ - частота радиочастотного генератора 14 при прямом включении соленоида 11;

₄ - частота радиочастотного генератора 14 при обратном включении соленоида 11;

- гиромагнитное отношение атомов рабочего вещества;

H₀₂ - величина напряженности магнитного поля, создаваемого соленоидом 11;

H_изм - величина напряженности измеряемого магнитного поля;

- угол, образованный между вектором напряженности магнитного поля соленоида 11 и вектором напряженности измеряемого магнитного поля.

Из этих уравнений, как показано выше, находят косинус угла и величину H_изм напряженности измеряемого магнитного поля.

Для определения компонент магнитного поля используют декартову систему координат, образованную взаимно перпендикулярными осями соленоидов. Тогда две из трех искомых компонент магнитного поля будут равны проекциям измеряемого магнитного поля на ось соответствующего соленоида:

H _изм1=H_измcos

H_изм2=H_измcos,

где H_изм1 - компонента измеряемого магнитного поля вдоль оси соленоида 10;

H _изм2 - компонента измеряемого магнитного поля вдоль оси соленоида 11.

Третью компоненту измеряемого магнитного поля определяют из соотношения, связывающего проекции измеряемого магнитного поля на оси соленоидов:

H_изм3 =H_изм(1-cos²-cos²)^1/2=H_изм(sin²-cos²)^1/2,

где H_изм3 - компонента измеряемого магнитного поля вдоль оси, перпендикулярной осям соленоидов 10 и 11.

Для обеспечения высокой точности заявляемого магнитометра необходимо, чтобы магнитное поле соленоидов 10 и 11 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 соответственно приводит к более точному измерению центра линии на частотной шкале. Так, например, при изменении этого угла от нулевых значений до 90° и превышении H₀₁ и H₀₂ над H_изм в десять раз максимальное уменьшение амплитуды сигнала магнитометра вследствие его ориентационной зависимости (пропорциональной синусу 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 лишь 0,02%. При этом предполагается, что напряженность магнитного поля, создаваемого соленоидами 10 и 11 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 10, 11. При этом подобное устройство измеряет не только абсолютную величину напряженности магнитного поля, но и его компоненты.

1. 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, ось которой перпендикулярна оси оптического тракта, и фотодетектор, выход которого подключен к входу схемы автоподстройки радиочастотного генератора, отличающийся тем, что в магнитометр введены дополнительный источник 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, схема преобразования частоты, коммутирующее устройство, дополнительный радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, вход которой подключен к выходу дополнительного фотодетектора, при этом камера поглощения охвачена дополнительной катушкой модуляции, ось которой перпендикулярна оси дополнительного оптического тракта, и помещена в магнитную систему из двух взаимно перпендикулярных соленоидов с источником питания, причем оси соленоидов перпендикулярны осям соответствующих оптических трактов, 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 катушкам модуляции, источникам накачки и соленоидам.

РИСУНКИ