Магнитометр с оптической накачкой

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 200379 (21) 2737527/18-21с присоединением заявки Йо(5 Цм. кл.з С 01 В 33/09 Государственный комитет СССР по дедам изобретений и открытий) Заявите МАГНИТОМЕТР С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧК диоспекзованоелях. тся к ь испо аучных Известен магнитометр с оптической накачкой, предназначенный для измерения сильных магнитных полей в труднодоступных зазорах магнитных систем, который включает в.себя последовательно расположенные на единой оптической оси спектральную лампу, размещенную между витками индуктора, подключенного к генератору возбуждения разряда, элементы оптики (свето- проводы или линзы), циркулярный поляризатор, охваченную витками радиочастотной катушки поглощающую ячейку с полезным объемом менее 0,1 сми образованную резонансным сосудом, соединенньм посредством капилляра с резервуаром, где размещен запас металла, пары которого подлежат оптическому ориентированию, а также Фотоприемник, связанный через блок управления с перестраиваемым генератором, нагруженным на указанную радио частотную катушку, Для увеличения степени поляризации поглощающая я ка имеет диамагнитное покрытие ст) 20 чей- е 30 Изобретение относи роскопии и может быт метрологических и нНедостатками данного магнитометра являются пониженные точность, чувствительность и диапазон измерения полей. Это обусловлено тем, что поскольку длину капилляра выбирают, исходя из условия некоторого превыаения геометрического времени нахождения атома в резонансном сосуде относительно времени продольной релаксации Т, То, учитывая, что объем резонайсного сосуда чрезвычайно мал, а время релаксации атомов на покрытиях резко возрастает благодаря исключению механизма дипольного взаимодействия, то очевидно, что длину капилляра приходится выбирать достаточно большой. В этих условиях внутренний объем капилляра становится сравнимым с полезным объемом резонансного сосуда, и при возбуждении резонанса часть поляризованных атомов, находящихся в капилляре в условиях целокализованного радиочастотного поля, принимает участие в Формировании спектральной линии, обуславливая ее уширение и нессимметрию Формы. Поскольку спектральная лампа размещена в земном магнитном поле, то при измерении сильных магнитных полей центрлинии излучения лампы и центр линии поглощения атомов в поглощающей ячейке не совпадают что обуславливает появление световых сдвигов, особенно заметных на краю диапазона.Малый диапазон измерения полей ограничен требованием выполнения условия, при котором зеемановское расщепление спектральных линий в измеряемом магнитном поле не должно превышать доплеровской ширины линии излучения спектральной линии. За пределами этой ширины эффективность оптической накачки резко падает.Цель изобретения - повышение точности и чувствительности магнитометра. Поставленная цель достигатся тем,что, в магнитометре с оптическойнакачкой, содержащем расположенныена единой оптической оси спектральную лампу, размещенную между витками индуктора, подключенного к генератору поджига разряда, элементыоптики, циркулярный поляризатор,охваченную витками радиочастотнойкатушки поглощающую ячейку, установленную в зазоре магнитной системыи выполненную в виде резонансногососуда, соединенного посредством капилляра с резеРвуаРом, в котоРомразмещен запас металла, пары которого подлежат оптическому ориентированию, а также фотоприемник, связанный через блок управления с перестраива"емым генератором, нагруженным на радио-З 5частотную катушку, капилляр поглощающей ячейки выполнен металлизированным слоем высокопроводящего металла, гальванически соединеннымс общим выводом перерастраиваемого генератора, причем при радиусекапилляра г длина области Металлизации Ф , отсчитываемая вдоль капилляра в направлении от резонансного сосуда к резервуару, выбрана всоответствии с соотношением: 45гогоЕ ъи ЯТ Ъ 52где 0 - средняя скорость теплового движения атомов;Т, - геометрическое время нахождения атомов в объемерезонансного сосуда,Й - частота сканирования линии магнитного резонанса,Кроме того, слой высокопроводящего металла капилляра снабжен тепловым контактом с любыМ из блоков магнитометра, имеющим температуру более высокую, чем температура пог- .лощающей ячейки, спектральная лампа размещена в зазоре магнитной системы, индуктор выполнен в виде двух витков, каждый из которых ориентирован в плоскости, параллельной 65 плоскости полюсных наконечников магнитной системы,а индуктивностьи емкость С, индуктора выбраны в соответствии с выражением:4 Ь,Си = Ьк Ск 1где 1, С - индуктивность и емик Икость индуктора;С - индуктивность и емкч ккость задающего контура генератора поджига. На чертеже представлена функциональная схема магнитометра.Магнитометр с оптической накачкой включает в себя расположенные последовательно на единой оптической оси спектральную лампу 1, установленную в зазоре магнитной системы 2 и размещенную между витками индуктора 3, подключенного к генератору 4 поджига разряда, элементы 5 оптики (световоды), циркулярный поляризатор б, охваченную витками радиочастотной катушки 7 поглощающую ячейку с диамагнитным покрытием стенок и полезным объемом менее 0,1 см, образованную резонансным сосудом 8, соединенным посредством капилляра 9 с резервуаром 10, где размещен запас металла, пары которого подлежат оптическому ориентированию, и фо 1 оприемник 11. При этом капилляр поглбщурщий ячейки защищен слоем 12 высокопроводящего металла. Кроме этого, выход фотоприемника связан с блоком 13 управления, который через перестраиваемый генератор 14 соединен с радиочастотной катушкой и системой 15 съема информации, причем общий вывод перестраиваемого генератора гальванически связан с слоем высокопроводящего металла, защищающего капилляр поглощающей ячейки.Магнитометр работает следующим образом.Высокочастотный генератор 4 с помощью индуктора 3 возбуждает высокочастотный безэлектродный разряд в спектральной лампе 1, обеспечивая интенсивный поток резонансного света в направлении оптической оси прибора, Проходя череэ циркулярный поляризатор б, свет приобретает циркулярную поляризацию и, попадая (под углом 45 к направлению измеряемого поля) на резонансный сосуд 8 поглощающей ячейки, осуществляет в ьем нэляри; зацию атомных спинов. Макроскопй%ески это проявляется в изменении,оптической плоскости атомного пара и, как следствие, приводит к некоторому определенному уровню засветки фотоприемника 11При этом поскольку диамагнитное покрытие внутренних стенок имеется не только в области резонансного сосуда 8, но с необходимостью присутствует и в капилляре 9 на протяжении всей его длины, тоФормула изобретения поляризованные в резонансном сосуде8 атомы через механизм тепловогодвижения проникают из резонансногососуда 8 в капилляр 9, создавая определенное распределение поляризации по его длине.5Если далее на радиочастотную катушку 7 подается с помощью блока 13 управления от перестраиваемого генератора 14 высокочастотное напряжение начастоте, равной частоте процессии атомо1ных спинов в измеряемом магнитном поле Х =7 НО( - гидромагнитное отношение атома в поле Но), то в системеориентированных спинов наступает магнитный резонанс. Наличие резонансафиксируется по максимуму электрического сигнала, снимаемого с нагрузкифотоприемника 11, В связи с тем, чтослой 12 металла , защищающий капилляр9 ячейки, гальванически связанный собщим выводом перестраиваемого генератора 14, образует электромагнитныйэкран, то при возбуждении резонансарадиочастотное поле, создаваемое катушкой 7 в окрестности поглощающейячейки, не может проникнуть в обаем 25капилляра. Тем самым атомы, находящиеся в капилляре, не испытывают резонансного перехода и, следовательно,не дают вклада в ширину и форму линии магнитного резонанса,30При сканировании линии резонансас частотой Я, осуществляемого с помощью блока 13 управления, сигналмагнитного резонанса соответствуетминимуму сигнала первой гармоникинапряжения частоты сканирования, снимаемого с нагрузки фотоприемника 11Подстройка частоты перестраиваемогогенератора 14 под центр линий поглощения магнитного резонанса в этомслучае осуществляется с помощью системы автоматической подстройки частоты,В этих условиях длину областиметаллизации ( капилляра выбирают,исходя из условия 451 г уиать агде Т - геометрическое время нахождения атома в резонансном сосуде; 50г - внутренний радиус капилляра,0 - средняя скорость тепловогодвижения атомов,В связи с тем, что в процессе работы генератора 4 поджига разряда корпус его прогревается, то за счет имеющегося теплового контакта со слоем12 высокопроводящего металла, защищающего капилляр 9, последний такжепрогревается до более высокой темпе- щратуры, чем окружающая среда. Этообуславливает возникновение отрицательного градиента температуры в направлении от колбы к резервуару 10, иследовательно, исключает нежелательное явление миграции металла, находящегося в резервуаре 10, в резонансный сосуд 8,Поскольку спектральная лампа 1находится в том же измеряемом поле,что и поглощающая ячейка, то при изменении номинала поля центры линии поглощения ячейки и излучения лампывсегда совпадают, что, с одной стороны, исключает наличие световых сдвигов, обязанных виртуальным оптическим переходом атомов, а с другойЬбеспечивает эффективность накачкии, следовательно, работоспособностьмагнитометра в диапазоне магнитныхполей, значительно превышающих доплеровскую ширину линии излучениялампы.Для исключения явления неустойчивости и нестабильности горениявысокочастотного беззлектродногоразряда в сильном магнитном поле витки индуктора 3 развернуты таким образом, чтобы обеспечить относительную параллельность векторов переменного электромагнитного поля, создаваемого индуктором 3, и постоянного, создаваемого магнитной системой,При этом для увеличения яркостигорения спектральной лампы 1 путемповьыения частоты колебаний, на которой возбуждается разряд (когда засчет уменьшения толщины скин-слоясветящейся плазмы резко уменьшаетсясамопоглощение спектральных линийизлучения), индуктор 3 настраивается на вторую гармонику напряжения,выдаваемого генератором 4 поджигаразряда, что выполняется, если междуиндуктивностью и емкостью задающегоконтура (ЬС ) и индуктивностьюи емкостью индуктора ( ЬС )соблюдено соотношение4 Ь, Сд =Ь С 1, Магнитометр с оптической накачкой, содержащий расположенные на единой оптической оси спектральную лампу, размещенную между витками индуктора, подключенного к генератору поджига разряда, элементы оптики, циркулярный поляризатор, охваченную витками радиочастотной катушки поглощающую ячейку, установленную в зазоре магнитной. системы и выполненную в виде резонансного сосуда, соединенного посредством капилляра с резервуаром, в котором размещен запас металла, пары которого подлежат оптическому ориентированию, а также фотоприемник, связанный через блок управления с перестраиваемым генератором, нагруженным на радиочастотную катушку, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности капилляр поглоЫ 3344 20 Составитель Е Техред Н.граб анили Редактор Л, Повха Корректор Г. Решет аказ 768 58 раж 732арственного комитета ССизобретений и открытийЖ, Раушская наб., д писное ВНИИПИ Госуд по делам 113035,- МоскваФилиал ППП фПатент, г. Ужгород, ул. Проектна щающий ячейки выполнен металлизированным слоем высокопроводящего металла, гальванически соединенным собщим выводом перестраиваемого генератора, причем при радиусе капилляра г длина области металлизацииотсчитываемая вдоль капилляра внаправлении от резонансного сосудак резервуару выбрана в соответствиис соотношением:2. 2 0 "оцггде О - средняя скорость теплового движения атомов;Т - геометрическое время нагхождения атома в объемерезонансного сосуда;- частота сканирования линии магнитного резонанса,2. Магнитометр по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что слой высокопроводящего металла капилляра снабжен тепловым контактом с любым изблоков магнитометра, имеющим температуру более высокую,.чем температура поглощающей ячейки,3, Магнитометр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что спектральная лампа размещена в зазоре магнитной системы4. Магнитометр по пп. 1 - 3, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что индуктор выполнен в виде двух витков, каждый из которых ориентирован в плоскости, параллельной плоскости полюсных наконечников магнитной системы, а индуктивность Ь и емкость С индуктора выбраны в соответствии с выражением: 41. Си= ЬСк где Ь и С, - соответственно индуктивность и емкость индуктора;Ь С - соответственно индуктивность и емкость задающего контура генератора поджига. Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе 1. Патент СШЪ У 3786340,кл. 324-05, 1974