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.
Optical magnetometer
The present invention relates to an optical magnetometer using optical absorption in quantum systems that are subject to precessions in a constant magnetic field of unknown field strength and using optical radiation which is subject to absorption by a cell and whose spectral properties are such that different absorption by the magnetic sublevels of the quantum systems takes place.
This magnetometer forms an orientation-independent optical magnetometer oscillator that can be used for earth surveys from an aircraft.
In Swiss patent no. 364 843 an optical magnetometer oscillator is described which is based on quantum mechanical processes in optical absorption. Such an oscillator comprises an absorption cell in which there are atoms or other quantum systems that have a ground state or metastable state with a long lifespan, the states mentioned being split into a large number of magnetic sub-levels in a constant magnetic field, for example the earth's field.
The quantum systems are aligned with regard to their levels in such a way that a first group of sub-levels is excessively populated with respect to a second group of sub-levels, and this alignment changes periodically through magnetic resonance precessions of the magnetic moments of the quantum systems, so that the property of overcrowding periodically passes from the first group of sub-levels to the second group of sub-levels.
An optical radiation that is passed through the absorption cell and has such spectral properties, in particular with regard to frequency, intensity, polarization and direction that the radiation passes through the group of quantum systems that correspond to one type of sub-level than through a group of quantum systems , which correspond to the other type, is absorbed, receives a periodic and strictly defined intensity modulation in this way.
The intensity-modulated radiation is then captured by an optical recording device and generates a high-frequency electrical signal in the same, which is amplified and fed back to the absorption cell, an alternating magnetic field of the frequency of the precession frequency being supplied and fed back with a phase position such that the modulation of the radiation is maintained by the forced precessions of the quantum system. This results in a continuously self-sustaining oscillation at the frequency that is conditioned by the precession frequency of the quantum systems. Since the precession frequency depends essentially linearly on the external constant field, this oscillation frequency forms a measure for the strength of the magnetic field.
The optical magnetometer according to the invention is characterized in that a single absorption cell and means are provided which guide said radiation to the absorption cell and which have a polarizer which consists of two parts that generate differently polarized partial radiation beams so that they have a different sub-level -Absorption, further characterized by an alternating field supplying means, which are coupled to said absorption cell, a photocell which is responsive to the intensity of the radiation which has passed through the absorption cell in order to produce a signal which varies with the alternating field frequency To deliver resonance with the precession frequency of the quantum system mentioned.
Of the various possible embodiments, reference is made in the following to that which uses alkali vapor, which has the property that the spectral frequencies and precession frequencies at which the intensity modulation of the light occurs are converted in a simple and effective manner into an electrical alternating current signal can. Of the various alkali metals, rubidium vapor also has the advantage that the optimum cell temperature of around 400 C is particularly suitable for working outdoors.
Rubidium vapor magnetometric oscillators of the type discussed above have been found to be very reliable up to sensitivities of about 0.01 gamma (1 gamma = 10-5 gauss).
This sensitivity is 10 to 100 times greater than magnetometers that work with a magnetic flux gate and proton precession, as is currently used in geophysical investigations using aircraft. The applicability of such optical magnetometer devices to aircraft and other vehicles was previously limited by the following phenomena, depending on the orientation:
1. The phase shift between the feedback signal which is fed to the absorption cell and the intensity modulation of the light depends on the relative orientation of the direction of the resonance-frequency magnetic field vector to the constant magnetic field and to the direction of the light beam.
In the most favorable case, in which the resonance-frequency magnetic field vector has the same direction as the light beam, there is a phase shift of +900 if the light beam is in one hemisphere with respect to the direction of the constant magnetic field, and a phase shift of 900 if the light beam is in the other hemisphere. Therefore, if the total phase shift of the oscillator loop to maintain oscillations is correct for one hemisphere of space, then a so-called hemispherical effect results, which is that the phase shift for maintaining the oscillations is not correct when the instrument is rotated into the other hemisphere unless the phase of the feedback signal is reversed at the same time.
2. The resonance line, which represents the optical absorption as a function of the frequency of the alternating magnetic field, which is brought into action on the absorption cell, is actually split up into several closely spaced lines. Since the absorption proportion of the different lines is not the same, the entire absorption line is asymmetrical, the shape being dependent on the direction of the light beam in relation to the magnetic field. Therefore, when the measuring device is rotated, an error dependent on the flight direction is introduced which is due to frequency fluctuations at which the oscillation condition is established.
The invention aims to provide an optical magnetometer in which at least one of these sources of orientation dependency is reduced in influence.
In the accompanying drawing, two exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown. From the figures show:
1 shows a block diagram of a first embodiment of the magnetometer oscillator arrangement according to the invention,
2 shows a second embodiment of the magnetometer oscillator arrangement according to the invention.
In Fig. 1, a light source 11 generates radiation consisting of two sub-bundles which pass through the same absorption cell 12, the radiation being spectral radiation of high purity and expediently generated by an electrodeless discharge lamp, as described in U.S. Patent No. 3 109 960 is described. The discharge lamp consists of a small discharge vessel 13 which contains natural rubidium vapor which is mixed with krypton gas to facilitate ignition; an external high-frequency coil 9 is closely coupled to the discharge lamp, the coil 9 being excited by a generator 20. The coil 9 is expediently connected to the generator 20 via a long coaxial line so that the generator 20 causes as little magnetic interference as possible.
Each light beam successively traverses an interference filter 14 which suppresses the D2 line of 7800AO, while the DI-I, inie 7948AO, is allowed through, for the purpose of promoting the optical pumping process; a Fresnel collimator lens 15 made of plastic guides the radiation through a polarizer 16, 16 'which is split into two parts for the purpose of producing different absorption in the various sub-levels. Another collimator lens 17 focuses on a photocell 19, which consists of a plurality of silicon photocells which are soldered to one another in the manner of roof shingles, as is described in Canadian patent no. 667 048.
A partial beam is circularly polarized in the left direction by the polarizer part 16 and this beam passes through the chamber 12 'of the absorption cell 12. The other light beam is polarized in the right direction by the polarizer part 16' and this beam passes through the chamber 12 "of the absorption cell 12. The two Beams of rays strike the photocell 19. The radiation, which is intensity-modulated with the precession frequency and has been intercepted by the photocell 19, is converted by this photocell into an electrical alternating current signal of the same frequency, which is amplified in an amplifier 21 and the absorption cell 12 via a coaxial coil 23 is supplied in the form of an alternating magnetic field.
This alternating field maintains forced precessions in the rubidium atoms.
The absorption cell 12 contains rubidium vapor, which is preferably enriched in terms of isotopes and consists either essentially of rubidium 85 or rubidium 87 and contains a buffer gas such as neon, for the purpose of reducing collisions with the wall and thereby high relaxation times and accordingly narrow ones Ensure line widths to achieve high sensitivity. In the case of Rubidium 85 the polarized and filtered out light is modulated with the precession frequency of 4.66 Hz per gamma and in the case of Rubidium 87 with a precession frequency of 7 Hz per gamma. Since the average terrestrial magnetic field is 0.5 Gauss, the precession frequency of Rubidium 85 is 233 kHz.
The feedback signal has a frequency which is proportional to the intensity of the magnetic field to be measured, and the signal is fed to a display arrangement 22, in which it is mixed with a signal which a crystal controlled oscillator supplies with a frequency which is suitable as a reference frequency and a Forms difference frequency, which is displayed, for example, in an analog output frequency measuring device coupled to a graphic recording device.
Other methods for measuring the feedback frequency can also be used as a measured variable for the unknown magnetic field to be measured.
In order to meet the condition for maintaining vibrations, the total phase difference across the absorption cell 12, the photocell 19 and the amplifier 21 must be 3600. A phase shift of 900 results in the absorption cell 12, so that a phase shift of 2700 in the photocell 19 and in the amplifier 21 is necessary. For fields that are greater than 10,000 gamma, the parallel capacitance of the photocell is equivalent; Equivalent circuit is sufficient to generate a phase shift of 900, so that the phase shift in the amplifier must be 1800.
When the device is rotated so that the phase of the alternating current field is reversed with respect to the rectified field, the phase shift across the absorption cell 12 is reversed, e.g. from +90 to 900, and the device no longer oscillates. It can e.g. B. an automatic electronic switch can be provided which reverses the output connections of the amplifier 21, wherein the oscillations cease.
In Fig. 2, the same reference numerals as in Fig. 1 denote the same elements. The known method of induction resonance by means of a high-frequency generator 28 is used. The resonance state is modulated using a low frequency. The generator 28 is modulated by the relaxation oscillator 26. The fluctuations in the light intensity are amplified in the amplifier 24 and fed to the phase detector 25, which receives a reference signal from the relaxation oscillation generator. The phase detector 25 supplies an error signal to a tuner 27 in order to maintain the frequency of the high frequency generator 28 at the resonance value in the magnetic field.
The intensity of this field is indicated by the strength of the error signal or by the frequency of the high frequency generator.