Квантовый магнитомер

ОП ИСА НИ Е ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ1) 60047 6 аоз Ьавйех Социалистических Республик(22) 3 е т в но 12.04.7 присоединением зая сударственный комитет 23) Прно тет овета Мнннстров СССРло делам изобретений Ь )с), ),стс н ), .х,(43) Опубликовано 3(72) Авторы пзобретения Шуш панов В. Гордеев, И. Е. Гринько, П. С. Овчаренко 71) 3 я я ) итс)нКВАН 1 ОВЫЙ МЛ 1 НИТОМГЛР Изобретение относится к магнитомстрам, в основе работы которых лежит явление магнитного резонанса ядер, и может быть использовано как в области магнитометрии, так и в области измерительной техи при создании прсцизионн,)х датчиков углового положения.Известны схемы квантовых магннтометров, основанные на измерении частоты прецессии атомов рабочего вещества датчика в исследуемом магнитном поле, на измерении разности фаз или тока, в компенсирующей катушке, пропорциональных разности между частотой прецессии и частотой опорного генератора.Известен квантовый магнитометр с оптической ориентацией ядер, нзмсрякнцнй составляющие постоянного магнитного поля, псрпснднкулярныс резонансному переменному м а гн итному полю.Магнитометр содержит ячейку поглощения, наполненную двумя изотопами ртути 11 д)юю и Нд", спектральную лампу со смесью изотопов Нд" и 1-1 д-" генератор возбуждения спектральной лампы, газовый фильтр, линейные поляризаторы, л/4-пластинку, анализатор, катушку постоянного магнитного поля, катушку поля модуляции, катушку обратной связи, компенсирующую катушку, источник постоянного тока, фотонриемннк, усилнтел.,рсжекторный фильтр, опорный геп,первый и второй дслитслн частоты, фазовыйн синхронный детекторы,Ячейка поглощсння находится в постоян 5 ном (Ню) и псрсмснном (Н,) магнитных полях, пардллсльных друг другу, причем частота сюю псрех)снного магнитного поля равна илнблизка к чдстотс прсцсссин ядср в поле Ню.Если поле 11 ю и поле Н, строго пдряллсльны,10 ядерный мдп)нтный резонанс на частоте сею=="11 ю отсутствует (у - гнромагнитное отношение ядер), Прп наличии поперечного постоянного магнитного поля Н, возникает магннтныи резонанс ядср нд частоте модулпруюГ 5 щего поля Ннричсм вели рсгнстрнрулого фотодстсктцром снпгдлд пропорциональная вслнчннс ноля Н,. с 1) вствнтсгп ностьгдкого мдгнтцмстрд к нцнсрсчным составл)ю)цм .с)дгнт)цгс) ноля догГдст 10э.С дру)о) стороь), нояв,)синс нц)тсрсчных кполю Н коми мдп)нтцгц ноля эквивалентно углцвому ряссцглдсовдн)по между посто 5)нныл н нсрсх)сины полямн, а возникающий сигнал пропорционален этому рассогла 25 сованию. Таким образом, нд одзс рассмотренного магннтомстра может оыть создан высокочувствительный датчик углового рассогласования.3 Целью нзооретсния является расширение0 фунсцнонд,)ьнх озмо)кностсс) мс)гннтомст 6004971)д, конкрстно Обсспсченнс Возчнкнос 1 И нсГОЛЬЗОВДННЯ СГО ТсКЖС В Кссствс НРСЦНЗНОНного датчика углового шло)кения.ЦЕЛЬ дОСТИГдЕТся ТСМ, ЧТО В ЧсГННТО)С рВВСДСНЫ М 1 ГННТОС 1 сТНССКН 1 ЭКРДН, ОКРУЖД 0- 531 НЙ 5 ЧЕЙКГ НОГЛОНСНН 51 Н УКзсННЫС КДТГНкн, нерскл 0 сТел, первый контакт которгосоединен с выходом первого делителя часто -ты, ВТОРОЙ - с катУшкой посто 51 ППОГО мсГннтНОГО поя, 2 трстий - с (атушкОЙ моду л 51 цни 10ПОЛЯ, ПРИс 1 ЕЧ К 2 ТУШК 2 Ч 10 ДУЛЯЦНИ НОЛ 51 ВЫНОЛНСЕ 12 С ВОЗМО)КНОСТЬО ПОВОРОТс В НВПР 2 Вленни, перпендикулярном ес оси.На чертеже дана схема предлагаемогоквантового магнитометра. 15Он содержит ячейку 1 поглощения, катушку 2 постоянного магнитного поля, катушку3 компепсацш изменения поля Но, катушку 4обратной связи, катушку 5 поля чодуляцнн нспектральную лампу 6, генератор 7 возбу)кдснпя спектралиОЙ Лампы, гдзовыЙ фн;1 ьтр8, линейные поляризаторы 9 - 11, Ц 4-пластинку 12, линейный анализатор 13, фотонрнемник 14, усилитель 15, режекторпый фильтр16, опорный генератор 17, делители частоты 2518, 19, Фазовый детектор 20, синхронныйдетектор 21, источник Постоянного тока 22,псреключатсль 23 на два положения, магиитостатнчсский экран 24.Предложенный магнитометр рдботдст слс- З 0дующим ООразОм.В случае, когда замкнуты контакты 1 и 11переключателя 23, а магнитостатпческий экран отсутствует, устройство работает как магнитометр и является полным аналогом прото- З 5типа, В случае, когда замкнуты контакты 1 и11 переключателя 23 и установлен магнитостатический экран, представленное устройство работает как датчик углового рассогласования ме)кду полем Но и полем Н. 40Работа магнитомстра в качестве датчш(аУГ:ОВОГО ПОЛО)КЕНИЯ 32 КЛосДЕТС 51 В СЛСДЧ 10 щем,Пусть в исходном положении поле П создаваемое катушкой 2 и поле НЕ, создаваемое 45катушкой 5 соосны. Резонансное нсполяризованное излучение, создаваемое спсктральнойлампой 6, отразившись от линейных поляризаторов 10 н 11, проходит через ,/4-пластинку12, поляризуясь по кругу, н попадает на ячейку поглощения 1, осуществляя оптичсскуоориентацшо мапппных моментов ядер обоихизотопов в направлении поля По. Дстсктирующий луч света, создаваемый той жс спектральной лампой 6, проходит через фильтр 8,линейный поляризатор 9, поглощающую ячейку 1, линейный анализатор 13 и попадает нафотоприсмник 14. Плоскость поляризации дстектирующсго луча модулируется попсрсчнымн компонентами ядерной намагниченности счастотами прецессии о и (о 2. Сигналы на частотах прецессии о и (о 2, выдслснныс фогоприемником 14, усиливаются в усилителе 15н подаются на сигнальные входы фазовогодетектора 20, синхронного детектора 21 и на 05 Вход рс)ксктрно (нгьр 3 16. Сн Идл 1 ЕСТОТС О)Ь НрЙдя рСЖСКТОрНЬЙ 1 НГПГр 16, создаст в катушке 4 обратной связи нсрсмен- НОС МВГННТНОС ПОЛЕ, НОДДСР;КН 13210 ЦСС 3 ЕЗс 1- ухдОнуо нрецсссню ядер 1 п-о Пд частоте о)го т. с. П 1 чстстс о ВОбужддстся Гс 3 ср 1- ТР, КОТОРЫЙ НсЗЫ ВаС ГС 51 ЯДЕРНЫМ СПИН-ГСНС- ратором. Сигнал иа частоте прецессии о 51 дер 11 ЯноддВлЯГГГсЯ рсжекторным фильтром 16, настроенным на частоту о. Цепь стабилизации поля Но, включающая фазовый детектор 20 и компенсирующую катушку 3, приводит в соответствие частоту о с частотой о)о), являющейся опорной для фазового детектора 20. 1 ри достижении равенства о,=(оо, автоматически устанавливается равенство (о= оо (Где (о - частота модулирующего поля П поскольку отношение к- эффнцнентов деления первого делителя частоты 18 и второго делителя частоты 19 равно отношению иДромагнитных отнипсннй ядер 1 сс-"1 и .д 9.Таким ооразом, созданы условия для возбу)кдсния выну)кдснной прецессии па частоте о). Прн соосности поля Но н поля Н, отсутствует поперечная к полю Пкомпонента модулирующего поля Пь вызывающая прсцсссню магнитного момента 1 д 9 вокруг поля, н сигнал прецессии на частоте о, нс наблюдается. При повороте катушки 5 модулируощего поля П Па угол ср вокруг осн х появляется поперечная к полю Но компонента модулирующего поля Н,=Н, 3 П(р, а на выходе усилителя 15 появляется сигнал на частоте о 1, пропорциональный величине П Впр. Этот сигнал на синхронном детекторе 21 сравнивается с сигналом на частотс модулируюшсго поля Н, поступающей с выхода делителя частоты 18, и иа выходе синхронного детектора 21 появляется сигнал, пропорциональный углу поворота катушки модулирующего поля 5 вокруг оси х. Если катушка 5 модулирующего поля Н будет иметь степень свободы вокруг оси у, то на выходе синхронного детектора будет регистрироваться сигнал, пропорциональный углу поворота катушки 5 модулирующего поля Н, вокруг оси у.11 рн реализованной чувствительности магнитометра, равной 1 10 -э в поле 11 о- -- Н=1 э, чувствительность устройства к повороту катушки 5 составляет 57,3 10 -угл. град, = 2 10 -угл. с, Достоинством предложенного устройства по сравнению с известным является то, что оно может решать более широКий КРУГ ЗсДсс И Мо)КСТ НДЙН ПРИМСНСНИС НС только в мапштометрин, но и прн решении КОМПЛЕКСНЫХ За;11, СВЯЗДННЫХ С МаГНИтНЫМИ н прецизионными углПымн измерениями.Формулд нзоорстснняКвантовый магнитометр, содержащий ячейку поглощения, катуцку постоянного )дгнитного поля, катушку компенсации изменения э 1 ОГО ПО;151 катушку чоду;1 яипн поля, исто 1- ННК 110 СТ 051 ННОГО ТОКа, СНСЮГР 1 ЛЬНУО ЛсЧПУ,.оставитлв ВЧД 51 оршинсхрсл И. Михайлова с.актор Н. 1 вда оррсктор Л, Орлова кал 120151 лл. ЗТО Гогу;арствснного ко 1 ннтст но пслан наобрст 113035, Москва, Ж, Тира)к ТОВСовта .)1 нннстров нй н откр.тн аунскнв най. л одннснос ПРф5) .-)1(сие 1)1 т)1) ВОЯО ж сии 5 спек ря: ьио л 1., ц 1, газовый фильтр, лицеи;ые полрцзяоры диалцзатор, ,14-пластицку, фотоирцемццк, усилитель, рсжекторцый фил 1 тр, катушку ОО- ратной связи, опорный генератор, первый и второй делит лц частоты, фазовый и сиикроццый детекторы, отличающийся тем, что,раси цреиия его ф) икциоиальць 1:; возможностей, в него введены магццтостдти;, к:и зкряц, к;ру)кдО)ци 1 ячейку поглоц)е 5 ця ц ук.:.ПП 1:1 с кат, шкц, псрексг 10 чяель, ИерВЫП О 1 ТЯК 1 кцтОрОГО СОЕдццсц С ВЫКОдо) первого .)с 1 итсля частоты, второй - с кятмш ко Постояицого .нд)цитпого по,я, 1 тт)стиЙ - .с катушкой модуляции поля, причем катушка модул)яццц поля вы 1 О,)пси;1 с возможиость)о поворота в ияпрявлеиии, псрпеидикулярцом сс оси.