Трехкомпонентный квантовый магнитометр

оч 789956 Союз Советских Социалистических Республик(61) Дополнительное к авт. саид-ву(22) Заявлено 27.10.78 (21) 2678290/18-21 (51)М. КЛ. с присоединением заявки Ио -(23) Приоритет С 01 К 33/08 Государственный комитет СССР но делам нзобретеннй н открытиИ(72) Авторы изобретению Ю.К.Доломанский и В.М.Рыжков Ордена Трудового Красного Знамени институт геофизикиУральского научного центра АН СССР(54) ТРЕХКОМПОНЕНТНЫИ КВАНТОВЫИ МАГНИТОМЕТР Изобретение относится к измерительной технике геофизике и предназначено для измерения трех компонент слабого магнитного поля.Наиболее близкие предлагаемому магнитометры с оптической накачкой основаны на эффекте Ханле.и предназначены для измерения слабых магнитных полей в магнитном экране.Общим элементом этих устройств является квантовый датчик, состоящий из источника циркулярно-поляризованногс света накачки, поглощающей ячейки, содержащей атомы рабочего вещества, и Фотодетектора, регистрирующего интенсивность света накачки, прошедшего через поглощающую ячейку, Датчик помещается в центре системы катушек, служащих для создания переменных магнитных полей и для компенсации компонент измеряемого поля к нулю. В условиях, когда внешнее измеряемое поле скомпенсировано до величины, мельшей ширины линии Ханле рабочего вещества, и в месте расположения поглощающей ячейки созданы переменные поля, на Фотодетекторе квантового датчика генерируются сигналы пропорциональные компонентам внещйего поля. эти сигналы исполь 2зуются для автоматической компенсации компонент внешнего поля к нулю.Компоненты измеряются по току компенсации (11.5Недостатком известных устройствявляется то, что амплитуда сигналакомбинационной частоты 5(йаЮ,пропорциональная компоненте ролявдоль луча, содержит множитель г/Я , 10 где Г - ширина линии Ханле. При использовании веществ с малой ширинойлинии (например, рубидия.г/2 У =0,8 Гцили гелия - 3 г/2 Т =6,10 Гц) чувствительность для этой компоненты полу чается значительно хуже,чем по остальным,поскольку для синхронного детектирования практически невозможно использовать слишком низкую частоту ЯВ частности для трехкомпонентного 2(ф квантового магнитометра на парах рубидия при использовании Р /2 К=15 Гцчувствительность по компоненте полявдоль луча накачки получается в 18раз хуже, чем по остальным компонен там. При использовании в таком магнитометре гелиячувствительностьпо этой компоненте получается в2500 раз хуже, чем по остальным.В то же время использование ве ществ с узкой линией Ханле в такихмагнитометрах предпочтйтельнее так как позволяет получить чрезвычайно высокую чувствительность измерений (до 10-фз).Цель изобретения - поньпаение чувствительности по трем компонентам измеряемого поля при использовании рабочих веществ с узкой лийией Ханлв.Указанная цель достигается тем, что а трехкомпонентный квантовый магнитометр, содержащий кнантоныйдатчик, выполненный н виде источника циркулярно-поляризованного света, поглощающей ячейки и Фотодетектора, выходкоторого связан со входами двух избирательных усилителей, каж дый из которых через последовательйо соединенные фазовый детектор, интегратор и потенциометр связан с одной из трехкоординатных систем колец Гельмгольца, дна генератора р на частоты в и .Й , подключенные ко вторым входам фазовых детекторов и к соответствующей системе колец Гельмгольца, последовательно соединенные третий Фазовый детектор, третий интегратор и третий потенциометр, дополнительно введены второй квантовый датчик, идентичный первому, оптическая ось которого ортогональна оптической оси первого квантового датчика, третий генератор на частоту 9 и третий избирательный усилитель, при этом выходы третьего генератора подключены к соответствующей системе колец Гельмгольца и ко второму входу третьего фазового де- З 5 тектора, первый вход которого подключен к выходу третьего избирательного усилителя, своим входом связанного с выходом фотодетектора второго квантового датчика. 40На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.Схема состоит из двух идентичных квантовых датчиков 1 и 2, включающих источники 3 и 4 циркулярнополяризонанного света накачки, поглощающие ячейки 5 и б и фотодетекторы 7 и 8, .и помещенных в центре трехкоординатной системы колец Гельм-,о гольца 9,10 и 11. Оптические оси квантовых датчиков ориентированы взаимно перпендикулярно, например, оптическая ось датчика 1 параллель на оси ОХ, а оптическая ось датчи" ка 2 параллельна оси 02 Выходы генераторов 12,13 и 14 и избирательных усилителей 15,16 и 17 подключены ко входам Фазовых детекторов 18,19 и 20, выходы последних через интеграторы 21,22 и 23 под О ключены к потенциометрам 24,25 и 26.Устройство работает следующимобразом. С помощью генератора 12 и колец 10 н месте расположения датчиков создается переменное поле частоты Ю по оси ОУ; с помощью генератора 13 и колец 11 создается переменное поле на частоте 2 по оси ОЕ, и с помощью генератора 14 и колец 9 создается переменное поле частотыпо оси ОХ. С фотодетектора 7 квантового датчика 1 снимаются сигналы двух частот 5(и) и 5 (Й), причем амплитуда сигналаИФ) пропорциональна Н - компоненте измеряемого поля, а амплитуда сигнала 5 (Л ) пропорциональна Н - компоненте изме ряемого поля. Сигнал 5 (й) усиливается избирательным усилителем 15 и подается на сигнальный вход фазового детектора 18, на опорный вход которого подается сигнал от генератора 12. Выход фазового детектора 18 через интегратор 21 поступает далее н кольца 10, обеспечивая автоматическую компенсацию Нкомпоненты к нулю. Сигнал 5 (Я ) усиливается избирательным усилителем 16 и подается на сигнальный вход фазового детектора 19, на опорный вход которого подается сигнал от генератора 13Выход фазового детектора 19 через интегратор 22 поступает далее в кольцо 11, обеспечивая автоматическую компенсацию Н компоненты ктнулю. С фотодетектора 8 квантового . датчика 2 снимается сигнал 5 (9), амплитуда которого пропорциональна Н компоненте измеряемого поля. Этот сигнал усиливается избирательным усилителем 17 и подается на сигнальный вход Фазового детектора 20, на опорный вход которого подается сигнал от генератора 14. Выход фазового детектора 20 через интегратор 23 поступает далее в кольца 9, обеспечивая автоматическую компенсацию компоненты к нулю.Компоненты внешнего поля Н, Н и Н измеряются по току компенсаХции с помощью потенциометров 24,25, и 26, соответственно.11 редлагаемое устройство обеспечи-" вает одинаково высокую чувствительность по всем трем компонентам измеряемого поля при испольэованйи рабочих веществ с узкой линией Ханле.Формула изобретенияТрехкомпонентный квантовый магии тометр, содержащий квантовый датчик, выполненный н виде источйика циркулярно-поляризованного света, поглощающей ячейки и фотодетектора, выход которого связан со нходами двух избирательных усилителей, каждый иэ которых через последовательно соединенные Фазовый детектор, интегратор и потенциометр связан с одной иэ789956 ВНИИПИ аказ 9036/48 Тираж 1019 Подписное Филиал ППП "Патентф, г. Ужгород, ул. Проектная,трехкоординатных систем колец Гельмгольца,два генератора на частоты щи Я , подключенные ко вторым входамФазовых детекторов и к соответствую-,щей системе колец Гельмгольца, последовательно соединенные третий фазовый детектор, третий интегратор итретий потенциометр, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности по трем компонентам измеряемого поля при использовании рабочих веществ с узкойлинией Ханле, в него дополнительновведены второй квантовый датчик,идентичный первому, оптическая оськоторого ортогональна оптической оси первого квантового датчика, третий генератор на частоту о и третий избирательный усилитейь, приэтом выходы третьего генератора подключены к соответствующей системекольца Гельмгольца и ко второму входу третьего фазового детектора, первый вход которого подключен к выходутретьего иэбирательного усилителя,своим входом связанного с выходомфотодетектора второго квантовогодатчика.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1.Геомагнитное приборостроение.И., "Наука", 1977, с. 9-15.15