Квантовый магнитометр с оптической накачкой

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 3.6.01.73с присоединением заявк 1)М Ксударстаенный комите оаета Министров СССР по делам изобретенийи открытий 23) Приоритет43) Опубликовано 05,12,76,)бюллетень 445) Дата опубликования описания 19.01,7 К 550,838 (088.8)(54) КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР С ОГТИЧЕСКОИ НАКАЧКОИ зобретение относится к области к овой магнитометрии.Известны квантовые маг арах щелочных металлов, в ользован принцип оптичес итометры которых и й накачки иовного состодов осн,Втатдетект о поля и тической величинои постоянного магниториентацией относительно негооси измерительного канала,Бель изобретения - устран их магии ания пер поляризоваттт с парами ярньие завис и лам ения мер ) и умен с е, повышеие линейной ю шкалы в с результата измере ния зависим ичины магнитного поля от ориент ческои аора изме- тенсационльно ве магнитометра относите кт ряемого магнитного поля - ком ный метод.В магнитометрах используют ре или шесть резонансных ячеек рабочего веществ, имеющих св ре; истрации резонанса, соединен образом, чтобы ориентационные сти каждого из каналов взаимно сировались. Такой метод компен бует точного поддержания парам Это достигаетсмагнитометре сисля выполнена в вид лагаемо тем что в преема возбужденияе точечного дип е, четыадиопоя илиитанных рам 0 системы диполейпараллельно дипо костями поляриза ух зап нап нал е таким висимоогональными пл е я ячейкалей, накачка и), резонаиндукции расположена в зо и детектирование неполяризованным мпе ствляетс еходов ос том, ав сации треетров всех е магиидетектирования перехо яния щелочных атомов метрах для накачки и ходов применяют цирк ный свет газоразрядн рабочего вещества, а вых зон (зон отсутст аналов, что практически сложно, особенношироком диапазоне значений измеряемого поля, иэ-за частичного или полного прекрытия группы близких по частотам переходов, образующих рабочий резонанс,частоты и амплитуды которых меняются ти результатов измерения от орие ции магнитометрэв в пространс ние чувствительности и получе по измеряемому магнитному п 5 квантовом магнитометре с опткачкой.тометра измеряется разность частот двухпереходов между состояниями сверхтонкойструктуры рабочего вещества.На фиг, 1 показана блок-схема предлагаемого магнитометра; на фиг. 2 - струк- Ьтура уровней основного состояния щелочного атома с ядерным спином 1=3/2 вслабом магнитном поле и расположение вшкале частот, разрешенных правилами от 10бора переходов; яа фиг. 3- пространственная конфигурация поля.Магнитометр содержит спектральнуюлампу 1 неполяризованного источника накачки,.резонансную ячейку 2 с парами рабочего вещества, установленные так, чтосвет от спектральной лампы попадает нафотоприемник 3 через резонансную ячейку,Система 4 возбуждения радиополя выполнена в виде дипопя или двух параллельнозапитанных диполей и размещена около резонансной ячейки таким образом, чтобыпоследняя находилась в зоне индукции дипопей. Спектральная лампа, резонанснаяячейка, фотоприемник и система возбуждения радиополя помещены в термостат 5.Система возбуждения радиопопя связана с блоком 6 формирования частот переходов, к входным цепям которого присоединены опорный генератор 7 и перестраи- З 0ваемые генераторы 8 и 9. Входные цеписистем 1 О, 11 автоматической подстройки частоты подключены к фотоприемнику,а выходные цепи - к перестраиваемымгенераторам, Частотомер 12 присоединен 35к блоку формирования частот переходов,причем между спектральной лампой и резонансной ячейкой установпена ячейкфильтр 13,Известно, что разность населенностей 40между состояниями сверхтонкой структурыможет быть достигнута и контролироваться при облучении рабочих паров неполяризованным светом источника, содержащегоспектральные компоненты, вызывающие 45переходы преимущественно с одного уровнясверхтонкой структуры в возбужденные состояния. Отсутствие поляризации в светенакачки приводит к тому, что вероятностипоглощения света накачки атомами в ос- Яновном состоянии не зависят от направления распространения света накачки относительно вектора измеряемого магнитногополя, и позволяет осуществить накачку,независящую от ориентации, и контроль Жнаселенностей магнитных подуровней, принадлежащих одному сверхтонкому состоянию.Все магнитные подуровни тподногоиз сверхтонких состояний (фиг, 2) приоб ц 0 ретают в результате действия света н. качки населенность, избыточную по отношению к населенностям магнитных шауровней второго сверхтонкого состояния, и этот процесс не зависит от ориентации постоянного магнитного поля. Частоты переходов Ь Р = 1 л т = +1,0 зависят от величины постоянного магнитного поля Н, и при малых попях с точностью до квадратичного члена могут быть записаны в виде+Во 1(ду дуНо2 где, ) и ВВ, - постоянные для рабо=чего вещества, а Мо - частота расщепления сверхтонкой структуры рабочего вещества.На фиг. 2 обозначены разрешенные переходы между состояниями сверхтонкойструктуры и взаимное расположение соответствующих резонансов в шкале частотдпя случая вещества с ядерным спином1=3/2 (например Я ц 87 или К), Разностнаячастота, двух переходов, симметричных относительно частоты перехода Р, тт, = О"Угщ= О (например В, Ъ 4 фиг, 2)е,линейно зависит от величины постоянногомагнитного поля Но и не содержит вявном виде зависимости от частотыЯ сверх=тонкого расщепления М- 4 =2 (тп у+72 и"р )Ночто представляет определенныеудобства для метрологии,Частоты линий 3, Ь 4 имеют максимальную и противоположную одна другойпо знаку зависимость от величины магничного поля, и применение для измерений вмагнитометре разностной частоты этихдвух переходов позволяет получить выигрыш в чувствительности в 2( У + 72 ) раза по сравнению с магнитометрами, в которых использованы переходы Ь 7=0 Ьтп = -4.Для возбуждения линий Ьз, О 4 магнитнаякомпонента резонансного радноцоля должна быть ортогональна постоянному полюи для устранения мертвых зон в пределахобразца должно быть создано неоднородное по ориентации радиополе,Предлагаемый магнитометр работаетследующим образом,Спектрапьная лампа источника накачкиимеет в спектре излучения компоненту,совпадающую с линией поглощения в спектре рабочего вещества, соответствующуюпереходам с одного из уровней сверхтонкой структуры основного состояния и 5,ные электронные состояния, Свет спектральной лампы направлен на резонанснуюячейку, содержащую пары рабочего вещества, а прошедший через ячейку свет контролируется фотоприемником,Излучение спектральной лампы источника накачки неполяризовано и все магнитиые состояния тп уровня У= 2 в парахрабочего вещества в резонансной ячейкеоказываются в результате действия светанакачки равномерно опустошенными в пользу состояния У =1, Одновременно изменение населенности. любого из состояний тл Р,7 =2 приводит к изменению прозрачностиячейки для света накачки и регистрируется фотоприемником, Оба эти процесса независят от взаимной ориентации вектораизмеряемого постоянного магнитного поляи направления распространения света накачки, так как последний неполяризован.Система возбуждения радиополя выполнена в виде одного петлевого вибратораили системы петлевых вибраторов (точечных диполей), размеры которых малы посравнению с размерами резонансной ячейки. Резонансная ячейка установлена в зонеиндукции диполей таким образом, чтобы врабочем объеме существовали области сортогональными ориентациями вектора радиополя (фиг. 3), например, для двух параллельно запитанных диполей с ортогональными плоскостями поляризации.Спектральная лампа, резонансная ячейка, система возбуждения радиополя и фотоприемник помещены в термостат, поддерживающий рабочую температуру резонансной ячейки и спектральной лампы, Система возбуждения радиополя запитана отблока формирования частоты переходов,вкотором из сигналов с частотой опорногогенератора и сигналов с частотами перестраиваемых генераторов образуются двасигнаца с частотами М М, соответствующими переходам О , Значение каж 4дой из этих двух частот определяется частотой соотватствуюшего перестраиваемогогенератора и частотой опорного генератора и не зависит от частоты второго перестраиваемого генератора. При совпадениилюбой из двух частот 1с частотойсоответствующего перехода увеличиваетсянаселенность состояния щи соответственно уменьшается интенсивность света,приходящего на фотоприемник.Выходной сигнал фотоприемника поступает на две независимые системы 10и 11 автоматической подстройки частоты,управляющие частотами соответствующихперестраиваемых генераторов, Система автоматической подстройки частоты выполнены по известному принципу экстремума регуляторов и состоят из усилителя сигнала ошибки, сканирующего генератора и с: ронного детектора, выход которого под. :;1, и к исполнительным устройствам со: г: оуюшего перестраиваемого генер; 1.1.,.1:.ц,к: 1.,. сканирующего генератора по : - .:"нхронный детектор и вв ди . , ; .:.цваемый генератор или в бл: , . .:1 я частоты переходов для со . . : ;,"; или частотной модуляции в р:,:.е.: ти связи общеприняты для сис.:-:;1 звтоматической подстройки частоты по линии поглощения в радиоспектроскопии. Системы автоматической подстройки частоты разделяют сигналы ошибок, поступающие с фотоприемника, и управляют частотами соответствующих перестраиваемых генераторов, поддерживая значения их частот таким образом, чтобы частоты выходного сигнала блока формирования частот переходов, поступающие на систему возбуждения радиополя, оставались равными частотам рабочих переходов.Одновременно в блоке формирования частот переходов образуется сигнал с часц той,равной разности частот переходов.Этот сигнал не содержит частоты опорного генератора, а следовательно, и нестабильности частоты опорного генератора, так как обе частоты поддерживаются равными частотам рабочих переходов с точностью до ошибок следящих систем, Сигнал с разностной частотой поступает на частотомер 12, измеряющий как частоту, так и величину постоянного магнитного поля, вследствие того, что разност, частот бочих переходов изменяетс,;,цц;йнс личиной постоянного магни.:а о .оля",При измерении ориентаци .;кого магнитометра относительно век.г.1,ъ .змеряемого магнитного поля рабочи онансы не изменяют своих частот и с и,. лы резонансов не исчезают. Измерени;,;:.ностной частоты для двух переходов поьлгет чувствительность и создает удобств. отсчета, так как показания частотомера и; опорциональны величине магнитного поля. 1:роме того, устраняется влияние света накачки и температуры резонансной ячейки за счет того, что смещение частот под действием этих причин носит общий характер для всех магнитных подуровней одного сверхтонкого состояния.Такое построение магнитометра возможно для всех щелочных металлов с разрешенной сверхтонкой структурой. Для повы8345 437щения отношения сигнал/шум, и применения веществ с малым сверхтонким расщеплением (например, К) между спектральной лампой неполяризованного источника накачки и резонансной ячейкой с парами рабочего вещества устанавливают фильтр 13, выделяющий одну сверхтонкую компоненту в спектре излучения лампы накачки. Такой фильтр может быть выполнен в виде оптического устройства или в виде ячейки с парами вещества, имеющего необходимую линию поглощения. В этом случае возможны следующие построения: спектральная лампа ЯЬ , ячейка-фильтр ВЬ 7, резонансная ячейка ЯЬ , спектральная лампа МЬ 87, ячейка-фильтр ИЬву 1 Резонансная ячейка ЯЬ 7 , спектральная лампа 1( ; ячейка-фильтр К ; ре 9 741 зонансная ячейка К , Применение ячейки-фильтра улучшает отношение сигнал/ /шум, таккак большая часть света, прошедшего через резонансную ячейку, участвует в процессе накачки и детектирования,формула изобретения Квантовый магнитометр с оптическойнакачкой и детектированием резонанса,состоящий из спектральной лампы неполя 8ризованного источника накачки, резонансной ячейки с парами рабочего вещества, фотоприемника, системы возбуждения радиопопя, помещенных в термостат, и присоединенной к фотоприемнику системы а томатической подстройки частоты, которая связана с перестраиваемым генератором, присоединенным совместно с опорным генератором к блоку формирования частоты 16 перехода, выходные цепи которого подключены к системе возбуждения рацион ля и частотомеру, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью устранения зависимости результатов измерения от ориен тации магнитометров в пространстве, повышения чувствительности и получения линейной по измеряемому магнитному пс лю шкалы, между спектральной лампой неполяризованного источника накачки и резонансной ячейкой установлена ячейка- фильтр, система возбуждения радиополя выполнена в виде точечных диполей, в зоне индукции которых размещена резонанс ная ячейка, а к фотоприемнику присоединена дополнительная независимая система автоматической подстройки частоты, причем обе системы подключены к отдель ным перестраиваемым генераторам, вы- ЗОходные цепи которых присоединены к блоку формирования частот переходов,пуш Заказ 5655/293 Тираж 690 Подписное БНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР о делам изобретений и открытийМосква, Ж, Раушская наб., д. 4/ 3035,П "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная Составитель В, Кар ин Редактор Т, Рыбалова Техред О. Луговая Корректор И. Гоксич