Компонентный электронно-спиновый магнитометр

(51)4 Г 01 К 33/02 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН Л. В. Кирен)льство СССР3,(02, 1981,ство СССР33/02, 1985,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ(71) Институт Физики имского(56) Авторское свидетеУ 890283, кл. С 01 К 3Авторское свидетельУ 1170388, кл. С 01 К 54) КОМПОНЕНТНЬП 1 ЭЛЕКТРОННО-СПИНОЫЙ МАГНИТОМЕТР57) Изобретение может быть испольовано для одновременного измерения рех компонент вектора напряженности постоянного или медленно меняющегося слабого магнитного поляКомпонентный электронно-спиновый магнитометр содержит блок сигналов электронного парамагнитного резонатора,три системы компенсирующих катушек1-3, 4-6, 7-9, магнитные оси которыхвзаимно ортогональны и совпадают сосями ХУ, Е декартовой системыкоординат, катушку О с рабочим веществом, блоки 12-4 автоматическойкомпенсации, измерители 15-17 тока,задающий генератор 19, Фазовращатель 20, аналоговые переключатели18,21 и блок 22 их управления, Компонентный электронно-спиновый магнитометр высокоточен и надежен ввано для одновременного измерения трехкомпонент вектора напряженности постоянного или медленно меняющегося слабого магнитного поля, в том числе компонент магнитного поля Земли, включая измерения в разведочных скважинах, а также измерения в межпланетной среде и во внешней геомагнитосфере, в особенности в инфранизкочастотном диапазоне, где требуетсявысокая временная и температурнаястабильность,Цель изобретения - повышение точности и надежности:магнитометра,На чертеже изображена блок-схемапредлагаемого магнитометра,Магнитометр содержит три системыкомпенсирующих катушек 1-3, 4-6, 79, магнитные оси которых взаимно ортогональны и совпадают с осями Х,У, Е декартовой системы координат,каждая компенсирующая система катушек соответственно состоит из трехпоследовательно соединенных квадратных катушек 1-3, 4-6, 7-9 соответствующие магнитные оси которых совпадают размещенных на кубическом каркасе, цилиндрическую катушку 10 с рабочим веществом, соединенную с входомблока 11 сигналов поглощения ЭПР иразмещенную в центре объема, образованного тремя системами компенсирующих катушек, при этом ось цилиндрической катушки 10 с рабочим веществом образует равные пространственныеуглы с взаимно-ортогональными магнитными осями Х, У, Е трех систем компенсирующих катушек (т.е., ось цилиндрической катушки 10 с рабочимвеществом совпадает с главной диа гональю кубического каркаса), триблока 12-14 автоматической компенсации компонент Х, У и Е вектора напряженности магнитного поля, включающих схемы для усиления, фильтрациии Фазового детектирования сигналовпоглощения ЭПР на первой гармоникечастоты модуляции, схемы Формирования токов компенсации, выходы бло"ков 12,13 и 14 через измерители 15,16 и 17 токов компенсации подключены к соответствующим системам компенсирующих катушек 1-3; 4-6 и 7-9,первый вход блока 12 автоматическойкомпенсации соединен с выходом блока 11 сигналов поглощения, а первые Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольэо 510 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 входы блоков 13 и 14 автоматическойкомпенсации соединены с выходамипервого аналогового переключателя1 8, вход которого соединен с выходом блока 11 сигналов поглощения,задающий генератор 19, выход которого соединен с входом Йаэовращателя20, вторыми входами блоков 13 и 14автоматической компенсации с входомвторого аналогового переключателя21 а также с входом блока 22 управления аналоговыми переключателями,выход которого подключен к управляющим входам первого и второго аналоговых переключателей 18 и 21, выходфазоврашателя 20 соединен со вторымвходом первого блока 12 автоматической компенсации, а также с системой компенсирующих катушек 7-9, выходы второго аналогового переключателя 21 соответственно соединены ссистемами компенсирующих катушек 13 и 4-6,Работа магнитометра основана наиспользовании метода ЭПР, Ка раоочее вещество, находящееся в цилиндрической катушке 10, накладываютсязнакоперсменные синусоидальные модулирующие магнитные поля, создаваемыегремя системами компенсирующих катушек 1-3, 4-6, 7-9 (они же модулирующие) при помощи задающего генератора19, фазовращателя 20 и второго аналогового переключателя 21, При этомсинусоидальное модулирующее поле,например, вдоль оси Х создается непрерывно и при помощи фазовращателя20 сдвинуто по фазе /2 относительно синусоидальных модулируюших полей,создаваемьгх вдоль осей У и 7, а синусоидальные модулирующие поля вдольосей У и Е при помощи второго аналогового переключателя 21 и б.ока 22управления аналоговыми переключателями включаются поочередно на равныепромежутки времени, кратные периодусинусоидальной модуляции, причем переключение производится в момент прохождения через нуль синусоидальногомодулирующего тОка в соответствующих системах компенсирующих катушек,Таким образом, рабочее вещество находится во вращающемся магнитном поле, причем вращение вектора этого поля неразрывно и периодически перехо.дит из плоскости Х(Л в плоскость УОЕи обратно (в моменты переключения тока модуляции между соответствующимисистемами компенсирующих катушек),Блок 11 сигналов поглощения, соединенный с цилиндрической катушкой 10,использует вынужденную прецессиюэлектронных спинов и выделяет сигналпоглощения ЭПР причем в силу соотФнетстнующей ориентации цилиндрической катушки 1 О с рабочим веществомотносительно взаимно ортогональныхмагнитных осей Х, У и Е систем компенсирующих катушек чувствительностьблока 11 сигналов поглощения к магнитным полям в направлениях Х,У и Еодинакова,Для измерения компонент векторанапряженности магнитного поля применяют компенсационный метод, и котором используется снойство четностилинии поглощения ЭПР относительнознакопеременного магнитного поля,При равных нулю компонентах измеряемого поля четность относительно вращающегося модулирующего поля не нарушается и на выходе блока 11 сигналов поглощения присутствует сигналпоглощения ЭПР н спекторе которогосодержатся только четные гармоникиочастоты модуляции, При не равных нулю компонентах измеряемого поля четность нарушается, и н спектре сигнала появляется составляющая на основной частоте модуляции, имеющая некоторую фазу и амплитуду, Модулирующиеполя вдоль осей У и 2 включаются поочередно, что эквивалентно наличиюв спектре сигнала поочередно меняющихся двух пар сигналов от компонентов Х и У и от компонент Х и Х измеряемого поля, фазы которых совпадаютс фазой соответствующего модулирующего поля, а амплитуды зависят от величины соотнетстнуюц 1 их компонент измеряемого поля, При этом нарушениечетности относительно какого-либознакопеременного модулирующего поля вызывает только та компонента измеряемого магнитного поля, направление которой совпадает с направлением этого модулирующего поля а две другие компоненты измеряемого поля в силу своей ортогональности направлению этого модулируюшего поля не влияют на нарушение четности и, следовательно, не дают вклад в сигнал от этой компоненты.ФПервый аналоговый переключатель 18 при помощи блока 22 управления аналоговыми переключателями поочередно и синхронно с включением соответствующего модулирующего поля вдоль осейУ и Е подключает выход блока 11 сигналов поглощения к первым входамблоков 13 и 14 автоматической компенсации. Таким образом, на каждый изпервых входов блоков 12-14 автоматической компенсации поступают толькосдвинутые по фазе на 9(2 сигналыот компонент измеряемого поля,один из которых обязательно соответствует измеряемой компоненте поля,компенсируемой данным блоком,Блоки 12-14 автоматической компенсации, используя опорные сигналы,поступающие на их вторые входы сзадающего генератора 19 и фазовращателя 20, выделяют из спектра сигнала поглощения ЭПР только первыегармоники частоты модуляции, которыеимеют соответствующую им фазу, аостальные составляющие спектра подавляются. В выходной цепи каждогоблока появляется и поддерживаетсяток такой величины и знака, чтобы спомощью системы компенсирующих катушек скомпенсировать соответствующуюкомпоненту измеряемого магнитногополя, Таким образом, величина постоянной состанляюц 1 ей тока, измереннаяв каждой системе компенсирующих катушек с помощью измерителей 15-17 токапропорциональна величине каждойкомпоненты измеряемого магнитного35, поля, а знак тока указывает направление этой компоненты.Упрощение конструкции магнитометра достигается за счет использо 4 О нания цилиндрической катушки с рабочим веществом,Предлагаемая ориентация оси цилиндрической катушки с рабочим веществом относительно магнитных осей4 систем компенсирующих катушек обеспечивает повышение не менее чем в двараза точности непрерывного измеренияпо крайней мере двух из трех измеряемых компонент магнитного поля и,50кроме того, эквивалентность точностиизмерения компонент, Выполнение каждой системы компенсирующих катушекв виде трех последовательно соединенных квадратных катушек, магнитныеоси которых совпадают, позволяет55,путем увеличения однородности ком,пенсирующих полей не менее чемв пятьраз повысить точность измерений, Кроме того, при заданной точности это1421 Формула и з о б р е т енияКомпонентный электронно-спиновый магнитометр., содержащий блок сигналов ЭПР, три системы компенсирующих катушек с взаимно ортогональными магнитными осями, катушку с рабочим веществом, первый, второй и третий блоки автоматической компенсации, первый, второй и третий измерители тока, задающий генератор и Фазовращатель, причем катушка с рабочим веществом размещена в центре объема, образованного тремя системами компенсирующих катушек и соединена с входом блока сигналов ЭПР, выходы блоков автоматической компенсации 20 Составитель В,ШульгинТехред Л,Олийнык Корректор О,Кравцова Редактор И,Горная Заказ 4428/47 Тираж 772 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий1.13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграФическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4 позволяет сократить размеры систем компенсирующих катушек.За счет применения двух аналого" вых переключателей и блока управления возможны использование одной частоты модулирующего поля и разделение. с одного датчика сигналов от соответствующих компонент, применяя только их сдвиг по Фазе на 7 /2 и тем самым практически устраняя ошибку, связанную с аппаратурным разделением сигналов от трех компонент измеряемого поля, что позволяет повысить точность измерений одной из ком понент на два порядка,через соответствующие измерители тока подключены к системе компенсирую 35 щих катушек, выход Фазовращателя соединен с вторым входом первого блока автоматической компенсации и с системой компенсирующих катушек, соответ 976ствующей этому блоку, первый входпервого блока автоматической компенсации соединен с выходом блока сигналов ЭПР, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точностии надежности магнитометра, он дополнительно содержит первый и второйаналоговые переключатели, а такжеблок управления аналоговыми переключателями, выход задающего генераторасоединен с входом Фазовращателя входом второго аналогового переключателя, входом блока управления аналоговыми переключателями а также с вторыми входами второго и третьего блоков автоматической компенсации, первый вход первого аналогового переключателя соединен с выходом блока сигналовЭПР, а выходы соединены с первыми входами второго и третьего блоков автоматической компенсации, выходы второгоаналогового переключателя соединеныс системами компенсирующих катушек,соответствующих второму и третьемублокам автоматической компенсации,управляющие входы первого и второгоаналоговых переключателей соединеныс. выходом блока управления аналоговыми переключателями, причем катушка с рабочим веществом имеет цилиндрическую Форму, и ее ось образуетравные пространственные углы с магнитными осями трех систем компенсиру.ющих катушек, а каждая из систем компенсирующих катушек выполнена в видетрех последовательно соединенныхквадратных катушек, магнитные осикоторых совпадают,