Квантовый магнитометр

О П И С А Н И Е 11 578630ИЗОБРЕТЕНИЯИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик-б О 1 133 0 присоединением заявкиГосударственный комитет (23) Приорите авета Министров СССР(45) Дата опубликования опцсацця 14.11.77ло дедам изобретений и открытий72) Авторы изобретсни Е. В. Блинов, Р. А, Житников и П. П. Кулешов Ордена Ленина физико-технический институт имени А. ф. Иоффе71) Заявите 54) КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕ И й зобретение относится к области квантово магнитометрии и может быть использо,вано в технике точного измерения магнитного поля, в том числе с подвижных носителей.В настоящее время известен ряд квантовых магнитометров с оптической ориентацией атомов щелочных металлов и гелия - 4, основанных на двойном радиооптическом резонансе, которые по схемному решению делятся на два класса;М, - магнитометры (или магнитометры с автоподстройкой частоты опорного генератора) и М, - магцитометры (цли самогенерирующие магнитометры).Квантовые магнитометры с оптической ориентацией атомов имеют высокую точность и чувствительность, связанную с тем, что измеряемая величина определяется через атомные константы, известные с высокой степенью точности.Магнитометры с оптической ориентацией щелочных металлов обладают существенным недостатком, связанным с асимметрией линии магнитного резонанса. Это приводит к зависимости показаний такого магнитометра от ориентации его по отношению к измеряемому магнитному полю, а тактике и от вели- чипы измеряемого магнитного поля.Известен квантовый магнитометр с оптической ориентацией метастабильных атомов гелця - 4, содержащий гелиевую лампу накачки, циркулярный поляризатор ца длццуволны л,=1,083 мкм, камеру поглощения ифотоприемнцк, расположенцые на одцой оп 5 тической оси, высокочастотный генераторвозбуждения разряда, радиочастотную катушку, охватываощую камеру поглощения, сподключенным к ней радиочастотным генератором, систему автоподстройкп частоты ра 1 О диочастотного генератора и систему регистрации частоты.Существенным недостатком этого мапцтометра (а также ц щелочных магццтометров)является наличие световых сдвигов частоты,15 величина которой определяет значение измеряемого магнитного поля, ц зависимость этихсдвигов, а слсдовательно, ц результатов измерений, от ориентации прибора в пространстве. Большие световые сдвиги ц световое20 ушцренце лцнш приводит к снижению абсолотцой точности измерения поля. Ушцрсизелинии также снижает чувствцтелцось .а- нцтометра.Целью изобретения является устранение25 ориентационнои зависцмости результатов измерений и повышение точности за счет устранения возмущений атомов, дающих вкладв магнитный резонанс,Поставленная цель достигается тем, чтоЗО камера поглошенпя. содерткащая гелий - 4, 5786305 1 О 15 20 25 30 35 10 45 50 55 дополнительно содержит щелочной металл, лампа накачки содержит такой же щелочной металл, причем фотоприемник и циркулярный поляризатор выбраны на длину волны света накачки введенного щелочного металла; в качестве последнего может быть выбран рубидий или цезий.В этом случае неравновесная населенность зеемановских подуровней метягтябильного 2состояния атомов гелия :1, и тем самым преп мущ(.(твенная ориетания спино моменто этих ятомо, создается зя счет столкпон их с оптииск Ортиров(иными атомами щелочного металла в отличие от обычно используемого метода оптической ориентации метастабильных атомов гелия - 4 путем облучения их светоъ с резонансной длио волны (7.=1,083 мкм).На чертене изображена функциональная схема предлагаемого магнитометря.Он содержит лампу 1 накачки, поляроид 2, четвертьволновую пластинку 3, камеру 4 поглощения, генератор 5 возбх ждения разряда, линзы 6, фот(шриемник 7, радиочастотную катушку 8, узкополосный усилитель 9, синхронный детектор 10, генератор 11 модуляции, радиочастотный генератор 12, систему 13 регистрации частоты,Предложенный магнитометр работает следующим образом.Циркулярно поляризованный свет лампы, содержащей щелочной металл, производит оптическую ориентацию атомов этого же металла, находящегося в камере поглощения, с преимущественным заселением, например, уровня пг;=+1/2 этих атомов. При столкновениях этих оптически ориентированных атомов щелочного металла с атомами гелия - 4, метастабильное состояние которых создается слабым (обычно импульсным) высокочастотным разрядом, происходит ионизация атома щелочного металла и переход метастабильного атома гелия в основное состояние, Вследствие закона сохранения полного спинового момента количества движения этот процесс разрешен только для метастабильных атомов гелия - 4 с проекцией полного спинового момента т;=О, - 1. Для метастабильпых атомов с пг,=+1 этот процесс запрещен и столкновения будут упругими. В результате создается избыточная населенность метастабильного уровня гелия - 4 с т,=+1.При возбуждении магнитного резонанса метастабильных атомов гелия - 4 на ларморонской частоте о=-уНО (Нов измеряемое магнитное поле, у - гиромагнитное отношение метастабильных атомов гелия - - 4) происходит выравнивание населенностей зеемановских подуровней этого состояния, Это приведет к увеличению числа актов ионизации щелочного металла, что, в свою очередь, вызовет уменьшение степени ориентации атомов щелочного металла и, следовательно, изменение интенсивности света накачки, прошедшего через камеру поглощения и регистрируемого фотодетектором.Спи с фотодетектора ня частоте модуляции постугиет ня узкополосный усилитель и далее ня синхронный детектор. 11 апряженис на выходе синхронного детектора служит для подстройки частоты радиочастотного генератора к резонансному значению (о= 1 НоВследствие того, что свет накачки не взаимодействует непосредственно с метастабильными атомами гелия - 4, в предлагаемом магнитометре отсутствуют световые сдвиги частоты, а также связанная с ними ориентапцонная зависимость результатов измерений. Это существенно повышает точность при абсолютных измерениях и открывает возможность проведения точных измерений магнитного поля и его вариаций с подвижных и вращающихся платформ,Отсутствие светового уширения резонансной линии метастабильных атомов гелия - 4 приводит, кроме того, к увеличению точности и чувствительности магнитометра не менее, чем на порядок,Формула изобретения1, Квантовый магнитометр с оптической ориентацией метастабильных атомов гелия - 4, содержащий лампу накачки, циркулярный поляризатор, камеру поглощения с гелием - 4 и фотоприемник, расположенные на одной оптической оси, высокочастотный генератор возбуждения разряда, радиочастотную катушку, охватываощуо камеру поглощения, с подключенным к ней радиочастотным генератором и систему регистрации частоты, отличающийся тем, что, с целью устранения ориентационной зависимости результатов измерений и повышения точности за счет устранения возмущений атомов, дающих вклад в магнитный резонанс, камера поглощения дополнительно содержит щелочной металл, лампа накачки содержит такой же щелочной металл, причем фотоприемник и циркулярный поляризатор выбраны на длину волны света накачки введенного щелочного мсталла.2. Магнитометр по п. 1, отл и ч а ю щи й с я тем, что в качестве щелочного металла, введенного в камеру поглощения и лампу накачки, выбран рубидий или цезий,578630 Заказ 2319/11 Изд. Ы 847 Тираж 1109 11 ПО Государственного княитсти Совета Министров СССР по делагя изоб 1)стсний отк 1)ытий 11335, Москва, Я(-35, Раугиская наб., д. 4/5