Optisches Magnetometer
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Magnetometer unter Ausnützung der optischen Absorption in Quantensystemen, die Präzessionen in einem magnetischen Gleichfeld unbekannter Feldstärke unterliegen und unter Anwendung einer der Absorption durch eine Zelle unterliegenden optischen Strahlung, deren Spektraleigenschaften so sind, dass eine unterschiedliche Absorption durch die magnetischen Unterniveaus der Quantensysteme erfolgt.
Dieses Magnetometer bildet einen von der Orientierung unabhängigen optischen Magnetometer-Oszillator, der bei Erduntersuchungen von einem Flugzeug aus Anwendung finden kann.
Im schweizerischen Patent Nr. 364 843 ist ein optischer Magnetometer-Oszillator beschrieben, der auf quantenmechanischen Vorgängen bei optischer Absorption beruht. Ein derartiger Oszillator umfasst eine Absorptionszelle, in der sich Atome oder andere Quant ensysteme befinden, die einen Grundzustand oder metastabilen Zustand von hoher Lebensdauer aufweisen, wobei in einem magnetischen Gleichfeld, beispielsweise dem Erdfeld, die genannten Zustände in eine Vielzahl magnetischer Unterniveaus aufgespalten werden.
Die Quantensysteme sind hinsichtlich ihrer Niveaus so ausgerichtet, dass eine erste Gruppe Unterniveaus übermässig stark besetzt ist in bezug auf eine zweite Gruppe Unterniveaus, und diese Ausrichtung ändert sich periodisch durch magnetische Resonanz-Präzessionen der magnetischen Momente der Quantensysteme, so dass die Eigenschaft der Überbesetzung periodisch von der ersten Gruppe Unterniveaus auf die zweite Gruppe Unterniveaus übergeht.
Eine optische Strahlung, welche durch die Absorptionszelle geleitet wird und solche spektrale Eigenschaften, insbesondere in bezug auf Frequenz, Intensität, Polarisation und Richtung hat, dass die Strahlung stärker durch die Gruppe Quantensysteme, die der einen Art von Unterniveaus entsprechen als durch eine Gruppe von Quantensystemen, welche der anderen Art entsprechen, absorbiert wird, erhält auf diese Weise eine periodische und streng definierte Intensitätsmodulation.
Die in der Intensität modulierte Strahlung wird dann durch eine optische Aufnahmevorrichtung aufgefangen und erzeugt in derselben ein hochfrequentes elektrisches Signal, welches verstärkt und auf die Absorptionszelle rückgekoppelt wird, wobei ein magnetisches Wechselfeld von der Frequenz der Präzessionsfrequenz liefert und mit einer solchen Phasenlage zurückgekoppelt wird, dass die Modulation der Strahlung durch die erzwungenen Präzessionen des Quantensystems aufrechterhalten wird. Dadurch erhält man eine kontinuierlich sich selbst aufrechterhaltende Schwingung bei der Frequenz, die durch die Präzessionsfrequenz der Quantensysteme bedingt ist. Da die Präzessionsfrequenz im wesentlichen linear von dem äusseren Gleichfeld abhängt, bildet diese Schwingungsfrequenz ein Mass für die Stärke des magnetischen Feldes.
Das erfindungsgemäss optische Magnetometer ist dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Absorptionszelle und Mittel vorgesehen sind, welche die genannte Strahlung zu der Absorptionszelle leiten und die einen Polarisator aufweisen, der aus zwei Teilen besteht, die verschiedenartig polarisierte Teilstrahlungsbündel erzeugen, derart, dass sie eine unterschiedliche Untermveau-Absorption aufweisen, ferner gekennzeichnet durch ein Wechselfeld liefernde Mittel, welche mit der genannten Absorptionszelle gekoppelt sind, eine Photozelle, die auf die Intensität der Strahlung, welche die Absorptionszelle durchsetzt hat, anspricht, um ein mit der Wechselfeld-Frequenz variierendes Signal, bei dessen Resonanz mit der Präzessionsfrequenz des genannten Quantensystems zu liefern.
Von den verschiedenen möglichen Ausführungsformen wird im nachfolgenden insbesondere auf diejenige Bezug genommen, welche Alkalidampf verwendet, dieselbe hat nämlich die Eigenschaft, dass die spektralen Frequenzen und Präzessionsfrequenzen, bei denen die Intensitätsmodulation des Lichtes erfolgt, in einfacher und wirkungsvoller Weise in ein elektrisches Wechselstromsignal umgewandelt werden können. Von den verschiedenen Alkalimetallen hat ferner Rubidiumdampf den Vorteil, dass die opttimale Zellentemperatur von ungefähr 400 C besonders zum Arbeiten im Freien geeignet ist.
Mit Rubidiumdampf arbeitende magnetometrische Oszillatoren der vorstehend erörterten Art haben sich als sehr zuverlässig bis zu Empfindlichkeiten von etwa 0,01 Gamma erwiesen (1 Gamma = 10-5 Gauss).
Diese Empfindlichkeit ist 10- bis 100mal grösser als Magnetometer, die mit einem Magnetflusstor und mit Protonenpräzessionen arbeiten, wie sie zur Zeit bei geophysikalischen Untersuchungen mittels Flugzeugen verwendet werden. Es war bisher die Anwendungsfähigkeit solcher optischer Magnetometergeräte auf Flugzeuge und andere Fahrzeuge beschränkt durch die nachfolgenden von der Orientierung abhängen den Erscheinungen:
1. Die Phasenverschiebung zwischen dem Rückkopplungssignal, welches der Absorptionszelle zugeführt wird, und der Intensitätsmodulation des Lichtes hängt von der relativen Orientierung der Richtung des resonanzfrequenten magnetischen Feldvektors zu dem magnetischen Gleichfeld und zu der Richtung des Lichtstrahles ab.
Im günstigsten Fall, in welchem der resonanzfrequente magnetische Feldvektor die gleiche Richtung wie der Lichtstrahl hat, ergibt sich eine Phasenverschiebung von +900, wenn der Lichtstrahl in bezug auf die Richtung des magnetischem Gleichfeldes in der einen Hemisphäre liegt, und eine Phasenverschiebung von 900, wenn der Lichtstrahl in der anderen Hemisphäre liegt. Wenn daher die gesamte Phasenverschiebung der Oszillatorschleife zur Aufrechterhaltung von Schwingungen für die eine Raumhemisphäre richtig ist, so ergibt sich ein sogenannter Hemisphäreneffekt, der darin besteht, dass die Phasenverschiebung für die Aufrechterhaltung der Schwingungen nicht richtig ist, wenn das Instrument in die andere Hemisphäre gedreht wird, es sei denn, dass die Phase des Rückkopplungssignales gleichzeitig umgekehrt wird.
2. Die Resonanzlinie, welche die optische Absorption in Abhängigkeit von der Frequenz des magnetischen Wechselfeldes darstellt, das auf die Absorptionszelle zur Einwirkung gebracht wird, ist tat Åaächlich in mehrere dicht beieinander liegende Linien aufgespalten. Da der Absorptionsanteil der verschiedenen Linien nicht gleich ist, ist die gesamte Absorptionslinie unsymmetrisch, wobei die Form abhängig ist von der Richtung des Lichtstrahles in bezug auf das Magnetfeld. Wenn daher das Messgerät gedreht wird, wird ein von der Flugrichtung abhängiger Fehler eingeführt, der auf Frequenzschwankungen zurückgeht, bei denen sich die Schwingungsbedingung einstellt.
Die Erfindung bezweckt, ein optisches Magnetometer zu schaffen, bei dem mindestens eine dieser Quellen einer Orientierungsabhängigkeit im Einfluss verringert wird.
In der beiliegenden Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Magnetometer Oszillatoranordnung,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Magnetometer-Oszillatoranordnung.
In Fig. 1 erzeugt eine Lichtquelle 11 eine aus zwei Teilbündeln bestehende Strahlung, welche die gleiche Absorptionszelle 12 durchlaufen, wobei die Strahlung eine spektrale Strahlung hoher Reinheit ist und zweckmässigerweise durch eine elektrodenlose Entladungslampe erzeugt wird, wie sie im USA Patent Nr. 3 109 960 beschrieben ist. Die Entladungslampe besteht aus einem kleinen Entladungsgefäss 13, welches natürlichen Rubidiumdampf enthält, der zur Erleichterung des Zündens mit Kryptongas vermischt ist; eine äussere Hochfrequenzspule 9 ist eng mit der Entladungslampe gekoppelt, wobei die Spule 9 von einem Generator 20 erregt wird. Die Spule 9 ist zweckmässigerweise an den Generator 20 über eine lange Koaxialleitung angeschlossen, damit möglichst wenig magnetische Störungen vom Generator 20 hervorgerufen werden.
Jeder Lichtstrahl durchsetzt nacheinander ein Interferenzfilter 14, welches die D2-Linie von 7800 AO unterdrückt, während die Dl-I, inie 7948AO durchgelassen wird, zu dem Zwecke, dass der optische Pumpvorgang begünstigt wird; eine aus Kunststoff bestehende Fresnel-Kollimatorlinse 15 leitet die Strahlung durch einen in zwei Teile gespalteten Polarisator 16, 16', zu dem Zwecke, unterschiedliche Absorption in den verschiedenen Unterniveaus hervorzurufen. Eine weitere Kollimatorlinse 17 bewirkt eine Fokussierung auf eine Photozelle 19, die aus einer Vielzahl Silizium-Photozellen besteht, die nach Art von Dachschindeln miteinander verlötet sind, wie dies im kanadischen Patent Nr. 667 048 beschrieben ist.
Ein Teilstrahlenbündel wird von dem Polarisatorteil 16 im Linkssinn zirkular polarisiert und dieser Strahl durchsetzt die Kammer 12' der Absorptionszelle 12. Der andere Lichtstrahl wird von dem Polarisatorteil 16' im Rechtssinn zirkular polarisiert und dieser Strahl durchsetzt die Kammer 12" der Absorptionszelle 12. Die beiden Strahlenbündel treffen auf die Photozelle 19. Die mit der Präzessionsfrequenz intensitätsmodulierte Strahlung, welche von der Photozelle 19 abgefangen worden ist, wird durch diese Photozelle in ein elektrisches Wechselstromsignal derselben Frequenz umgewandelt, welches in einem Verstärker 21 verstärkt und der Absorptionszelle 12 über eine koaxiale Spule 23 in Form eines magnetischen Wechselfeldes zugeführt wird.
Dieses Wechselfeld hält in den Rubidiumatomen erzwungene Präzessionen aufrecht.
Die Absorptionszelle 12 enthält Rubidiumdampf, der vorzugsweise in bezug auf Isotopen angereichert ist und entweder im wesentlichen aus Rubidium 85 oder Rubidium 87 besteht und ein Puffergas wie Neon enthält, zu dem Zwecke, Zusammenstösse mit der Wandung zu verringern und dadurch hohe Re laxationszeiten und dementsprechend schmale Linienbreiten zwecks Erzielung einer hohen Empfindlichkeit sicherzustellen. Im Falle von Rubidium 85 wird das polarisierte und ausgefilterte Licht mit der Präzessionsfrequenz von 4,66 Hz pro Gamma moduliert und im Falle von Rubidium 87 mit einer Präzessionsfrequenz von 7 Hz pro Gamma. Da das durchschnittliche erdmagnetische Feld 0,5 Gauss beträgt, ist die Präzessionsfrequenz von Rubidium 85 gleich 233 kHz.
Das Rückkopplungssignal hat eine Frequenz, welche proportional der Intensität des zu messenden Magnetfeldes ist, und das Signal wird einer Anzeigeanordnung 22 zugeführt, in welcher es mit einem Signal gemischt wird, welches ein kristallgesteuerter Oszillator mit einer Frequenz liefert, die als Bezugsfrequenz geeignet ist und eine Differenzfrequenz bildet, die beispielsweise in einem mit einem graphischen Registriergerät gekoppelten Analog-Ausgangsfrequenz-Messgerät angezeigt wird.
Es können auch andere Verfahren zur Messung der Rückkopplungsfrequenz als Messgrösse für das unbekannte zu messende Magnetfeld Anwendung finden.
Um die Bedingung zur Aufrechterhaltung von Schwingungen zu erfüllen, muss die gesamte Phasendifferenz über die Absorptionszelle 12, die Photozelle 19 und den Verstärker 21 gleich 3600 sein. Es ergibt sich eine Phasenverschiebung von 900 in der Absorptionszelle 12, so dass eine Phasenverschiebung von 2700 in der Photozelle 19 und in dem Verstärker 21 notwendig ist. Für Felder, die grösser als 10 000 Gamma sind, ist die Parallelkapazität der Photozelle äqu ; ivalenten Stromkreis hinreichend zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von 900, so dass in dem Verstärker die Phasenverschiebung 1800 betragen muss.
Wenn das Gerät gedreht wird, so dass die Phase des Wechselstromfeldes in bezug auf das gleichgerichtete Feld umgekehrt wird, so wird die Phasenverschiebung über die Absorptionszelle 12 umgekehrt, beispielsweise von +90 auf 900, und das Gerät oszilliert nicht mehr. Es kann z. B. ein automatischer elektronischer Schalter vorgesehen werden, welcher die Ausgangsverbindungen des Verstärkers 21 umkehrt, wobei die Schwingungen aufhören.
In Fig. 2 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 die gleichen Elemente. Es wird das bekannte Verfahren der Induktionsresonanz mittels eines Hochfrequenzgenerators 28 verwendet. Der Resonanzzustand wird mittels einer Niederfrequenz moduliert. Der Generator 28 wird durch den Kippschwingungserzeuger 26 moduliert. Die Schwankungen der Lichtintensität werden im Verstärker 24 verslärkt und dem Phasendetektor 25, welcher ein Referenzsignal von dem Kippschwingungserzeuger erhält, zugeführt. Der Phasendetektor 25 führt ein Fehlersignal einer Abstimmvorrichtung 27 zu, um die Frequenz des Hochfrequenzgenerators 28 bei dem Resonanzwert in dem Magnetfeld aufrechtzuerhalten.
Die Intensität dieses Feldes wird durch die Stärke des Fehlersignals oder durch die Frequenz des Hochfrequenzgenerators angezeigt.