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Bei
optischen Magnetometern wird der Dampf von Alkaliatomen mit polarisiertem
Licht optisch gepumpt, so dass die Spins der Valenzelektronen ausgerichtet
werden. Ein äußeres Magnetfeld B0 bewirkt
eine Präzession der Spins um die Magnetfeldrichtung mit
der Larmor-Frequenz fL bzw. eine Aufspaltung
der Energieniveaus des Elektrons in Zeeman-Niveaus. Durch ein zusätzliches
Wechselfeld B1, dessen Frequenz an die Larmor-Frequenz bzw.
die Energiedifferenz der Zeeman-Niveaus angepasst wird, kann das
zu messende Magnetfeld B0 bestimmt werden,
da Larmor-Frequenz fL und Magnetfeld B0 über den gyromagnetischen Faktor γ,
eine Materialkonstante, durch fL = γ·B0 miteinander verknüpft sind. Um
die Präzessionsfrequenz zu messen, wird der Photostrom
eines Photoempfängers ausgewertet, auf den das Pumplicht
nach Durchtritt durch den Alkalidampf, nun teilweise moduliert mit
der Präzessionsfrequenz, auftrifft.
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Dem
Messsignal ist eine Reihe von Rauschbeiträgen überlagert,
welche die mögliche Magnetfeldauflösung des optischen
Magnetometers einschränken.
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Die
ultimative Rauschbegrenzung der Magnetfeldmessung ist durch das
Schrotrauschen des Photoempfängers gegeben, das der Anzahl
der auftreffenden Photonen, also dem Photostrom proportional ist.
Diese schrotrauschbegrenzte Auflösung wird oft als die
intrinsische Auflösung des optischen Magnetometers bezeichnet
und stellt den theoretischen oder unter idealen Messbedingungen
erreichbaren Wert dar. Im praktischen Einsatz wird die Magnetfeldauflösung
aber durch zusätzliche Rauschquellen verschlechtert.
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Zwei
Quellen tragen im praktischen Einsatz wesentlich zum Rauschen bei.
Dies sind das Rauschen der Pumplichtquelle (einer Gasentladungslampe
oder heutzutage meist eines auf die Pumpwellenlänge abzustimmenden
Lasers) und das Rauschen des Magnetfeldes. Die beiden Quellen tragen
auf verschiedene Weise ihr Rauschen in das Messsignal ein. Das Magnetfeld
und damit auch dessen Rauschen wird mit der Lamorfrequenz gemischt
und findet sich um diese Frequenz wieder. Die Pumplichtquelle trägt
ihr Rauschen zusätzlich in diesen Frequenzbereich ein.
Dies führt zu einer merklichen Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses
gegenüber dem idealen, allein schrotrauschbegrenzten Wert
im Bereich der Lamorfrequenz. Nach einer Demodulierung der Signale
finden sich beide Rauschbeiträge im Frequenzbereich der
zu messenden Magnetfelder wieder. Vorstehende Probleme sind ausführlich
untersucht und erläutert in den Arbeiten S. Groeger,
A. S. Pazgalev, A. Weis, Appl. Phys. B 80, 645–654, 2005 und S.
Groeger, G. Bison, J. -L. Schenker, R. Wynands, A. Weis, Eur. Phys.
J. D 38, 239–247, 2006.
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In
allen bekannten Realisierungen optischer Magnetometer ist die im
praktischen Einsatz erreichte rauschbegrenzte Magnetfeldauflösung
deutlich schlechter als der intrinsische, schrotrauschbegrenzte
Wert. Dies wird durch Rauschen der Lichtquelle und des Magnetfeldes
hervorgerufen.
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Der
Einfluss des Pumplichtrauschens ist prinzipiell eliminierbar, erfordert
aber dafür einen großen Aufwand bei der Stabilisierung
der Lichtquelle, den man gern vermeiden möchte. Das Magnetfeld enthält
immer Fluktuationen, die über die Frequenzmischung an der
Larmorfrequenz dem Messsignal überlagert sind. Dies gilt
sowohl für das natürliche Erdfeld als auch künstlich
erzeugte Magnetfelder mittels Spulensystemen. Entsprechend E.
B. Alexandrov, M. V. Balabas, A. K. Vershovski, A. S. Pazgalev,
Technical Physics 49, 779–783, 2004 konnte nur
unter magnetisch extrem ruhigen Messbedingungen einmal die tatsächliche
Auflösung optischer Magnetometer bis auf einen, allerdings
immer noch um den Faktor 10 schlechteren Wert als die intrinsische Auflösung
gebracht werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einfluss des Rauschens
der Pumplichtquelle und, bei entsprechendem Schaltungsaufbau, des Magnetfelds
auf die rauschbegrenzte Magnetfeldauflösung von optischen
Magnetometern zu verringern und dem intrinsischen, schrotrauschbegrenzten
Wert anzunähern.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale von
Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte und weitere Ausgestaltungen
sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche.
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Das
Wesen der Erfindung besteht darin, dass bei Verwendung eines an
sich bekannten optischen Magnetometers, mit den an sich dort üblichen Baugruppen,
die Anordnung erfindungsgemäß dahingehend verändert
ausgeführt ist, dass von der gleichen Lichtquelle, neben
der üblichen Alkalidampfzelle eines Magnetometers, eine
zweite Alkalidampfzelle mit Licht beaufschlagt wird, die einem dem
Magnetometer parallelen Zweig zugeordnet ist, wobei diese zweite
Alkalidampfzelle einem von die ersten Alkalidampfzelle des Magnetometers
erfassenden Magnetfeld abweichendem Magnetfeld ausgesetzt ist, und
welcher ebenfalls ein Photodetektor nachgeordnet ist und die verstärkten
Signale des ersten Photodetektors und des zweiten Photodetektors unmittelbar
anschließend einem elektronischen Differenzbildner zugeführt
werden und erst danach dessen Ausgangssignal auf den diesem Magnetometer zugeordneten
Phasendetektor zugeführt wird, der mit einem Frequenzgenerator
in Verbindung steht, welcher die Alkalidampfzelle des Magnetometers
mit einem definiert einstellbaren magnetischen Wechselfeld beaufschlagt.
In einer speziellen Ausführung der Erfindung wird weiterhin
vorgeschlagen, den als Referenzweg dienenden zweiten Zweig der Anordnung, unter
ansonsten gleicher vorstehend beschriebener Anordnung, ebenfalls
als Magnetometer zu gestalten, was in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen
näher beschrieben wird.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 den
prinzipiell bekannten Aufbau eines Gradiometers, bestehend aus zwei
optischen Magnetometern nach dem bekannten Stand der Technik;
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2 eine
erste grundsätzliche Anordnung der Erfindung zur Schaffung
eines rauschkompensierten optischen Magnetometers;
-
3 eine
Anordnung bestehend aus zwei Magnetometern unter Einbeziehung der
speziellen Lösung nach 2, hier
in weiterer Verschaltung zu einem Gradiometer;
-
4 eine
zweite grundsätzliche Anordnung der Erfindung zur Schaffung
eines rauschkompensierten optischen Magnetometers, hier in weiterer Verschaltung
zu einem Gradiometer und
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5 eine
beispielhafte Darstellung der Lage der Larmorfrequenzen, die den
Signalen der beiden in 4 dargestellten Alkalizellen
entsprechen und in 5 unten im gleichen Photosignal
enthalten sind.
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1 zeigt
den üblichen Aufbau zur Signalverarbeitung bei einem Gradiometer,
gebildet aus zwei optischen Magnetometern, bezeichnet mit M1, M2 (Kanal 1 und
Kanal 2), nach dem Stand der Technik. Licht eines Lasers 1 gelangt über
nicht näher bezeichnete Strahlteiler und Umlenkspiegel
in je eine Alkalidampfzelle 2a und 2b. Diesen
sind jeweils Photodetektoren 4a, 4b und Phasendetektoren 6a, 6b nachgeordnet,
deren verstärkte Signale erst danach einem elektronischen
Differenzbildner 5 in Form üblicher Operationsverstärker
mit Subtraktionsfunktion zugeleitet werden, um ein Gradiometersignal
G zu erhalten. Mit den Phasendetektoren 6a, 6b stehen
jeweils Frequenzgeneratoren 7a, 7b in Verbindung,
die die jeweiligen Alkalidampfzellen 2a, 2b mit
einem magnetischen Wechselfeld B1 (1), B1 (2) bei
der Lamorfrequenz beaufschlagen. Im optisch gepumpten Magnetometer
tritt jedoch hauptsächlich Rauschen auf, das von Wellenlängenschwankungen
der Strahlungsquelle hervorgerufen wird, die bei der Absorption
in der Alkalidampfzelle in Amplitudenrauschen umgewandelt werden.
Dieses Rauschen ist mit einer Anordnung nach dem vorstehend beschriebenen Stand
der Technik jedoch nicht zu beseitigen.
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Die
erfindungsgemäß weiter unten vorgeschlagenen Anordnungen
bauen auf diesem bekannten Gradiometerprinzip auf. Ein solches Gradiometer verwendet
zwei optische Magnetometer, die an unterschiedlicher Stelle im zu
messenden Magnetfeld angeordnet sind und deren Ausgangssignale subtrahiert
werden. Auf diese Weise werden gleiche Werte des Magnetfeldes, die
an den Orten der beiden Magnetometer vorliegen, eliminiert und nur
Unterschiede detektiert. Dies gilt allerdings nur für die
direkt gemessenen Werte des Magnetfeldes. Die Rauschbeiträge
vom Pumplicht, die von Wellenlängenschwankungen der Strahlungsquelle
hervorgerufen werden, bleiben im Signal erhalten. Dieses wird erst
bei der Absorption in der Alkalidampfzelle in Amplitudenrauschen
umgewandelt, das danach bei verschiedenen Zellen nicht mehr korreliert
ist, also nicht mehr durch die Subtraktion der Magnetometersignale
eliminiert werden kann und die Auflösung verschlechtert.
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Der
erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke
zugrunde, vor der Demodulierung der mit der Larmorfrequenz gemischten
Signale die beiden Photosignale voneinander zu subtrahieren. Auf
diese Weise wird auch ein Großteil der auf den Photodiodensignalen
liegenden Fluktuationen des Photostromes, die vom Rauschen des Pumplichts
herrühren, eliminiert. Danach verwenden beide Auswerteelektroniken
dieses gemeinsame Differenzsignal.
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In 2 ist
eine erste grundsätzliche Anordnung der Erfindung zur Schaffung
eines rauschkompensierten optischen Magnetometers, zum leichteren Verständnis
anhand nur eines Magnetometers M1, dargestellt.
Analog zum Stand der Technik gelangt das Licht, bspw. eines Lasers 1,
in eine erste Alkalidampfzelle 2a und in einen ihr nachgeordneten
Photodetektor 4a. Zugleich ist gemäß der
Erfindung eine zweite Alkalidampfzelle 3 in einem dem Magnetometer
parallelen Zweig zugeordnet, wobei diese zweite Alkalidampfzelle 3 einem
von die erste Alkalidampfzelle 2a beaufschlagendem von
diesem abweichenden Magnetfeld ausgesetzt ist. Dieser zusätzlichen Alkalidampfzelle 3 ist
ebenfalls ein Photodetektor 3a nachgeordnet und die verstärkten
Signale des ersten Photodetektors 4a und des zweiten Photodetektors 3a werden
unmittelbar anschließend einem elektronischen Differenzbildner 5 zugeführt
und erst danach dessen Ausgangssignal auf den diesem Magnetometer
zugeordneten Phasendetektor 6a zugeführt, der mit
dem Frequenzgenerator 7a in Verbindung steht, welcher die
Alkalidampfzelle 2a mit dem definiert einstellbaren magnetischen
Wechselfeld B1 (1) beaufschlagt.
Auf die beiden Alkalidampfzellen 2a und 3 wirkt
ansonsten noch das Messfeld B0, welches
auf die Zelle 3, gemäß der Erfindung,
ausschließlich wirkt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in 3 eine Anordnung
bestehend aus zwei Magnetometern M1, M2 unter Einbeziehung der speziellen Lösung
nach 2 und Verschaltung zu einem Gradiometer G schematisch
dargestellt. Der in 3 strichliniert umfasste Bereich
I entspricht dabei identisch der Ausführung nach 2 und
man sieht leicht, dass der mit anderer Linienform umfasste Bereich
II ein Spiegelbild dessen ist. Die zusätzlich vorgesehene
Alkalidampfzelle 3, die ausschließlich dem Messfeld
B0 und keinem weiteren magnetischen Feld
ausgesetzt ist, dient über den Photodetektor 3a zur
Referenzsignalbildung, welche im Beispiel für zwei Magnetometer
M1 und M2 zur Verfügung
steht. Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung,
weitere Magnetometerzweige Mn vorzusehen,
die alle jeweils mit dem nur einmal vorgesehenen Referenzzweig (3; 3a),
elektronischen Differenzbildnern 5a bis 5n in paarige
Verbindung gebracht sind. Um im Beispiel zu bleiben, wird hier nur
auf zwei Magnetometer Bezug genommen, so dass dem elektronischen
Differenzbildner 5a des ersten Magnetometers der Phasendetektor 6a nachgeordnet
ist und dieser mit dem Frequenzgenerator 7a in Verbindung
steht, welcher die Alkalidampfzelle 2a über eine
Spule mit dem Wechselfeld B1 (1) bei
der Lamorfrequenz beaufschlagt. Identisch erfolgt die Verschaltung
des zweiten Magnetometers M2 über
die Baugruppen 6b, 7b und die Beaufschlagung der
Alkalidampfzelle 2b mit dem Wechselfeld B1 (2) bei der Lamorfrequenz. Wie aus 3 ebenfalls
ersichtlich ist, können die beiden Magnetometersignale,
wie bei Verwendung anderer Schaltungen auch üblich, über
einen weiteren elektronischen Differenzbildner, hier 8, zu einem
Gradiometer G verschaltet werden.
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Eine
weitere grundsätzliche Möglichkeit zur Schaffung
eines rauschkompensierten optischen Magnetometers ist in 4 schematisch
dargestellt. Hier wird die Vorgabe, dass zwei in Relation zueinander
gesetzte Alkalidampfzellen einem voneinander unterschiedlichem Magnetfeld
ausgesetzt werden sollen, dadurch realisiert, dass alle Zweige als
Magnetometer mit jeweils allen genannten Baugruppen ausgeführt
sind, wobei in diesem Beispiel die Alkalidampfzelle 2b des
zweiten Wegs mit einem zusätzlichen, definiert einstellbaren,
statischen äußeren Magnetfeld (ΔB0) beaufschlagt ist und die Ausgänge
der den beiden Alkalidampfzellen 2a, 2b nachgeordneten
Photodetektoren 4a, 4b unmittelbar anschließend,
analog 2, einem elektronischen Differenzbildner 5 zugeführt
werden und erst danach dessen Ausgangssignal auf die den Magnetometern
M1, M2 (Kanal 1,
Kanal 2) zugeordneten Phasendetektoren 6a, 6b,
zugeführt werden, die über die jeweiligen Frequenzgeneratoren 7a, 7b die
Alkalidampfzellen 2a, 2b mit dem definiert einstellbaren
magnetischen Wechselfeld B1 (1),
B1 (2) mit der Lamorfrequenz
beaufschlagen.
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Für
vorstehendes Beispiel zeigt 5 das Rauschen
der Signale sowohl nach den beiden Photoempfängern 4a, 4b als
auch nach der Subtraktion der beiden Signale durch den elektronischen
Differenzbildner 5 (in der Darstellung von oben nach unten).
Die beiden Peaks in den Photosignalen sind bei den Larmorfrequenzen
der beiden Kanäle, die sich entsprechend der Relation fL = γ·B0 aus
etwas unterschiedlichen Magnetfeldern B0 an
den Orten der beiden Magnetometer ergeben. Das darunterliegende Rauschniveau
ist bei den Einzelsignalen deutlich erhöht und spiegelt
das Rauschen des Pumplichts wider. Im Differenzsignal ist dieses
eliminiert, so dass das Schrotrauschen weitestgehend erreicht werden kann.
Dies wird im drastisch verringerten weißen Rauschen der
Magnetfeldmessung reflektiert.
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In
der bei Gradiometern üblichen nachfolgenden Differenzbildung 8 (vgl. 4),
nach der Demodulierung durch die Phasendetektoren 6a und 6b, werden
die bei den Magnetometersignalen noch überlagerten direkten
niederfrequenten Rauschanteile zusätzlich weitgehend eliminiert.
Letzteres gilt analog zur Ausführung nach 3.
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Bei
der neuen erfindungsgemäßen Anordnung gemäß 4 sind
nun beide Peaks (den beiden Larmorfrequenzen der zwei Alkalizellen
entsprechend) im gleichen Photosignal enthalten (5 unten).
Damit die Elektroniken der beiden Magnetometer auf ihrem jeweiligen
Peak stabil arbeiten können, müssen diese genügend
weit auseinander liegen. In 5 sind dies
beispielsweise etwa 200 Hz. Entsprechend der Relation fL = γ·B0 entspricht dies der Forderung, Mittel vorzusehen,
die einen Unterschied ΔB0 zwischen
den Magnetfeldern an den Orten der beiden Alkalizellen einzustellen
gestatten.
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Damit
die Separation zweier Larmorfrequenzen aus einem gemeinsamen Photosignal
gewährleistet ist, müssen die Larmorfrequenzen
soweit auseinander liegen, dass zwei Bedingungen erfüllt
sind: Zum einen müssen die Peaks des gemeinsamen Photosignals
von den einzelnen Elektroniken getrennt aufgelöst werden
können. Bei Peakbreiten von 10 Hz beispielsweise sollte
der Mindestabstand also 20 Hz betragen. Zum anderen muss gewährleistet sein,
dass im Messfeld auftretende Gradienten nicht zu einer Zusammenführung
der Larmorfrequenzen führen. Erwartet man also beispielsweise
Gradienten von maximal 30 nT, so werden entsprechend der Relation
fL = γ·B0 z.
B. bei Cäsium als Alkalidampf mit seinem gyromagnetischen
Faktor von 3,5 kHz/μT die Larmorfrequenzen 100 Hz verschoben
sein. Diesen Abstand muss man dann also zusätzlich mindestens vorhalten.
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Nachfolgend
werden einige Möglichkeiten zur Erzeugung dieses Magnetfeldunterschiedes
beispielhaft vorgestellt:
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- – In der Nähe eines der beiden
Magnetometer (in 4 ist dies die Zelle 2b)
wird eine geringe Menge von Material angebracht, das entweder einen eigenen
Magnetismus aufweist oder das äußere Magnetfeld
entweder verdrängt oder fokussiert. Im ersten Fall (bspw.
Einsatz eines Permanentmagneten) wird ein konstanter Beitrag zum äußeren
Feld addiert, im zweiten Fall wird ein Teil des äußeren
Magnetfeldes zusätzlich zur Alkalidampfzelle hin oder von
ihr weg gelenkt.
In jeder dieser Realisierungsvarianten wird
das resultierende Magnetfeld an der Zelle davon abhängig
sein, wie das äußere Magnetfeld B0 zur Zelle
orientiert ist, da sich die einzelnen Magnetfelder vektoriell addieren
und sich daher die Resultierende mit unterschiedlicher Lage der
Einzelfelder zueinander verändert. Diese Lösung
ist daher bevorzugt für Anordnungen geeignet, die eine feste
Orientierung gegenüber dem Erdfeld oder einem künstlich
erzeugten Messfeld haben, also für stationäre
Messsysteme.
- – Das zusätzliche Feld für eine der
beiden Zellen (2a oder 2b in 4)
kann durch eine stromdurchflossene Spule in der Nähe dieser
Zelle erzeugt werden. Nachteilig hieran ist jedoch, dass dann das
Rauschen des Stromes auf die Magnetometerzelle aufgeprägt
wird. Diesen Nachteil kann man weitestgehend vermeiden, wenn man beide
Zellen mit Spulen versieht, die vom gleichen Strom durchflossen
werden, aber so geringfügig unterschiedlich ausgelegt sind,
dass die geforderte Differenz der Magnetfelder realisiert wird. Ebenso
kann für beide Magnetometer ein gemeinsames Feld erzeugt
werden, das einen leichten Gradienten aufweist. Ebenso im Rahmen
der Erfindung liegt, eine der beiden Spulen zusätzlich mit
einem definierten Gleichstromanteil zu beaufschlagen. Auch diese
Anordnungen benötigen eine feste Orientierung gegenüber
dem äußeren Magnetfeld, sind also für
stationäre Messsysteme geeignet.
- – Eine richtungsunabhängige Erzeugung leicht unterschiedlicher
Felder kann man weiterhin erreichen, wenn eine der beiden Alkalidampfzellen von
einem hier nicht dargestellten Hohlkörper (bspw. einer
Kugel) umhüllt wird, die mit einem Material versehen ist,
welches das Magnetfeld geringfügig dämpft. Dafür
geeignet hat sich ein Mn-Zn-Ferrit-Pulver erwiesen. Der Dämpfungsfaktor
kann über die Materialauswahl und Dicke eingestellt werden.
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Die
Vorteile und die einfache Art der Realisierung von Lösungen,
gemäß vorliegender Aufgabenstellung, werden besonders
deutlich, wenn man rückschauend dazu einen Vergleich mit
bekannten Detaillösungen nach dem Stand der Technik vornimmt.
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Die
Subtraktion der Photoströme nach den Alkalidampfzellen,
wie in vorliegender Erfindung vorgeschlagen, ist dem bekannten Stand
der Technik nicht zu entnehmen. Es sind nur Lösungen zur
Minderung des Rauschens der Strahlungsquelle allein bekannt, realisiert
durch zwei zueinander balancierte Photoempfänger: „A
Survey of Methods Using Balanced Photodetection", New Focus
Appl. Note 14, 2002. Bei dieser Lösung wird allein
das Amplitudenrauschen des Lichtes vermindert. Im optisch gepumpten
Magnetometer tritt jedoch hauptsächlich Rauschen auf, das
von Wellenlängenschwankungen der Strahlungsquelle hervorgerufen
wird, die bei der Absorption in der Alkalidampfzelle in Amplitudenrauschen
umgewandelt werden. Es kann erst durch die erfindungsgemäße
Subtraktion der Signale nach den Alkalidampfzellen die gewünschte
Verminderung des dadurch hervorgerufenen Rauschens ohne sonstigen
weiteren Aufwand erzielt werden.
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Auch
die Methoden zur gezielten Einstellung der geforderten unterschiedlichen
Magnetfelder sind so und für den vorgesehenen Verwendungszweck dem
bekannten Stand der Technik nicht entnehmbar. Der Einsatz magnetischer
Materialien zur Führung magnetischer Flusslinien ist zwar
grundsätzlich bekannt (z. B. S. A. Gudoshnikov,
B. Y. Liubimov, L. V. Matveets, A. P. Mikhailenko, Y. V. Deryuzhkina,
Y. S. Sitnov, O. V. Snigirev, Physica C 368 (1–4), 66–69, 2002),
aber die gezielte Erzeugung lokal unterschiedlicher Magnetfelder
mit diesen Mitteln ist neu. Ebenso gibt es Anordnungen von Magnetfeldsensoren,
die eine gemeinsame Rückkopplung eines äußeren
Magnetfeldes einsetzen (z. B. R. H. Koch, J. R. Rozen, J.
Z. Sun, W. J. Gallagher, Appl. Phys. Lett. 63, 403–405,
1993), aber stets wird dort auf die Erzeugung gleicher
Felder an den Orten aller Magnetometer abgestellt.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung verwendet bevorzugt
mindestens zwei optische Magnetometer, die mit der gleichen Quelle
gepumpt werden, nämlich einer Gasentladungslampe, gefüllt
mit dem gleichen Material wie die Alkalidampfzellen, oder einen
Laser, dessen Wellenlänge entsprechend abgestimmt ist.
Die Signale von jeweils zwei wie beschrieben nachgeordneten Photoempfängern
werden subtrahiert und in den nachfolgenden Elektroniken wiederum
separat ausgewertet. Diese Magnetometersignale können bereits
separat ausgegeben werden. Man erhält so Signale mit deutlich
geringerem weißem Rauschen als dies bei Magnetometern ohne
die erfindungsgemäße Subtraktion der Photodiodensignale
am vorgeschlagenen Ort innerhalb der Anordnung der Fall ist. Werden
die Ausgangssignale der beiden Magnetometer zusätzlich
noch subtrahiert, also ein Gradiometer gebildet, wird auch das niederfrequente
Rauschen des Magnetfeldes erheblich verringert.
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Nach
dem Stand der Technik sind verschiedene Methoden einer Phasensynchronisation
bekannt, nämlich die Mx- und Mz-Methode, bei der ein Wechselfeld B1 eingesetzt wird, dessen Frequenz an die
Larmor-Frequenz angepasst wird, die Nichtlineare Magneto-Optische
Rotation (NMOR) und die Bell-Bloom-Methode, bei denen die Amplitude
des Pumplichts mit der Larmor-Frequenz moduliert wird. Um die Präzessionsfrequenz
zu messen, wird der Photostrom eines Photoempfängers ausgewertet, auf
den das Pumplicht nach Durchtritt durch den Alkalidampf, nun bis
zu einem gewissen Anteil mit der Larmor-Frequenz moduliert, auftrifft.
Die erfindungsgemäße Anordnung für die
Rauschminderung ist unabhängig von vorstehenden Methoden
für diese Modulation und Demodulation einsetzbar. Der Einfachheit
und Übersichtlichkeit halber wurde in Vorstehendem, ohne
die Erfindung daraus zu beschränken, nur die Mx-Methode
beispielhaft gewählt. Hier ist eine gängige Methode
für die Demodulation der Magnetfeldinformation vom Frequenzbereich
um die Larmor-Frequenz zu den originalen Frequenzen, einen Lock-in-Verstärker
als Phasendetektor einzusetzen und den Generator für die
Referenzfrequenz auf die Larmor-Frequenz abzustimmen. Alternative
andere technische Umsetzungen der erfindungsgemäßen Grundidee
liegen für den Fachmann auf der Hand.
-
- 1
- Lichtquelle
- 2a,
2b
- Alkalidampfzellen
- 3
- Alkalidampfzelle
im Referenzweg
- 3a
- Photodetektor
im Referenzweg
- 4a,
4b
- Photodetektoren
- 5,
5a, 5b
- elektronische
Differenzbildner
- 6a,
6b
- Phasendetektoren
- 7a,
7b
- Frequenzgeneratoren
- 8
- weiterer
elektronischer Differenzbildner
- B1 (1), B1 (2)
- magnetische
Wechselfelder
- ΔB0
- statisches äußeres
Magnetfeld
- M1, M2
- Magnetometer
- G
- Gradiometer
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - S. Groeger,
A. S. Pazgalev, A. Weis, Appl. Phys. B 80, 645–654, 2005 [0004]
- - S. Groeger, G. Bison, J. -L. Schenker, R. Wynands, A. Weis,
Eur. Phys. J. D 38, 239–247, 2006 [0004]
- - E. B. Alexandrov, M. V. Balabas, A. K. Vershovski, A. S. Pazgalev,
Technical Physics 49, 779–783, 2004 [0006]
- - „A Survey of Methods Using Balanced Photodetection”,
New Focus Appl. Note 14, 2002 [0028]
- - S. A. Gudoshnikov, B. Y. Liubimov, L. V. Matveets, A. P. Mikhailenko,
Y. V. Deryuzhkina, Y. S. Sitnov, O. V. Snigirev, Physica C 368 (1–4),
66–69, 2002 [0029]
- - R. H. Koch, J. R. Rozen, J. Z. Sun, W. J. Gallagher, Appl.
Phys. Lett. 63, 403–405, 1993 [0029]