DE1423462C

DE1423462C - Method and arrangement for determining a magnetic field and using it as a frequency standard

Info

Publication number: DE1423462C
Authority: DE
Inventors: Hans George Seattle Wash Dehmelt (V St A)
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Publication date: 1971-12-09

Description

Es ist bekannt, zum Feststellen der paramagnetischen Resonanz Atome und Ionen durch Elektronenstoß auszurichten, durch paramagnetische Resonanz zu reorientieren und schließlich die Ausrichtung unter anderem dadurch zu beobachten, daß die Absorption einer polarisierten optischen Strahlung beobachtet wird, die einem Übergang in einen höheren Energiezustand entspricht. Durch Anlegen des bei der paramagnetischen Resonanz üblichen HF-Feldes und Sweep des H₀-Feldes kann die paramagnetische Resonanz durch ein Minimum oder Maximum der Absorption, je nach der Orientierung des Lichtstrahls, zum H₀-Felde beobachtet werden (Physical Review, Bd. 103, Nr. 4, S. 1125 und 1126, 15. August 1956).It is known to align atoms and ions by electron impact in order to determine the paramagnetic resonance, to reorient them by paramagnetic resonance and finally to observe the alignment, inter alia, by observing the absorption of polarized optical radiation which corresponds to a transition to a higher energy state. By applying the HF field usual for paramagnetic resonance and _{sweeping the H 0} field, the paramagnetic resonance can be observed through a minimum or maximum of the absorption, depending on the orientation of the light beam, to the H ₀ field (Physical Review, Vol. 103, No. 4, pp. 1125 and 1126, August 15, 1956).

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung eines in einer Richtung wirkenden Magnetfeldes zu schaffen sowie eine Anwendung der Anordnung als Frequenznormal zu ermöglichen.The invention is based on the object of a method and an arrangement for Determination of a magnetic field acting in one direction and an application of the To enable arrangement as a frequency standard.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein dem bekannten Verfahren zur Feststellung der paramagnetischen Resonanz ähnliches Verfahren verwendet, und dieses Grundprinzip der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß trotz des schlechten Wirkungsgrades einer Lichtmessung auf diesem scheinbaren Umweg eine derartige Verstärkung der Meßgröße erreicht werden kann, die auf den erheblich größeren Energieinhalt von Lichtquanten gegenüber Quanten von elektromagnetischen Wellen im Hoch- und Höchstfrequenzbereich zurückzuführen ist, daß auf diese Weise eine sehr empfindliche Anzeige für die Größe des magnetischen Feldes erreicht werden kann.To solve this problem, a known method for determining the paramagnetic Method similar to resonance is used, and this basic principle of the invention is based on the knowledge that despite the poor efficiency of a light measurement on this apparent detour one Such amplification of the measured variable can be achieved, which is based on the considerably larger energy content of light quanta versus quanta of electromagnetic waves in the high and maximum frequency range is due to the fact that in this way a very sensitive indication of the size of the magnetic Field can be reached.

Demzufolge ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines in einer Richtung wirkenden Magnetfeldes (unidirektionales Magnetfeld) dadurch gekennzeichnet, daß strahlungsempfindliche Anzeigeorgane vorgesehen sind, welche die optische Strahlung nach Durchsetzen des Quantensystems anzeigen.Accordingly, the method according to the invention is for determining one acting in one direction Magnetic field (unidirectional magnetic field), characterized in that radiation-sensitive display elements are provided which indicate the optical radiation after penetration of the quantum system.

Die Ausrichtung kann einmal dadurch erheblich geändert werden, daß die Anregungsenergie für die ,Quantensysteme entsprechend moduliert wird, als wesentlich zweckmäßiger hat es sich jedoch erwiesen, analog zu den üblichen Modulationstechniken bei Untersuchung der paramagnetischen Resonanz die Ausrichtbedingungen periodisch zu ändern, zu denen das unidirektionale Magnetfeld, und vor allem dessen Richtung, und das HF-Feld H₁, vor allem dessen Frequenz, gehören.The alignment can be changed significantly by modulating the excitation energy for the quantum systems accordingly, but it has proven to be much more expedient to periodically change the alignment conditions for which the unidirectional magnetic field is used when investigating the paramagnetic resonance, analogous to the usual modulation techniques , and especially its direction, and the HF field H ₁ , especially its frequency.

Statt dessen ist es möglich, eine Präzession des Quantensystems um das unidirektionale Magnetfeld hervorzurufen, sei es eine erzwungene Präzession oder eine freie Präzession, und dann die Modulation des Lichtes mit der Präzessionsfrequenz zu beobachten und die Frequenz als Maß für die Feldstärke zu verwenden. Voraussetzung dafür ist natürlich, daß magnetfeldabhängige Übergänge der Quantensysteme benutzt werden; werden in diesem Falle magnetfeldunabhängige Übergänge benutzt, ergibt sich die Möglichkeit, einen extrem stabilen Oszillator, mit anderen Worten ein Frequenznormal zu erhalten, das eine außerordentlich stabile Normalfrequenz entsprechend der Präzessionsfrequenz der Atome liefert. »Magnetfeldunabhängig« soll in diesem Zusammenhang heißen, daß die Quantensysteme und deren Resonanzfrequenz unabhängig ist von äußeren Feldern, selbstverständlich muß ein internes Feld vorhanden sein, um das die Quantensysteme präzessieren können, beispielsweise das magnetische Kemmoment, aber auch elektrische Kristallfelder und andere, von außen nicht beeinflußbare Felder.Instead, it is possible for the quantum system to precession around the unidirectional magnetic field be it forced precession or free precession, and then the modulation of the Observe light with the precession frequency and use the frequency as a measure of the field strength. The prerequisite for this is, of course, that the quantum system uses magnetic field-dependent transitions will; If transitions that are independent of the magnetic field are used in this case, there is the possibility of an extremely stable oscillator, in other words a frequency standard that is extraordinary provides a stable normal frequency corresponding to the precession frequency of the atoms. In this context, "independent of the magnetic field" should mean that the quantum systems and their resonance frequency are independent of external fields, of course there must be an internal field around which the quantum systems can precess, for example the magnetic kemmoment, but also electrical crystal fields and others that cannot be influenced from the outside Fields.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist deshalb analog zu der Anordnung zur Bestimmung der paramagnetischen Resonanz eine Einrichtung zur Erzeugung eines zusätzlichen Magnetfeldes zur Anregung der Quanten-. systeme auf ein optisch absorbierendes Niveau auf, eine Lampe zur Erzeugung des Lichtstrahls und ein optisches System mit einem Photodetektor für den Lichtstrahl, und die Besonderheit, daß eine Einrichtung zur meßbaren Beeinflussung des resultierenden Magnetfeldes vorgesehen ist.
Die Einrichtung zur meßbaren Beeinflussung des resultierenden Magnetfeldes kann beispielsweise aus einem Sweep- oder Wobbelgenerator und einer Spule bestehen, durch die ein Gleichstrom fließt, dessen Größe ein Maß für die Stärke des zu bestimmenden Magnetfeldes ist. Dabei kann die Einrichtung zur Erzeugung eines zusätzlichen Magnetfeldes in Form eines HF-Magnetfeldes H₁ über eine Vergleichsschaltung an die Einrichtung zur meßbaren Beeinflussung des reduzierenden Magnetfeldes angeschlossen sein und einen HF-Generator mit nachstimmbarer Frequenz aufweisen, so daß die Frequenz des HF-Generators ein Maß für die Stärke des zu bestimmenden Magnetfeldes ist. ·An arrangement for carrying out the method according to the invention therefore has, analogously to the arrangement for determining the paramagnetic resonance, a device for generating an additional magnetic field for exciting the quantum. systems to an optically absorbing level, a lamp for generating the light beam and an optical system with a photodetector for the light beam, and the special feature that a device is provided for measurably influencing the resulting magnetic field.
The device for measurably influencing the resulting magnetic field can for example consist of a sweep or wobble generator and a coil through which a direct current flows, the size of which is a measure of the strength of the magnetic field to be determined. The device for generating an additional magnetic field in the form of an HF magnetic field H _{1 can be} connected via a comparison circuit to the device for measurably influencing the reducing magnetic field and have an HF generator with a re-adjustable frequency, so that the frequency of the HF generator is a Measure of the strength of the magnetic field to be determined. ·

Die Einrichtung zur meßbaren Beeinflussung des resultierenden Magnetfeldes kann ferner aus einem an den Photodetektor angeschlossenen HF-Verstärker bestehen, der über einen Phasenschieber mit einer ein HF-Magnetfeld H₁ als zusätzliches Magnetfeld erzeugenden Spule derart verbunden ist, daß die Ausgangsspannung des Photodetektors auf die Quantensysteme zur Aufrechterhaltung der Schwingung rückgekoppelt wird.The device for measurably influencing the resulting magnetic field can also consist of an HF amplifier connected to the photodetector, which is connected via a phase shifter to a coil generating an HF magnetic field H ₁ as an additional magnetic field in such a way that the output voltage of the photodetector is applied to the quantum systems is fed back to maintain the oscillation.

. Schließlich besteht noch die Möglichkeit, daß ein senkrecht zum zu bestimmenden Magnetfeld gerichtetes Magnetfeld impulsweise zuschaltbar ist, so daß die Quantensysteme zu freien Präzessionen um das zu bestimmende Magnetfeld veranlaßt werden. Dabei kann ein Gleichstromimpulsgeber an das zusätzliche Magnetfeld erzeugende Spulen angeschlossen sein, oder als Variante dieser Anordnung kann ein Sequenzer oder eine Folgeschaltung vorgesehen werden, die den das zusätzliche Magnetfeld erzeugenden Spulen nacheinander einen Gleichstrom- und einen HF-Impuls zuführt.
Eine erzwungene Präzession der Quantensysteme kann mit einer Anordnung erreicht werden, bei der zwei "unter einem Winkel gegeneinander versetzte Lichtkomponenten vorgesehen sind, die eine Orientierung der Ausrichtung der Quantensysteme unter einem Winkel zum unidirektionalen Magnetfeld (H₀, H_E) herbeiführen, so daß das HF-Magnetfeld (/Z₁) als zusätzliches Magnetfeld eine Präzession der Quantensysteme um das "unidirektionale Magnetfeld (H₀, H_E) bewirkt. Dabei können zur Erzeugung der beiden Lichtkomponenten zwei Lampen vorgesehen sein, von deren .Lichtstrahlen einer parallel und der andere senkrecht zum unidirektionalen Magnetfeld gerichtet ist, oder es kann zur Erzeugung der beiden Lichtkomponenten eine einzelne Lampe vorgesehen werden, deren Lichtstrahl unter einem Winkel von vorzugs-. Finally, there is also the possibility that a magnetic field directed perpendicular to the magnetic field to be determined can be switched on in pulses, so that the quantum systems are induced to free precessions around the magnetic field to be determined. A direct current pulse generator can be connected to the additional magnetic field generating coils, or as a variant of this arrangement a sequencer or a sequential circuit can be provided which successively supplies a direct current and an RF pulse to the additional magnetic field generating coils.
A forced precession of the quantum systems can be achieved with an arrangement in which two "light components offset from one another at an angle are provided which bring about an orientation of the alignment of the quantum systems at an angle to the unidirectional magnetic field (H ₀ , H _E ) , so that the HF magnetic field (/ Z ₁ ) as an additional magnetic field causes a precession of the quantum systems around the "unidirectional magnetic field (H ₀ , H _E ) . Two lamps can be provided to generate the two light components, one of whose light beams is directed parallel and the other perpendicular to the unidirectional magnetic field, or a single lamp can be provided to generate the two light components, the light beam of which is at an angle of preferably

65"weise 45° zum unidirektionalen Magnetfeld gerichtet ist.65 "oriented 45 ° to the unidirectional magnetic field is.

Auf jeden Fall können zur Erzeugung eines HF-Magnetfeldes als zusätzliches Magnetfeld Spulen vor-In any case, coils can be provided as an additional magnetic field to generate an HF magnetic field.

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gesehen sein, an die ein HF-Impulsgeber angeschlossen ist.be seen to which an HF pulse generator is connected.

Wie bereits erwähnt worden ist, müssen die Energieübergänge der Quantensysteme magnetfeldabhängig sein, um ein Magnetfeld zu messen; werden magnetfeldunabhängige übergänge in der erläuterten Art in einer Anordnung ausgenutzt, die eine Frequenz als Maß für ein zu bestimmendes Magnetfeld liefern würde, so wird diese Anordnung eine extrem stabile Frequenz liefern, d. h. als Frequenznormal geeignet sein. Voraussetzung dafür ist allerdings, daß die Einrichtung zur meßbaren Beeinflussung des resultierenden Magnetfeldes ausschließlich die Frequenz der vom HF-Generator bzw. HF-Verstärker gelieferten Spannung beeinflußt. Zweckmäßig wird dabei die Lichtkomponente, deren Absorption gemessen wird, parallel zum unidirektionalen Magnetfeld und zum HF-Magnetfeld gerichtet.As has already been mentioned, the energy transitions of the quantum systems must be dependent on the magnetic field be to measure a magnetic field; Magnetic field-independent transitions are shown in the manner explained in exploited an arrangement that provide a frequency as a measure of a magnetic field to be determined this arrangement will provide an extremely stable frequency; H. suitable as a frequency standard being. A prerequisite for this, however, is that the device is capable of measurably influencing the resulting Magnetic field exclusively the frequency of the HF generator or HF amplifier supplied Voltage affects. The light component whose absorption is measured is expediently directed parallel to the unidirectional magnetic field and the HF magnetic field.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to the drawing; it shows

F i g. 1 schematisch die interessierenden Energieniveaus von Quecksilberatomen und die Ubergangsmöglichkeiten, .F i g. 1 schematically shows the energy levels of mercury atoms of interest and the transition possibilities, .

F i g. 2 schematisch die möglichen Orientierungen des magnetischen Momentes von Quecksilberatomen in einem magnetischen Feld,F i g. 2 schematically shows the possible orientations of the magnetic moment of mercury atoms in a magnetic field,

F i g. 3 ein Blockschema einer möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetometers, ■F i g. 3 a block diagram of a possible embodiment of a magnetometer according to the invention, ■

F i g. 4 ein schematisehes Bild, welches die Energieniveaus von Natriumatomen spezieller Art und die Ubergangsmöglichkeiten derselben wiedergibt; hierbei ist, da für die vorliegenden Erörterungen nicht von Belang, dem Vorzeichen der g-Faktoren und den zugehörigen verschiedenen F-Niveaus keine Beachtung geschenkt,F i g. 4 is a schematic diagram showing the energy levels of sodium atoms of a special kind and their transition possibilities; here is, since it is not relevant to the present discussions, the sign of the g-factors and the associated different F-levels are not taken into account,

F i g. 5 eine Oszillographenspur der Absorption der 589.6-nm-Linie, bedingt durch 3²S_1/2-Natriumatome bei verschiedenen Feldstärken H₀, wobei die Zunahme der Absorption infolge paramagnetischer Resonanzwiederausrichtung gezeigt ist unter Anwendung eines radiofrequenten Feldes und eines optischen einen Pumpvorgang bewirkenden Lichtstrahls, der parallel zu W₀ und zirkulär im Uhrzeigersinn polarisiert ist,F i g. 5 is an oscilloscope trace of the absorption of the 589.6 nm line caused by 3 ² S _1/2 sodium atoms at different field strengths H ₀ , the increase in absorption due to paramagnetic resonance realignment being shown using a radio frequency field and an optical light beam causing a pumping process polarized parallel to W ₀ and circularly clockwise,

F i g. 6 eine schematische Darstellung der möglichen radiofrequenten übergänge zwischen Hyperfeinstruktur-Niveaus des Grundzustandes von Alkaliatomen, F i g. 6 a schematic representation of the possible radio frequency transitions between hyperfine structure levels the ground state of alkali atoms,

F i g. 7 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Magnetometersystems unter Anwendung eines Alkalielementes, 'F i g. 7 is a block diagram of a magnetometer system according to the invention using an alkali element, '

F i g. 8 eine schematische Darstellung der Energieniveaus eines theoretischen Falles eines Atomes, welches ein Valenz-Elektron besitzt, wobei der Kernspin Null ist,F i g. 8 a schematic representation of the energy levels of a theoretical case of an atom, which has a valence electron, where the nuclear spin is zero,

Fig. 9a bis.9e Vektordiagramme, welche verschiedene Präzessionsbewegungen von quantenhaften Systemen wiedergeben,Figures 9a through 9e are vector diagrams showing various Reproduce precession movements of quantum systems,

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung,Fig. 10 is a block diagram of another embodiment the invention,

F i g. 11 ein Blockschaltbild einer auf der Anwendung von drei Strahlen beruhenden Meßanordnung,F i g. 11 is a block diagram of an on the application measuring arrangement based on three beams,

Fig. 12 ein Blockschaltbild eines Oszillatorsystems gemäß der Erfindung,Fig. 12 is a block diagram of an oscillator system according to the invention,

Fig. 13 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Oszillators, Fig. 14 ein Blockschaltbild eines freie Präzessionen ausnutzenden Systems unter Anwendung modulierter optischer Strahlung,Fig. 13 is a block diagram of another embodiment of an oscillator according to the invention, FIG. 14 is a block diagram of a free precession utilizing system using modulated optical radiation,

Fig. 15 ein Blockschaltbild einer weiteren, freie Präzessionen ausnutzenden Anordnung,
Fig. 16 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform eines mit freien Präzessionen arbeitenden Systems.15 shows a block diagram of a further arrangement which uses free precessions,
16 is a block diagram of a third embodiment of a free precession system.

Gemäß den Prinzipien der Quantentheorie werden Energiezustände eines Atoms durch eine Gruppe von vier Quantenzahlen charakterisiert. Der niedrigste Energiezustand oder das Grundniveau für die beiden Elektronen außerhalb der geschlossenen Schale der 78 Elektronen im Quecksilberatom wird im allgemeinen als 6¹S₀ bezeichnet (vgl. Fig. 1), wobei 6 die Hauptquantenzahl ist, die Ziffer 1 die Spinquantenzahl, S die Nebenquantenzahl und 0 die innere Quantenzahl. Die Quecksilberatome können von dem Grundniveau 6¹S₀ durch Elektronenstoß zu angeregten Zuständen, d. h. solchen höheren Energieinhaltes übergehen; dasselbe kann auftreten, wenn man hohe Temperaturen anwendet oder gestattet, daß Strahlungsenergie einer Strahlungsquelle absorbiert wird. Durch Elektronenstoßanregung können die Quecksilberatome vom 6'S₀-Grundzustand beispielsweise inAccording to the principles of quantum theory, the energy states of an atom are characterized by a group of four quantum numbers. The lowest energy state or the basic level for the two electrons outside the closed shell of the 78 electrons in the mercury atom is generally referred to as 6 ¹ S ₀ (see Fig. 1), where 6 is the main quantum number, the number 1 the spin quantum number, S the Minor quantum number and 0 the inner quantum number. The mercury atoms can change from the basic level 6 ¹ S ₀ to excited states, ie those with a higher energy content, by electron impact; the same can occur when applying high temperatures or allowing radiant energy from a radiation source to be absorbed. Electron impact excitation can cause the mercury atoms from the 6'S ₀ ground state to, for example, in

den Zustand 6³P₂ übergehen. Der Zustand 6³P₂ ist ein metastabiler Zustand, von welchem ein Atom nicht durch Ausstrahlung von Energie in den Grundzustand zurückkehren kann. Ein Quecksilberatom bleibt im Zustand 6³P₂, bis es durch Zusammenstoß den richtigen Energiebetrag an ein anderes Atom abgeben kann, oder aber hinreichend Energie aufnehmen kann, um in einen höheren Zustand zu kommen, von welchem aus die Auswahlregeln eine* Rückkehr in den Grundzustand unter Abgabe von Strahlung gestatten. Wenn sich Quecksilberatome durch Elektronenstoß im Zustand 6³P₂ befinden, so wird durch ein magnetisches Polarisationsfeld H₀ parallel zum Elektronenstrahl von ungefähr 8,3 Gauß entsprechend dem Zeeman-Effekt das 6³P₂-Energieniveau in fünf Unterniveaus aufgespalten, welche im Termschema ungefähr 17,2 MHz auseinanderliegen, wenn Kernmomente fehlen. Die magnetischen Momente M₀ der Atome in den verschiedenen Unterniveaus sind in verschiedenen Richtungen relativ, in bezug zur Richtung des die Niveauaufspaltung bewirkenden Magnetfeldes H₀ orientiert. So ist die z-Komponente des magnetischen Moments, d. h. die Projek-i tion des magnetischen Momentvektors auf die Richtung des Polarisationsfeldes H₀, für Atome im Unterniveau M = O gleich Null und Atome in den Unterniveaus M = ± 1 und M = ± 2 progressiv größer, wobei die z-Komponenten der Unterniveaus M = — 1 und M = — 2 entgegengesetzt gleich (antiparallel) zu denen der Unterniveaus M = +1 und M = +2 sind (F i g. 2). Von diesen fünf Unterniveaus werden durch Elektronenstoßanregung vor allem das Unterniveau M=O und, infolge Austausches, von Elektronenspin, die Unterniveaus M = ± 1 besetzt, im Gegensatz zu den Unterniveaus M= ±2, was eine als Ausrichtung des Systems bezeichnet wird.pass the state 6 ³ P _2. The state 6 ³ P ₂ is a metastable state, from which an atom cannot return to the ground state by emitting energy. A mercury atom remains in the state 6 ³ P ₂ until it can transfer the correct amount of energy to another atom through a collision, or can absorb enough energy to get into a higher state, from which the selection rules a * return to the ground state permit with emission of radiation. If mercury atoms are in the state 6 ³ P ₂ due to electron impact, a magnetic polarization field H ₀ parallel to the electron beam of approximately 8.3 Gauss, according to the Zeeman effect, splits the 6 ³ P ₂ energy level into five sub-levels, which in the term scheme about 17.2 MHz apart when nuclear moments are absent. The magnetic moments M _{0 of} the atoms in the different sub-levels are oriented in different directions relative to the direction of the magnetic field H _{0 causing the level splitting.} The z-component of the magnetic moment, ie the projection of the magnetic moment vector in the direction of the polarization field H ₀ , is zero for atoms in the lower level M = O and atoms in the lower level M = ± 1 and M = ± 2 progressively larger, the z-components of the sub-levels M = - 1 and M = - 2 being oppositely equal (antiparallel) to those of the sub-levels M = +1 and M = +2 (FIG. 2). Of these five sub-levels, the sub-level M = O in particular and, as a result of exchange, electron spin occupy the sub-level M = ± 1, in contrast to the sub-level M = ± 2, which is referred to as the alignment of the system.

Diese Ausrichtung kann in folgender Weise durch die Technik optischer Strahlung überwacht werden, d. h., es kann festgestellt werden, ob solch eine Ausrichtung tatsächlich auftritt und in welchem Maße.This alignment can be monitored by the technique of optical radiation in the following way, d. that is, it can be determined whether such alignment actually occurs and to what extent.

Die Systeme werden mit der grünen Quecksilberlinie (546.1 nm) beleuchtet, so daß diese von den Quecksilberatomen absorbiert wird und diese vom Zustand 6³P₂-Niveau in den Zustand 7³S₁ übergehen. WennThe systems are illuminated with the green mercury line (546.1 nm) so that it is absorbed by the mercury atoms and these pass ^{from the state 6 3} P ₂ to the state 7 ³ S _1. When

die Strahlung nicht polarisiert ist, werden die Atome von den fünf Unterniveaus M = O, ±1, ±2 ohne Unterschied in die drei Unterniveaus M = 0, ± 1 des höheren Zustandes 7³S₁ angehoben. Von diesem höheren Zustand können die Quecksilberatome unter entsprechender spektraler Ausstrahlung in den Grundzustand oder irgendeines der fünf Unterniveaus des Zustandes 6³P₂ zurückkehren.the radiation is not polarized, the atoms are lifted from the five sub-levels M = 0, ± 1, ± 2 without any difference to the three sub-levels M = 0, ± 1 of the higher state 7 ³ S _1. From this higher state the mercury atoms can return to the ground state or any of the five sub-levels of the state 6 ³ P _{2 with appropriate spectral radiation.}

Wenn indessen die Strahlung in einer bestimmten Richtung relativ zum Magnetfeld H₀ polarisiert ist, so gehen die Atome der fünf Unterniveaus nicht ohne Unterschied in den höheren Energiezustand -7³S₁ über; Atome in bestimmten Unterniveaus absorbieren die polarisierte Strahlung und gehen in den höheren Energiezustand über, während Atome in anderen Unterniveaus keine Strahlung absorbieren und dementsprechend in dem Unterniveau verharren. Wenn die Strahlung parallel dem Magnetfeld H₀ polarisiert wird, so wirkt sich die Auswahlregel IM = O der Quantentheorie aus und dementsprechend absorbieren nur» Quecksilberatome in den Unterniveaus M=O. ±1,. und nur diese werden in den höheren Energiezustand 7³S₁, und zwar dessen Unterniveaus M = O, ± I angehoben. Wie daher in F i g. 1 angedeutet, werden Atome in den Unterniveaus M = O, ±1 des Zustandes 6³P₂ die Unterniveaus M = O, ±1 des Zustandes 7³S, besetzen. Atome, die sich in den nicht absorbierenden Unterniveaus M = +2 und M = —2 des Zustandes 6³P₂ befinden, gehen nicht zu den höheren Energieniveaus 7³S₁ über, da dieses Niveau keine entsprechenden Unterniveaus ± 2 besitzt. Die von den Quecksilberatomen absorbierte Strahlungsenergie kann bestimmt und angezeigt oder aufgezeichnet werden.If, however, the radiation is polarized in a certain direction relative to the magnetic field H ₀ , then the atoms of the five sub-levels do not change without distinction into the higher energy state -7 ³ S ₁ ; Atoms in certain sub-levels absorb the polarized radiation and go into the higher energy state, while atoms in other sub-levels do not absorb any radiation and accordingly remain in the sub-level. If the radiation is polarized parallel to the magnetic field H ₀ , the selection rule IM = O of quantum theory has an effect and accordingly only »mercury atoms in the sublevels M = O absorb. ± 1 ,. and only these are raised to the higher energy state 7 ³ S ₁ , namely its sub-level M = O, ± I. As therefore shown in FIG. 1 indicated, atoms in the sub-level M = O, ± 1 of the state 6 ³ P _{2 will} occupy the sub-level M = O, ± 1 of the state 7 ^{3 S.} Atoms that are in the non-absorbing sub-levels M = +2 and M = -2 of the state 6 ³ P ₂ do not move to the higher energy levels 7 ³ S ₁ , since this level has no corresponding sub-levels ± 2. The radiation energy absorbed by the mercury atoms can be determined and displayed or recorded.

Die Mehrzahl der Quecksilberatome, welche in den Energiezustand 7³S₁, welcher kein metastabiler Zustand ist, übergeführt werden, können beispielsweise unter Strahlungsaussendung in den Grundzustand 6¹S₀ zurückkehren, von welchem aus sie wiederum durch Elektronenstoß in die Unterniveaus des metastabilen Energiezustandes 6^JP₂ übergeführt werden können.The majority of the mercury atoms, which are converted into the energy state 7 ³ S ₁ , which is not a metastable state, can ^{return to the ground state 6 1} S ₀ , for example by emitting radiation, from which they in turn return to the sub-level of the metastable energy state 6 by electron impact ^J P ₂ can be transferred.

Gemäß den Gesetzen der Quantentheorie ist die Frequenz der Energiequanten hy, welche die Zeeman-Unterniveaus trennen, durch die Larmorfrequenz bestimmt; diese Frequenz ist eine direkte Funktion der Stärke des Magnetfeldes H₀, welches die Aufspaltung der Terme bewirkt. Für ein bestimmtes Atom kann daher, wenn die Stärke des magnetischen Feldes H₀ bekannt ist, die Larmorfrequenz bestimmt werden und umgekehrt. Im Beispiel des Quecksilberatoms beispielsweise betrug die Larmorfrequenz 17,2 MHz bei einem Magnetfeld von 8,3 Gauß Stärke. Daraus ergibt sich die erfindungsgemäße Anwendung der beschriebenen Erscheinungen für die Messung von Magnetfeldern. Ein für praktische Zwecke geeignetes Magnetometer ist in Fig. 3 dargestellt. Es besteht aus einem Entladungsgefäß 11 mit einer Kathode 12 und Anode 13 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls zur Elektronenstoßanregung von im Entladungsgefäß 11 befindlichen Quecksilberatomen, einer Quecksilberdampflampe 14 zur Erzeugung der grünen Quecksilberlinie 546.1 nm mit Optik 15 und Polarisationsfilter 16, einer weiteren Optik 18 und einer Photozelle 17, mit einem Verstärker 19, einem HF-Generator 22 mit einer angeschlossenen Spule 23, die ein zum unbekannten Feld H₀ senkrechtes HF-Feld H, erzeugt, das zur Ausrichtung von auf einem nicht absorbierenden Niveau des metastabilen Zustands befindlichen Atomen dient, auf das sie beispielsweise durch Absorption der Strahlung und anschließendes Zurückfallen gelangt sind, und zwei Spulen 24, die ein dem unbekannten Magnetfeld H₀ paralleles Magnetfeld erzeugen und an einen Sweep-Generator25 angekoppelt sind, der einen Erregungsstrom für die Spulen 24 liefert. Die Ausgangsspannung des Photozellenverstärkers 19 liegt an einem Eingang eines phasenempfindlichen Detektors 28, an dessen anderen Eingang die Ausgangsspannung des Sweep-Generators liegt, so daß die Ausgangsspannung der Photozelle 17 in eine Gleichspannung am Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 28 umgewandelt wird, die über einen Widerstand 27 als Gleichstrom in den Spulenkreis 24 eingespeist wird. Größe und Vorzeichen der Gleichspannung und damit des eingespeisten Gleichstroms und somit des dem Sweep überlagerten Feldes hängt davon ab, ob bei der herrschenden Feldstärke H₀ und der Frequenz des H F-Feldes H₁ Resonanz herrscht (dann ist die Ausgangsgleichspannung gleich Null) oder nicht, in letzterem_Fall stellt sich die Ausgangsspannung des Detektors 28 so ein, daß die Summe aus dem unbekannten Feld H₀ und der statischen Komponente .des von den Spulen 24 erzeugten Feldes eine Feldstärke des HF-Feldes H₁ Resonanz ergibt, wie leicht einzusehen ist. Die Größe und Richtung des eingespeisten Gleichstroms kann am Meßinstrument 29 abgelesen werden, das unmittelbar in Feldstärke des unbekannten Feldes H₀ kalibriert oder gewünschtenfalls auch geeicht werden kann.According to the laws of quantum theory, the frequency of the energy quanta hy, which separate the Zeeman sublevels, is determined by the Larmor frequency; this frequency is a direct function of the strength of the magnetic field H ₀ which causes the split of the terms. For a specific atom, if the strength of the magnetic field H _{0 is} known, the Larmor frequency can be determined and vice versa. In the example of the mercury atom, for example, the Larmor frequency was 17.2 MHz with a magnetic field of 8.3 Gauss. This results in the application according to the invention of the phenomena described for the measurement of magnetic fields. A magnetometer suitable for practical use is shown in FIG. It consists of a discharge vessel 11 with a cathode 12 and anode 13 for generating an electron beam to excite the electron impact of mercury atoms in the discharge vessel 11, a mercury vapor lamp 14 for generating the green mercury line 546.1 nm with optics 15 and polarization filter 16, another optics 18 and a photocell 17, with an amplifier 19, an HF generator 22 with a connected coil 23, which _{generates an HF field H which is perpendicular to the unknown field H 0} and which serves to align atoms located at a non-absorbing level of the metastable state that they got there, for example, by absorbing the radiation and then falling back, and two coils 24 which _{generate a magnetic field parallel to the unknown magnetic field H 0} and are coupled to a sweep generator 25 which supplies an excitation current for the coils 24. The output voltage of the photocell amplifier 19 is applied to one input of a phase-sensitive detector 28, the other input of which is the output voltage of the sweep generator, so that the output voltage of the photocell 17 is converted into a DC voltage at the output of the phase-sensitive detector 28, which is transmitted via a resistor 27 is fed into the coil circuit 24 as direct current. The size and sign of the direct voltage and thus of the fed-in direct current and thus of the field superimposed on the sweep depends on whether _{there is resonance at the prevailing field strength H 0} and the frequency of the H F field H ₁ (then the output DC voltage is zero) or not In the latter case, the output voltage of the detector 28 is set so that the sum of the unknown field H ₀ and the static component of the field generated by the coils 24 _{results in a field strength of the HF field H 1} resonance, as can easily be seen. The size and direction of the direct current fed in can be read on the measuring instrument 29, which can be _{calibrated directly in the field strength of the unknown field H 0} or, if desired, also calibrated.

Statt Quecksilberatome können natürlich andere Atome und andere Quantensysteme benutzt werden; es kann auch die Richtung der Polarisation des Lichtes entsprechend den Quantensystemen und den zu erzielenden Resultaten gewählt werden. Wenn beispielsweise die optische Strahlung senkrecht zum Feld H₀ polarisiert ist und nicht parallel wie beschrieben, so gilt die Auswahlregel IM = ±1. Dann absorbieren die M = ± 2 Unterniveaus stärker, und dementsprechend wird die Absorption stärker statt schwächer, wenn durch Resonanz diese Unterniveaus stärker besetzt werden. Die optische Strahlung kann auch zirkulär polarisiert sein, und dann gelten die Auswahlregeln IM = +1 oder IM = — 1, je nach der Richtung der zirkulären Polarisation. Andere Mittel zur Bestimmung der Wiederausrichtung sind übergänge zwischen verschiedenen Hyperfeinstrukturzuständen, die im' allgemeinen durch die Quantenzahl F bezeichnet werden. Beispielsweise besitzt das Quecksilberisotop 199 zwei Hyperfeinstrukturzustände F = 3/2 und 5/2. Indem man ein mikrowellenfrequentes Magnetfeld senkrecht zum Feld H₀ verwendet, können übergänge IM;. = 0, ± 1, F == ±1 bewirkt werden, deren Wiederausrichtungseffekl ähnlich demjenigen des Vorganges IM = ± 1, IF = O der zuvor erörterten hochfrequenten übergänge ist.Instead of mercury atoms, other atoms and other quantum systems can of course be used; the direction of polarization of the light can also be chosen according to the quantum systems and the results to be achieved. If, for example, the optical radiation is _{polarized perpendicular to the field H 0} and not parallel as described, the selection rule IM = ± 1 applies. Then the M = ± 2 sub-levels absorb more strongly, and accordingly the absorption becomes stronger instead of weaker, if these sub-levels are more heavily occupied by resonance. The optical radiation can also be circularly polarized, and the selection rules IM = +1 or IM = - 1 then apply, depending on the direction of the circular polarization. Other means of determining realignment are transitions between different states of hyperfine structure, generally denoted by the quantum number F. For example, the isotope of mercury 199 has two hyperfine structure states F = 3/2 and 5/2. By using a microwave frequency magnetic field perpendicular to the field H ₀ , transitions IM ;. = 0, ± 1, F == ± 1, the realignment effect of which is similar to that of the process IM = ± 1, IF = O of the high frequency transitions discussed above.

Der Grundzustand von Natriumatomen ist das Niveau 3²S_1/2, mit Rücksicht auf die Spinquanlenzahl tritt eine'Aufspaltung in zwei Hyperfeinstrukturzustände F = 1 und F = 2 auf (vgl. Fig. 4). Die Atome sollen sich in einem Magnetfeld H₀. welches beispielsweise das erdmagnetische Feld sein kann, befinden, und der Hyperfcinstrukturzusland F = I wird in drei Zeeinan-Unterniveaus Λ/ =0. 11 aufgespalten, während der Zustand F 2 in fiinf/ceman-Unlcrnivcaus Λ/ = 0. II. \ 2 aufgespulten wird;The ground state of sodium atoms is the level 3 ² S _1/2 , with regard to the spin quantum number, there is a split into two hyperfine structure states F = 1 and F = 2 (cf. Fig. 4). The atoms are said to be in a magnetic field H ₀ . which can be the earth's magnetic field, for example, and the hyperfcin structure additional country F = I becomes Λ / = 0 in three Zeeinan sub-levels. 11 split up, while the state F 2 is wound up in five / ceman-Unlcrnivcaus Λ / = 0. II. \ 2 ;

diese Zeeman-Unterniveaus sind im Atomspektrum um die Larmorfrequenzder Natriumatome im Magnetfeld /Z₀ getrennt. In dem erdmagnetischen Feld von ungefähr l/2Gauß Stärke ist die Larmorfrequcnz ungefähr 35OkHz.these Zeeman sub-levels are separated in the atomic spectrum by the Larmor frequency of the sodium atoms in the magnetic field / Z ₀ . In the terrestrial magnetic field of about 1/2 Gauss strength, the Larmor frequency is about 350 kHz.

Entsprechend den Auswahlregeln der Quantentheorie bewirkt eine zirkulär polarisierte optische Strahlung übergänge IM = + 1 zwischen dem Grundniveau 3²S₁ 12 und dem energiereicheren Niveau 3²P₁₁₂ der Natriumatome, die um die Wellenlänge 589.6 nm getrennt sind. Der Zustand 3²P_1/2 wird in zwei Hyperfeinstrukturzustände F = 1, 2 aufgespalten, wie dies F i g. 4 zeigt, wobei diese Zustände wiederum in drei bzw. fünf Zeeman-Unterniveaus aufgespalten sind. In Anbetracht der Auswahlregcl I Af — +1 absorbieren sämtliche Natriumatome der Zeeman-Unlemiveaus des Zustandes 3²S_1/2 mit Ausnahme des Unterniveaus M = +2 des Hyperfeinstruktur-Niveaus F = 2 Energie der Wellenlänge 589.6 nm und werden dadurch auf das Niveau 3²P_1/2 angehoben. Die Atome in diesen höheren Niveaus können in die Unterniveaus des Grundzustandes zurückkehren, indem die erforderlichen Energiequanten als Strahlung oder durch Zusammenstöße und dergleichen Vorgänge abgegeben werden, wobei die Gesetze der Quantentheorie es zulassen, daß die Atome zu den verschiedenen Unterniveaus ohne Unterschied übergehen. Dementsprechend gewinnen die nicht absorbierenden Unterniveaus M — +2 Atome auf Kosten der anderen Unterniveaus, bis sich ein Sättigungszustand der Besetzung oder Ausrichtung einstellt. Praktisch ist das optische Pumpen wesentlich komplizierter, beispielsweise ist in dem Natriumlicht zusätzlich eine Strahlung 589.0 nm neben der Strahlung 589.6 nm vorhanden; diese beiden Strahlungen bilden die beiden sogenannten D-Linien des Natrium. Die 589.0-nm-Strahlung besitzt die geeignete Frequenz, um Natriumatome von ihrem Grundniveau in den Zustand 3²P₃₁₂ zu heben, der aus vier Hyperfeinstrukturzuständen F = 0, 1, 2 und 3 besteht, die wiederum 16 Zceman-Untcrniveaus bilden. Diese Erscheinung beeinflußt die Zahl der Natriumatome, welche die Unterniveaus des Grundzustandes besetzen, da das Verhältnis der Ubergangswahrscheinlichkeiten für das optische Pumpen aus den Zeeman-Unterniveaus des Grundzustandes heraus und deren relative Besetzung vom Verhältnis R der Intensität des Lichts der Wellenlänge 589.6 nm zur Intensität des Lichts der Wellenlänge 589.0 nm abhängt. Wenn die Intensitäten des Lichts beider Wellenlängen 589.6 nm und 589.0 nm gleich ist, d. h. der Faktor R = 1 ist, sind sämtliche Zeeman-Unterniveaus des Grundzustandes in gleicher Weise besetzt, und es tritt keine Ausrichtung des Systems auf. Wenn indessen R größer wird, so werden die M = +2 Unterniveaus M = +2 des Hypcrfeinstrukturzustandes F = 2 nicht absorbierend, und sie werden dann relativ zu den übrigen Zeeman-Unterniveaus überbesetzt; auf diese Weise ist die Größe der Ausrichtung eine Funktion des Verhältnisses der Intensität der verschiedenen Strahlungen. Es stehen kommerzielle Natriumlampen zur Verfügung, bei welchen ein wesentlicher Unterschied zwischen den Intensitäten der beiden D-Linien vorhanden ist. Man kann auch die eine oder die andere der D-Linien ausfillern, falls dies erwünscht ist, und auf diese Weise kann man eine reine D,-Strahlung erhalten, wodurch 100%ige Konzentration der Atome in den Zuständen F = 2 und Λ/ = 2 erreicht werden kann, die größtenteils unabhängig ist von den Einzelheilen der Rückkehr zu dem ²P-Niveau.According to the selection rules of quantum theory, circularly polarized optical radiation causes transitions IM = + 1 between the basic level 3 ² S ₁ 12 and the higher energy level 3 ² P _{112 of} the sodium atoms, which are separated by the wavelength 589.6 nm. The state 3 ² P _1/2 is split into two hyperfine structure states F = 1, 2, as shown in FIG. 4 shows, these states in turn being split into three or five Zeeman sub-levels. In view of the selection rule I Af - +1, all sodium atoms of the Zeeman unle levels of the state 3 ² S _1/2 with the exception of the sublevel M = +2 of the hyperfine structure level F = 2 absorb energy of the wavelength 589.6 nm and are thereby on the level 3 ² P _1/2 raised. The atoms in these higher levels can return to the sub-levels of the ground state by releasing the required energy quanta as radiation or through collisions and the like, the laws of quantum theory allowing the atoms to pass over to the various sub-levels without distinction. Correspondingly, the non-absorbing sub-levels M - +2 atoms gain at the expense of the other sub-levels until a state of saturation of occupation or alignment is established. In practice, the optical pumping is much more complicated, for example, in the sodium light there is an additional radiation of 589.0 nm in addition to the radiation of 589.6 nm; these two radiations form the two so-called D-lines of sodium. The 589.0 nm radiation has the appropriate frequency to raise sodium atoms from their basic level to the state 3 ² P ₃₁₂ , which consists of four hyperfine structure states F = 0, 1, 2 and 3, which in turn form 16 Zceman sub-levels. This phenomenon influences the number of sodium atoms which occupy the sub-level of the ground state, since the ratio of the transition probabilities for the optical pumping out of the Zeeman sub-level of the ground state and their relative occupancy from the ratio R of the intensity of the light of wavelength 589.6 nm to the intensity of the Light with a wavelength of 589.0 nm depends. If the intensities of the light of both wavelengths 589.6 nm and 589.0 nm are the same, ie the factor R = 1, then all Zeeman sub-levels of the ground state are occupied in the same way and the system does not align. If, however, R increases, the M = +2 sublevels M = +2 of the hyperfine structure state F = 2 become non-absorbent, and they are then overcrowded relative to the remaining Zeeman sublevels; in this way the magnitude of the alignment is a function of the ratio of the intensity of the various radiations. Commercial sodium lamps are available in which there is a substantial difference between the intensities of the two D-lines. One or the other of the D-lines can also be filled in, if so desired, and in this way one can obtain pure D, radiation, whereby 100% concentration of the atoms in the states F = 2 and Λ / = 2 can be achieved, which is largely independent of the details of the return to the ² P level.

Es können natürlich auch andere Ausrichtprozesse stattfinden, beispielsweise Ausrichtprozesse durch entgegengesetzt, d. h. gegen den Uhrzeigersinn, zirkulär polarisierte Natriumlichtstrahlung; die Quantentheorie liefert hierfür die Auswahlregel IM = —1 und das magnetische Unterniveau M = — 2 des Hyperfeinstruktur-Niveaus F = 2 des Grundzustandes wirdOf course, other alignment processes can also take place, for example alignment processes by means of counterclockwise, ie counterclockwise, circularly polarized sodium light radiation; quantum theory provides the selection rule IM = -1 for this and the magnetic sublevel M = -2 of the hyperfine structure level becomes F = 2 of the ground state

,o nicht absorbierend und wird im Vergleich zu den übrigen magnetischen Unterniveaus überbesetzt., o not absorbent and is overstaffed compared to the other magnetic sublevels.

Statt Natriumatomen können selbstverständlich auch andere Alkaliatome, wie Kalium, Rubidium und Caesium, verwendet werden, für die praktisch dieInstead of sodium atoms, of course, other alkali atoms such as potassium, rubidium and Cesium, used for practically the

,₅ gleichen Überlegungen gelten., ₅ same considerations apply.

Zwei Nachteile, die die Verwendung von Natrium mit sich bringt, liegen einerseits in der verhältnismäßig hohen Temperatur, die sowohl für die Lichtquelle als auch für die Absorptionszelle (230 und 140 'C) benötigt wird und in dem engen Abstand von 0.6 nm der Natrium-D-Linien, was es schwierig macht, eine dieser Linien auszufiltern. Im Falle der Alkalimetalle Kalium, Rubidium und Caesium sind die Spektrallinien, weiche die Energieniveaus P_1/2 und P_3/2 anregen, verhältnismäßig weit voneinander getrennt und können durch Anwendung von Interferenzfiltern ausgefiltert werden. Kalium ist für viele Anwendungszwecke der Erfindung sehr geeignet. Die Betriebseigenschaften einer Kalium-Absorptionszelle dürften bei 6O⁰C optimal sein, eine sehr günstige Umgebungstemperatur. Die beiden interessierenden Spektrallinien von Kalium sind 766.5 und 769.9 nm, wodurch die Filterung einfacher wird als bei Natrium. Rubidium hat den* Vorteil, daß es eine sehr hohe Hyperfeinstruktur-Konstante besitzt, was zur Folge hat, daß im erdmagnetischen Feld eine sehr kleine Aufspaltung entsprechend dem Back-Goudsmit-Effekt auftritt; die beiden interessierenden Spcktrallinicn sind mehr als 10 nm voneinander getrennt (780.0 bzw. 794.8 nm), was die Filterung außerordentlich einfach gestaltet. Die Arbeitstemperatur der Rubidium-Absorptionszelle liegt nahe bei der Raumtemperatur. Caesium (852.1 bis 894.3 nm) benötigt noch geringere Arbeitstemperaturen und erfordert unter Umständen sogar Kühlung. Caesium hat einen höheren Arbeitsdampfdruck, und daher kommt man mit geringeren Mengen einer Probe aus. Lithium hat einen sehr niedrigen Dampfdruck und erfordert hohe Arbeitstemperaturen', und es sind auch die beiden Spektrallinien sehr nahe beieinander gelegen, weniger als 0.1 nm getrennt.Two disadvantages associated with the use of sodium are, on the one hand, the relatively high temperature that is required both for the light source and for the absorption cell (230 and 140 ° C) and in the narrow distance of 0.6 nm of the sodium D lines, which makes it difficult to filter out any of these lines. In the case of the alkali metals potassium, rubidium and cesium, the spectral lines which _{excite the energy levels P 1/2} and P _{3/2 are} relatively far apart and can be filtered out by using interference filters. Potassium is very suitable for many uses of the invention. The operational characteristics of a potassium absorption cell are likely to be optimal, a very favorable ambient temperature at 6O ⁰ C. Potassium's two spectral lines of interest are 766.5 and 769.9 nm, which makes filtering easier than sodium. Rubidium has the advantage that it has a very high hyperfine structure constant, with the result that a very small splitting occurs in the earth's magnetic field, corresponding to the Back-Goudsmit effect; the two spectral lines of interest are separated from one another by more than 10 nm (780.0 and 794.8 nm), which makes filtering extremely easy. The working temperature of the rubidium absorption cell is close to room temperature. Cesium (852.1 to 894.3 nm) requires even lower working temperatures and may even require cooling. Cesium has a higher working vapor pressure and therefore smaller amounts of a sample can be used. Lithium has a very low vapor pressure and requires high working temperatures, and the two spectral lines are also very close to each other, less than 0.1 nm apart.

Eine ,wesentliche Zunahme der Absorption derA substantial increase in the absorption of the

589.6-nm-Stralilung in Natriumatomen kann erzielt werden, wenn man die Natriumatome durch paramagnetische Resonanz im Zustand 3²S, , wiederausrichtet, so daß übergänge zwischen den Zeeman-Unterniveaus bewirkt werden. Wenn mittels eines 'HF-Generators 41 (Fig. 7) und einer Hochfrequenz-' spule 42, die in der Nähe des Absorptionsgefäßes 31 angeordnet wird, ein hochfrequentes magnetisches Feld /Z₁ mit der Larmorfrequenz (350 kHz) der Natriumalome im magnetischen Feld der Erde H₀ von ungefähr 1/2 Gauß Feldstärke senkrecht zur Richtung des magnetischen Feldes H₀ wirkt, tritt Resonanz der Natriumatome ein, durch die übergänge IM= ±1 zwischen den magnetischen Unterniveaus induziert werden. Die absorbierenden Zeeman-Unterniveaus werden während der Resonan/.übergänge dann ,auf Kosten der nicht absorbierenden Zeeman-Unter-589.6 nm radiation in sodium atoms can be achieved by realigning the sodium atoms by paramagnetic resonance in the state 3 ² S,, so that transitions between the Zeeman sublevels are effected. If by means of an 'HF generator 41 (Fig. 7) and a high-frequency' coil 42, which is arranged in the vicinity of the absorption vessel 31, a high-frequency magnetic field / Z ₁ with the Larmor frequency (350 kHz) of the sodium alome in the magnetic field earth H ₀ with a field strength of about 1/2 Gauss perpendicular to the direction of the magnetic field H ₀ , resonance of the sodium atoms occurs, which induces transitions IM = ± 1 between the magnetic sublevels. The absorbing Zeeman sub-levels are then reduced during the resonance transitions at the expense of the non-absorbing Zeeman sub-levels.

109 6Ml .? I109 6ml.? I.

nivcaus M= + 2 in stärkerem Maße besetzt. Die stärkere Besetzung der absorbierenden Unterniveaus ergibt eine wesentliche Schwächung der Wellenlänge 589.6 nm, die durch die Photozelle 37 angezeigt wird. Indem man das magnetische Feld //„ mit einem niederfrequenten Sweepfeld moduliert, unter Anwendung entsprechender Modulationsspulen 43 und eines Sweepgenerators 44, kann der Zustand maximaler paramagnetischcr Resonanz periodisch durchlaufen werden. Die Abnahme der hindurchgelassenen Strahlung, die sich während der Resonanz ergibt, ist als Oszillographenspur in F i g. 5 dargestellt. Statt als Sweep das magnetische Feld //„ zu modulieren, kann auch selbstverständlich die Frequenz des H F-Feldes //, moduliert werden, um den Resonanzbereich vor und zurück zu durchlaufen.nivcaus M = + 2 occupied to a greater extent. The greater occupancy of the absorbing sub-level results in a substantial weakening of the wavelength 589.6 nm, which is indicated by the photocell 37. By modulating the magnetic field with a low-frequency sweep field using appropriate modulation coils 43 and a sweep generator 44, the state of maximum paramagnetic resonance can be cycled through. The decrease in the transmitted radiation that occurs during resonance is shown as an oscilloscope trace in FIG. 5 shown. Instead of modulating the magnetic field // “as a sweep, the frequency of the HF field //, can of course also be modulated in order to pass through the resonance range back and forth.

Eine ähnliche Situation ergibt sich, wenn Nullfcld-Mikrowellenübergänge IF= ± 1; ΙΛ/ = (), ± 1 durch Anwendungeines hochfrequenten magnetischen Feldes geeigneter Richtung und Frequenz zwischen Hyperfeinstruktur-F-Gruppen bewirkt wird — für Natrium beträgt die Frequenz 1772 MHz — oder / und J in starken magnetischen Feldern entkoppelt werden. Mikrowellenübergänge IF = ±1; IM = 0, ±1 zwischen Hyperfeinstruktur-F-Gruppen von Natriumatomen sind in F i g. 6 dargestellt. Gemäß den Regeln der Quantenmechanik sind in schwachen magnetischen Feldern die Übergänge zwischen dem Niveau F = I; M = O und dem Niveau F=I; Λ/ = 0 unabhängig von der magnetischen Feldstärke. Durch ein magnetisches Feld der gyromagnetischen Resonanzfrequenz von 1772 MHz, parallel zum Feld //„, werden übergänge IM = 0 ausgelöst, und wenn die Orientierung senkrecht ist, treten die übergänge ,IM= ±1 auf.A similar situation arises when zero-fcld microwave transitions IF = ± 1; ΙΛ / = (), ± 1 is effected by applying a high-frequency magnetic field of suitable direction and frequency between hyperfine structure F-groups - for sodium the frequency is 1772 MHz - or / and J can be decoupled in strong magnetic fields. Microwave transitions IF = ± 1; I M = 0, ± 1 between hyperfine structure F groups of sodium atoms are shown in FIG. 6 shown. According to the rules of quantum mechanics, in weak magnetic fields the transitions between level F = I; M = O and the level F = I; Λ / = 0 independent of the magnetic field strength. A magnetic field with a gyromagnetic resonance frequency of 1772 MHz, parallel to the field // ", triggers transitions IM = 0, and if the orientation is perpendicular, the transitions, IM = ± 1, occur.

Die Natrium-Resonanzlinie hat eine thermische Relaxationszeit T₁ von ungefähr 0,2 Sekunden und eine Linienbreite, die entsprechend schmal ist, gemessen in magnetischer Feldstärke ungefähr 10~⁶ Gauß. Die optische Anzeige der Resonanz liefert eine Anzeigeverfahren mit äußerst günstigem Störspannungsabstand. Die Absorption eines HF-Quants oder Photons ergibt übergänge der Natriumatome zwischen Zeeman-Unterniveaus, und diese werden durch die Absorption eines durchgelassenen Lichtstrahls, d. h. Lichtphotonen, angezeigt. Im erdmagnetischen Feld beträgt die Frequenz eines Hochfrequenzphotons ungefähr ΙΟ⁶ Hz und die Frequenz eines optischen Photons ungefähr 10¹⁵ Hz. Dementsprechend ergibt sich durch den Resonanzvorgang der absorbierten Energie eine Verstärkung von ungefähr 1O⁹. Es wird deshalb ein ungewöhnlich guter Störspannungsabstand erreicht, obwohl die Anzeige des durchgelassenen Lichtes durch ein lichtempfindliches Element, wie es eine Photozelle darstellt, einen relativ schlechten Wirkungsgrad zeigt; für die besten photoempfindlichen Schichten werden nämlich ungefähr 10 Quanten pro Elektron benötigt, was ungünstig ist im Vergleich zu Elementen, die für die Anzeige von Hochfrequenzenergie verwendet werden. Der Energiegewinn, der durch die magneto-optische Verstärkung erzielt wird, ist so außerordentlich, daß er sämtliche übrigen Verluste im System in hohem Maße wettmacht.The sodium resonance line has a thermal relaxation time T ₁ of approximately 0.2 seconds and a line width that is correspondingly narrow, measured in magnetic field strength of approximately 10 ~ ⁶ Gauss. The optical display of the resonance provides a display method with an extremely favorable signal-to-noise ratio. The absorption of an HF quantum or photon results in transitions of the sodium atoms between Zeeman sublevels, and these are indicated by the absorption of a transmitted light beam, ie light photons. In the earth's magnetic field, the frequency of a high- ^{frequency photon is approximately ΙΟ 6} Hz and the frequency of an optical photon is approximately 10 ¹⁵ Hz. Accordingly, the resonance process of the absorbed energy results in a gain of approximately 10 ⁹ . An unusually good signal-to-noise ratio is therefore achieved, although the display of the transmitted light by a photosensitive element such as a photocell shows a relatively poor efficiency; in fact, the best photosensitive layers require about 10 quanta per electron, which is unfavorable in comparison with elements used for the display of high-frequency energy. The energy gain that is achieved by the magneto-optical amplification is so extraordinary that it makes up for all other losses in the system to a large extent.

Die in F i g. 5 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetometers unterscheidet sich deshalb von der nach F i g. 3 zunächst darin, daß keine Elektronenstoßanrcgung vorhanden ist, die bei Quecksilber und Systemen mit ähnlicher Termschemastruktur als erste Anregungsstufe benötigt wird, und weiter darin, daß der Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 46 über eine Frequenz-Abstimmschaltung 47 die Frequenz des HF-Generators 41 zur Erzeugung des HF-Feldes H₁ nachstimmt, bis Resonanz eingetreten ist, statt dem zu messenden Feld H₀ ein zusätzliches Feld im Wege der Rückkoppelung des Absorptionssignals zu überlagern; entsprechend der erläuterten Theorie ist kein einfaches Polarisationsfilter, sondern ein zirkulär polarisierender Filter 35 vorgesehen, und das Feld H₁ steht senkrecht zum Feld H₀. Die Arbeitsweise ist jedoch im wesentlichen gleich, durch die Rückkoppelung wird die Resonanzbedingung eingestellt und ein Maß für die Feldstärke erhalten, das im Fall der F i g. 3 die Stromstärke und im Fall der Fig. 7 die eingestellte Frequenz ist; dieses Maß kann, wie in Fig. 3 dargestellt, angezeigt, oder in nicht näher dargestellter Weise aufgezeichnet werden.The in F i g. The embodiment of a magnetometer according to the invention shown in FIG. 5 therefore differs from that according to FIG. 3 first in the fact that there is no electron impact excitation, which is required as the first excitation stage in mercury and systems with a similar term diagram structure, and further in that the output of the phase-sensitive detector 46 via a frequency tuning circuit 47 the frequency of the HF generator 41 to generate of the HF field H ₁ readjusts until resonance has occurred, instead of superimposing an additional field on the field H ₀ to be measured by way of the feedback of the absorption signal; In accordance with the theory explained, there is no simple polarization filter, but a circularly polarizing filter 35, and the field H ₁ is perpendicular to the field H ₀ . However, the method of operation is essentially the same; the feedback is used to set the resonance condition and a measure of the field strength is obtained which, in the case of FIG. 3 is the current intensity and, in the case of FIG. 7, the set frequency; this measure can be displayed, as shown in FIG. 3, or recorded in a manner not shown in detail.

Das Magnetometer nach F i g. 7 eignet sich beson-The magnetometer according to FIG. 7 is particularly suitable

ders für Messungen von Flugzeugen in kontinuierlicher Weise. Das Meßsystem spricht auf schnelle Änderungen der magnetischen Feldstärke sehr gut an, und die Resonanzfrequenz ist unabhängig von der Orientierung des Instrumentes im magnetischen Feld, es sind daher keine speziellen Lagebedingungen hinsichtlich des erdmagnetischen Feldes bei Benutzung auf Flugzeugen zu erfüllen. Es ist mit Bestimmtheit möglich, ein Magnetometer zu konstruieren, welches ein Störniveau von 0,01 Gamma besitzt.ders for measurements from aircraft in a continuous manner. The measuring system speaks quickly Changes in the magnetic field strength very well, and the resonance frequency is independent of the Orientation of the instrument in the magnetic field, there are therefore no special positional conditions with regard to the earth's magnetic field when used on aircraft. It is for sure possible to construct a magnetometer which has an interference level of 0.01 gamma.

Wenn die im Zusammenhang mit Fig. 6 erörterten fcIdstärkeunabhängigenHyperfeinstruktur-Ubergänge benutzt werden, bildet die in F i g. 7 dargestellte Anordnung in Anbetracht der Unabhängigkeit von der Feldstärke kein Magnetometer, stabilisiert aber sehr genau den Hochfrequenzgenerator, dessen Frequenz dann der Hyperfeinstruktur-Ubergangsfrequenz entspricht (1772 MHz für Natrium), kann also als Frequenznormal angewandt werden. Wegen der Unabhängigkeit von der Feldstärke ist es dann zweckmäßig, als Sweep die Frequenz des Generators 41 so zu modulieren, daß die Resonanz periodisch durchlaufen wird, statt das Feld H₀ zu modulieren, um Frequenzstabilität zu erreichen.If the fcIdensity-independent hyperfine structure transitions discussed in connection with FIG. 6 are used, the structure in FIG. In view of the independence of the field strength, the arrangement shown in FIG. 7 does not have a magnetometer, but stabilizes the high-frequency generator very precisely, the frequency of which then corresponds to the hyperfine structure transition frequency (1772 MHz for sodium), so it can be used as a frequency standard. Because of the independence of the field strength, it is then expedient to modulate the frequency of the generator 41 as a sweep in such a way that the resonance is passed through periodically instead of _{modulating the field H 0} in order to achieve frequency stability.

Wenn, wie oben erwähnt, andere Alkajiatome, wie beispielsweise Kalium, Rubidium und Caesium, verwendet werden sollen, sind die besonderen Eigenschaften dieser Atome zu beachten. Zum Beispiel besitzt Caesium keine allgemeinen Isotopen der Spinzahl 3/2, sämtliche haben größere Spins, was sich in eine"r niedrigeren Larmorfrequenzin einem bestimmten Magnetfeld äußert, und daher ist Caesium für Magnetometeranordnungen nicht von besonderem Nutzen. In bezug auf die übergänge zwischen Hyperfeinstruktur-F-Gruppen dieser Alkaliatome ist zu bemerken, daß der Hyperfeinstrukturabstand für Kalium (K³⁹) 462 MHz, für Rubidium Rb⁸⁵ = 3036 MHz, für Rb⁸⁷ = 6835 MHz und Tür Cs = 9193 MHz beträgt. Es soll nunmehr die Modulation einer optischen Strahlung durch Absorption von Quantensystemen, die eine mit der Zeit sich ändernde Ausrichtung zeigen, beschrieben werden, was mit »Technik gekreuzter Strahlen« bezeichnet wird. Ehe diese Seite der Erfindung näher erläutert wird, sollen die drei wesentliehen Prozesse, die Ausrichtung, die zeitliche Änderung der Ausrichtung und die Modulation optischer Strahlung besprochen werden, wobei von einem hypothetischen Fall ausgegangen wird. Atomen, dieIf, as mentioned above, other alkali atoms, such as potassium, rubidium and cesium, are to be used, the special properties of these atoms must be taken into account. For example, cesium has no general isotopes of spin number 3/2, all of them have larger spins, which is reflected in a lower Larmor frequency in a given magnetic field, and therefore cesium is not of particular use for magnetometer arrangements. F groups of these alkali atoms it is to be noted that the hyperfine structure spacing for potassium (K ³⁹ ) is 462 MHz, for rubidium Rb ⁸⁵ = 3036 MHz, for Rb ⁸⁷ = 6835 MHz and door Cs = 9193 MHz Radiation by absorption by quantum systems that show an orientation that changes over time will be described in what is known as the “technique of crossed rays.” Before this side of the invention is explained in more detail, the three essential processes, the orientation, the change with time should be described the alignment and modulation of optical radiation, assuming a hypothetical case men who

nur ein Valenz-Elektron besitzen, und einen Kernspin gleich Null aufweisen. Um die anfängliche Ausrichtung zu erzielen, soll Polarisation parallel zur z-Achse durch optisches Pumpen angenommen werden. Wird vom Grundniveau ²S_1/2 zum angeregten Niveau ²P₁₂ mit parallel zur z-Achse zirkulär polarisiertem Resonanzlicht gepumpt, gilt infolge der zirkulären Polarisation die Auswahlregel IM. = + 1 und nur Atome im Zustand M. = —1/2 führen übergänge zu angeregten Zuständen aus, von welchen sie unterschiedlos wieder zurückkehren (vgl. F i g. 8). Dementsprechend gewinnen die M=+ 1/2 Grundunterniveaus Atome auf Kosten der M=- 1/2 Unterniveaus, was sich in einer überbesetzung der nicht absorbierenden Unterniveaus ,äußert, d. h. in einer Ausrichtung des optischen Pumpens. Auf diese Weise ergibt sich ein makroskopisches Moment längs der Richtung des magnetischen Feldes als Endeffekt des optischen Pumpens. Dabei wird die Pumpstrahlung gemessen, nachdem die Atome gepumpt wurden, wobei die Intensität des durchgelassenen Lichtes sich ändert, wenn sich der relative Anteil der Atome in den nicht absorbierenden Energieunterniveaus ändert, ein Vorgang, der für die Messung der Ausrichtung benutzt wird.have only one valence electron and have a nuclear spin equal to zero. To achieve the initial alignment, polarization should be assumed parallel to the z-axis by optical pumping. If the pump is pumped from the basic level ² S _1/2 to the excited level ² P ₁₂ with resonance light that is circularly polarized parallel to the z-axis, the selection rule IM applies due to the circular polarization. = + 1 and only atoms in the state M = -1/2 carry out transitions to excited states, from which they return without distinction (cf. Fig. 8). Correspondingly, the M = + 1/2 basic sub-levels gain atoms at the expense of the M = - 1/2 sub-levels, which manifests itself in an overcrowding of the non-absorbing sub-levels, ie in an alignment of the optical pumping. In this way there is a macroscopic moment along the direction of the magnetic field as the end effect of the optical pumping. The pumping radiation is measured after the atoms have been pumped, with the intensity of the transmitted light changing as the relative proportion of the atoms in the non-absorbing energy sub-levels changes, a process used to measure alignment.

Außer durch optisches Pumpen, was gerade erörtert wurde, kommen für die anfängliche Ausrichtung mehrere andere Verfahren in Frage, z. B. Wechselwirkung mit äußeren magnetischen Feldern oder elektrischen Kristallfeldern bei niedrigen Temperatüren, Ovorhauser Effekte, Raumselektionsverfahren, wie sie bei der Atomstrahltechnik verwendet werden, und Elektronenstoßausrichtung.Besides optical pumping, which was just discussed, come for the initial alignment several other methods in question, e.g. B. Interaction with external magnetic fields or electric crystal fields at low temperatures, Ovorhauser effects, room selection processes, as used in atomic beam technology, and electron impact alignment.

Es soll nunmehr ein zweiter grundsätzlicher Vorgang betrachtet werden, bei welchem eine periodische zeitliche Änderung der Ausrichtung eingeführt wird. Die beschriebenen Methoden zur Erzielung einer anfänglichen Ausrichtung liefern im allgemeinen Ausrichtungen mit einem solchen Symmetriecharakter, daß das System insgesamt, oder nach außen hin, keine präzedierenden oder pulsierenden elektrischen oder magnetischen Momente zeigt und zwischen den speziellen Atomen und Molekülen keine Phasenbeziehungen bestehen. Sämtliche Atome oder Moleküle können betrachtet werden, als ob sie sich in einem Eigenzustand der Spinquantenzahl befinden, der durch die Quantenzahl M. bezeichnet ist, wobei ζ die Achse der Ausrichtung ist und die Ausrichtung durch die relativen Besetzungszahlen a_M (M = J, J — 1, ... -(J —■ 1), — J) festgelegt ist. Nunmehr ist eine Störung erforderlich, welche das ausgerichtete System oder einen Teil desselben in einen Zustand bringt, welcher als eine zeitlich veränderliche Mischung von M-Zuständen zu bezeichnen ist, die eine zeitliche Änderung der Besetzungszahlen a_M = a_M(t) ergibt. Es sollen nunmehr spezielle Methoden, dieses Ziel zu erreichen, betrachtet werden.A second fundamental process is now to be considered, in which a periodic change in the alignment over time is introduced. The methods described for achieving an initial alignment generally provide alignments with such a symmetry character that the system as a whole, or outwardly, exhibits no precessing or pulsating electrical or magnetic moments and no phase relationships exist between the specific atoms and molecules. All atoms or molecules can be viewed as if they are in an eigenstate of the spin quantum number, which is denoted by the quantum number M., where ζ is the axis of the orientation and the orientation is given by the relative occupation numbers a _M (M = J, J - 1, ... - (J - ■ 1), - J) is fixed. A disturbance is now required which brings the aligned system or a part of it into a state which can be described as a time-varying mixture of M-states, which results in a temporal change in the occupation numbers a _M = a _M (t). We will now consider specific methods of achieving this goal.

Es wird von S_i/2 Atomen ausgegangen, die alle durch optisches Pumpen in den Zustand M₁ = +1/2 gebracht wurden. Dann beschreibt die Funktion Ψ = (+ )j, in der ( + ). die Eigenfunktion entsprechend der Spinquantenzahlkomponente in bezug auf die z-Achse bezeichnet, vom Werte +1/2 den Anfangszustand (vgl. Fig. 9a). Wird nun ein magnetisches Feld Hy in ^-Richtung plötzlich eingeschaltet, werden die Atome veranlaßt, eine Larmor-Präzession mit der Kreisfrequenz «> um die y-Achse in der x-, z-Ebene auszuführen. Der Zustand wird nun beschrieben durch die GleichungS _{i / 2} atoms are assumed, all of which have been brought into the state M ₁ = +1/2 by optical pumping. Then describes the function Ψ = (+) j, in which (+). denotes the eigenfunction corresponding to the spin quantum number component with respect to the z-axis, the value +1/2 denotes the initial state (cf. Fig. 9a). If a magnetic field Hy in the ^ -direction is suddenly switched on, the atoms are caused to carry out a Larmor precession with the angular frequency «> around the y-axis in the x, z-plane. The state is now described by the equation

'/' = cos -^- (+). + sin ~ (-).;
und die relativen Besetzungszahlen'/' = cos - ^ - (+). + sin ~ (-) .;
and the relative occupation numbers

_ _q2 ^'J_ . _ _q2 ^ 'J_.

^{+ l/2} 2 ' ^{+ l / 2} 2 '

KitKit

zeigen die gewünschte zeitliche Änderung.show the desired change over time.

Für einen Strahl zirkulär polarisierten Resonanzlichtes, welches längs der z-Achse zur Wirkung gebracht wird, so daß nur IM. = +1-übergänge in den angeregten Zustand ²P_1/2 auftreten können, kann nur der Anteil a__1/2 der Atome in dem Zustand M = —1/2 zu der Absorption beitragen, dergestalt, daß letztere mit der Kreisfrequenz κι moduliert wird, da fl_i;2 diese Zeitabhängigkeit aufweist.For a beam of circularly polarized resonance light, which is brought into effect along the z-axis, so that only IM. = + 1 transitions in the excited state ² P _1/2 can occur, only the proportion a_ _{1/2 of} the atoms in the state M = - 1/2 can contribute to the absorption, in such a way that the latter modulates with the angular frequency κι because fl_i; 2 has this time dependency.

Als weiteres Beispiel soll nunmehr eine Gruppe von S_1/2-Atbmen betrachtet werden, die zunächst alle im Zustand M₁= + 1/2 sind. Unter dem Einfluß irgendeiner Störung möge die anfängliche Polarisation in einer Richtung (-), Φ in bezug auf die z-Achse gekipptAs a further example, a group of S _1/2 -Atbms shall now be considered, all of which are initially in the state M ₁ = + 1/2. Under the influence of some perturbation, let the initial polarization be tilted in one direction (-), Φ with respect to the z-axis

sein. Der Zustand, für den der Vektor (M'/, der durch die Erwartungswerte der Spinkomponentenbeing. The state for which the vector (M '/, which is determined by the expected values of the spin components

(M_x (M _x

gebildet wird, in die Richtung <-) und Φ weist, kann beschrieben werden durchis formed, points in the direction <-) and Φ , can be described by

θ -'f- θ -'f-

(9 0 = cos— e(9 0 = cos- e

(■) '-sin _eM-)x, (1) (■) '-sin _eM-) x, (1)

in welcher ( + )_z und ( —). die beiden Eigenzustände mit M₁ = +1/2 und M₁ = —1/2 bezeichnen. Im einfachsten Falle des optischen Übergangesin which (+) _z and (-). denote the two eigen-states with M ₁ = +1/2 and M ₁ = -1/2. In the simplest case of the optical transition

/= 1/2/ = 1/2

J' = 1/2 J ' = 1/2

unter dem Einfluß zirkulär polarisierten Lichtes, welches parallel zur z-Achse einfällt, wofür die Auswahlregel . 1M₂ = +1 gültig ist, trägt nur der Anteil von Ψ im Zustand ( — )₂ zur Absorption bei. Dieser Anteil ist gegeben durchunder the influence of circularly polarized light, which is incident parallel to the z-axis, for which the selection rule. 1M ₂ = +1 is valid, only the part of Ψ in the state (- ) ₂ contributes to the absorption. This share is given by

/2 - a-1/2 = sin² % = 1/2 (1 - cos Θ), (2)/ 2 - a-1/2 = sin ² % = 1/2 (1 - cos Θ), (2)

wobei θ der Winkel zwischen dem Spin-Vektor <M> und dem Strahl bedeute, t. Dieses Ergebnis muß unabhängig von der speziellen Wahl des Koordinatensystemes und der Eigenzustände sein. Dementsprechend muß allgemein geltenwhere θ means the angle between the spin vector <M> and the ray, t. This result must be independent of the special choice of the coordinate system and the eigenstates. Accordingly, it must apply in general

/= 1/2(1 -(in· p)), / = 1/2 (1 - ( inp)),

wobei in und p* Einheitsvektoren in Richtung deswhere in and p * unit vectors in the direction of the

Spin-Vektors <M> und des Strahles sind. Diese einfache Vektorausdrucksweise ist zweckmäßig, wenn der Absorptionsvorgang beschrieben werden soll, denSpin vector <M> and the ray are. This simple vector expression is useful when the absorption process is to be described, the

eine vollständig in Richtung m polarisierte Menge in bezug auf einen zirkulär polarisierten Strahl ir.an amount fully polarized in the m direction with respect to a circularly polarized beam ir.

Richtung ρ'zeigt. Wenn das System einem statischen Magnetfeld //„ in z-Richtung unterworfen wird, so wird der Zustand zeitlich veränderlich:Direction ρ 'points. If the system is static Magnetic field // "is subjected in the z-direction, the state changes over time:

'/' = cos y e'/' = cos y e

² ( + ). + sin _T c ² (-)_r. ² (+). + sin _T c ² (-) _r .

Der Vektor <, JV/ · führt Präzessionen um die z-Achse mit dem konstanten Winkel W aus (Fig. 9b). In dem durchgelasscnen zirkulär polarisierten Resonanzlicht kann man tatsächlich die Präzessionsbewegung der Atome »sehen«. Gemäß der Formel (3) ist nur die Spin-Komponente in Richtung des Strahles von Bedeutung. Die Modulationstiefe eines Strahles in x-Richtung ist ein Maß für die Änderung von <M_X\ die_ Modulation eines Strahles in der y-Richtung ist ein Maß für die Änderung der (M.."-Komponente. Numerisch erhält man für den absorbierenden Anteil des x-Strahles:The vector <, JV / · performs precessions about the z-axis with the constant angle W (FIG. 9b). In the circularly polarized resonance light that is passed through, one can actually "see" the precession motion of the atoms. According to the formula (3), only the spin component in the direction of the beam is important. The modulation depth of a beam in the x-direction is a measure of the change in <M _X \ die_ Modulation of a beam in the y-direction is a measure of the change in the (M .. " component. Numerically, the absorbing portion is obtained of the x-ray:

♦ J_x = 1/2 (1 - sin ttcos.-.f).♦ J _x = 1/2 (1 - sin ttcos .-. F).

Es kann auf diese Weise die Präzessionsbewegung dazu ausgenutzt werden, um die Intensität einer optischen Strahlung in x-Richtung mit der Frequenz der Präzession zu modulieren. Ähnliche Ausdrücke können für optische übergänge mit höheren J-J'-Werten erwartet werden, wenn das Grundniveau eine Präzessionsbewegung ausführt.In this way, the precession movement can be used to modulate the intensity of an optical radiation in the x-direction with the frequency of the precession. Similar expressions can be expected for optical transitions with higher JJ 'values when the ground level precedes.

Als eine Störung, mit der die anfängliche Polarisation um einen Winkel (-) gegen die ursprüngliche z-Richtung gekippt wird, wird ein magnetisches HF-Feld H₁ von der gleichen Frequenz wie die freie Präzession im H₀-FcId benutzt, das senkrecht zu H₀ gerichtet ist. Das pulsierende Feld H₁ kann nun in zwei Komponenten zerlegt werden, die in entgegengesetzten Richtungen um die z-Achse rotieren. Nur die Komponente, die im gleichen Sinn wie die atomare Präzession rotiert, braucht betrachtet zu werden. Wenn man von einem Koordinatensystem, welches mit derselben Frequenz wie die atomare Präzession rotiert, den Vorgang betrachtet, ist die Bewegung der atomaren Magnetisierung dieselbe, als wenn nur ein _{A magnetic RF field H 1} of the same frequency as the free precession in H ₀ -FcId, which is perpendicular to, is used as a perturbation with which the initial polarization is tilted by an angle (-) against the original z-direction H _{0 is} directed. The pulsating field H ₁ can now be broken down into two components that rotate in opposite directions around the z-axis. Only the component that rotates in the same sense as the atomic precession needs to be considered. If one looks at the process from a coordinate system which rotates with the same frequency as the atomic precession, the motion of the atomic magnetization is the same as if only one

statisches Feld der Stärke ■■■ '- senkrecht zur z-Achse an das rotierende System gelegt'wäre. Die Magnetisierung führt eine Präzession um ^' in dem rotieren- static field of strength ■■■ '- perpendicular to the z-axis would be placed on the rotating system. The magnetization leads a precession around ^ 'in the rotating

den System mit der Kreisfrequenz O₁ = γ --i-the system with the angular frequency O ₁ = γ --i-

4040

Fig. 9b erörtert wurde. Der Elektronenspin J führtFigure 9b has been discussed. The electron spin J leads

eine Präzession um / aus, wie das zuvor hinsichtlich Λ/ um W₀ herum erörtert wurde (F i g. 9d). Normalcrweise befindet sich das Elektron in einem der energetischen Eigenwertzustände, die dadurch charakterisiert sind, daß der Spin Werte F₁ = / -f J besitzt, für die Elektronenspin und Kernspin parallel sind und F = F₂ = / — J, für die sie antiparallel sind. Wennprecession around / out as previously discussed with respect to Λ / around W ₀ (Fig. 9d). Normally the electron is in one of the energetic eigenvalue states which are characterized by the fact that the spin has values F ₁ = / -f J , for which the electron spin and nuclear spin are parallel and F = F ₂ = / - J, for which they are antiparallel are. When

ίο indessen das hochfrequente Magnetfeld geeigneterίο meanwhile the high-frequency magnetic field more suitable

Frequenz senkrecht zu 7 zur Wirkung gebracht wird, kann /gekippt werden, und die vorstehend erörterte Präzession tritt auf. Wenn anfänglich sämtliche Systeme in einen F-Zustand gebracht wurden, d. h. Zustand F₁ = I + J, und wenn ferner sämtliche Vektoren in der + z-Richtung gerichtet sind, ergibt sich dieselbe Situation wie im zuvor betrachteten Beispiel. Dementsprechend erfährt ein Lichtstrahl aus zirkulär polarisiertem Resonanzlicht in x-Richtung dieselbe Art der Modulation mit der Präzessionsfrequenz Frequency perpendicular to 7 is brought into effect / can be tilted and the precession discussed above occurs. If initially all systems have been brought into an F-state, ie state F ₁ = I + J, and if, furthermore, all vectors are directed in the + z-direction, the situation is the same as in the example considered above. Accordingly, a light beam of circularly polarized resonance light experiences the same type of modulation with the precession frequency in the x-direction

J E₂-E, J E ₂ -E,

so wie dies zuvor beschrieben wurde.as previously described.

Der Umstand, daß der Elektronenspin J mit einemThe fact that the electron spin J with a

anderen Spin I gekoppelt ist, hat zur Folge, daß sich andere Ausrichtungssituationen ergeben können, welche keine anfängliche Polarisation und damit verbundene Gesamtmagnetisierung aufweisen.Another spin I is coupled, has the consequence that other alignment situations can arise which have no initial polarization and the associated overall magnetization.

Es soll nunmehr der Fall betrachtet werden, daß sich sämtliche Systeme im Zustand F = / 4- J beh'n- ~* Let us now consider the case that all systems in the state F = / 4- J beh'n- ~ *

den, wobei der Vektor F der einen Hälfte in positive z-Richtung, der der anderen Hälfte in negative z-Richtung weist (vgl. Fig. 9e). Wenn nunmehr ein W₁-FeId kurze Zeit angelegt wird, dann wird jedes System denselben Typ Präzession zeigen, wie zuvor erörtert wurde. Die Präzessionen haben indessen entgegengesetzten Sinn und eine solche Phasenbeziehung, daß die Resultierende der senkrechten Komponenten M± eine oszillierende Komponente in x-Richtung ist, der Richtung des HF-Feldes.the, the vector F of one half in the positive z-direction, the other half in the negative z-direction (see. Fig. 9e). _{If a W 1} field is now applied for a short time, then each system will exhibit the same type of precession as discussed earlier. The precessions, however, have opposite meaning and a phase relationship such that the resultant of the perpendicular components M ± is an oscillating component in the x-direction, the direction of the RF field.

Dies stimmt mit Betrachtungen zur Erhaltung der Energie überein. Es wird E₁ < E₂ angenommen (E₁ entspricht dem Zustand F, = / + J und E₂ entspricht dem Zustand F₁ = I- J). Ein KippenThis agrees with considerations on conservation of energy. E ₁ <E _{2 is} assumed (E ₁ corresponds to the state F, = / + J and E ₂ corresponds to the state F ₁ = I-J). A tilt

ausout

(F i g. 9c). Jedes gewünschte Kippen der anfänglichen Polarisation kann daher durch Einschalten von Hochfrequenzimpulsen der richtigen Intensität und richtigen Dauer bewirkt .werden. Weitere Beispiele von Präzessionsbewegungen elektronischer Momente, die für die Zwecke der Modulation ausgenutzt werden können, sind bei Erscheinungen zu sehen, die auf elektrischen Kristallfeldern oder auf elektrischen und magnetischen Wechselwirkungen mit den Atomkernen beruhen.(Fig. 9c). Any tilt you want the initial Polarization can therefore be achieved by switching on high frequency pulses of the correct intensity and correct duration. Further examples of precession movements of electronic moments, which can be used for the purposes of modulation can be seen in phenomena that appear on electric crystal fields or on electric and magnetic interactions with the atomic nuclei are based.

Die Bewegung im letztgenannten Fall der magnetischen Wechselwirkung mit einem Atomkern soll nachstehend erörtert werden. Nimmt man eine rein magnetische Wechselwirkung eines Elektrons im Zustand S|_/2 mit einem theoretischen Kern mit unendlichThe motion in the latter case of magnetic interaction with an atomic nucleus will be discussed below. If one takes a purely magnetic interaction of an electron in the state S | _{/ 2} with a theoretical core with infinity

großem Spin / an, so hat man im wesentlichen die gleiche Situation, wie sie im Zusammenhang mit von J gegen / bedeutet dann eine Zunahme der Energie, und diese Energie muß durch das Mittel, welches das Kippen bewirkt, nämlich durch W₁, geliefert werden. Es muß dann eine periodisch sich ändernde MagnetisierungskomponenteWith a large spin / an, one has essentially the same situation as in connection with von J versus / then means an increase in energy, and this energy must be supplied _{by the means which causes the tilting, namely by W 1} . There must then be a periodically changing magnetization component

M_x = Mj_cos i»t M _x = Mj_cos i »t

vorhanden sein, welche einen Anstieg der absorbierten Leistung liefert:be present, which provides an increase in the absorbed power:

-^dE - H- ^dE - H

- ^y- - H_x - ^ y- - H _x

-- Il HIl H

wobei H_x = H₁ sin ot ist.where H _x = H ₁ sin ot .

Dieses Resultat kann man beträchtlich verallgemeinern: man betrachtet Systeme, in welchen die S_1/2-This result can be generalized considerably: one considers systems in which the S _1/2 -

Atomc irgendeiner Wechselwirkung unterworfen sind, die zu einem entsprechenden Termsehema führt.Atomc are subject to some interaction that leads to a corresponding term scheme.

Wenn dann magnetische Dipolübergänge zwischenIf then magnetic dipole transitions between

zwei solchen Termen durch ein kohärentes hochfrequentes Feld induziert werden können, wobei das Ubergangselement Beiträge vom Atomarmoment des Grundzustandes S_1/2 aufweist, so erfährt ein Strahl zirkulär polarisierten Resonanzlichtes in Richtung des HF-Feldes eine Modulation mit der Frequenz des HF-Feldes, aber 90° phasenverschoben. Die Modulationstiefe ist proportional der Quadratwurzel der HF-Ubergangswahrscheinlichkeit für eine bestimmte HF-Feldstärke.two such terms can be induced by a coherent high-frequency field, with the transition element having contributions from the atomic moment of the ground state S _1/2 , a beam of circularly polarized resonance light in the direction of the RF field experiences a modulation with the frequency of the RF field, however 90 ° out of phase. The modulation depth is proportional to the square root of the RF transition probability for a specific RF field strength.

In dem praktisch wichtigen Falle, daß der Elektronenspin S stark gekoppelt mit dem Kernspin / ist, so daß sich ein Gesamtspin F ergibt, verfährt man wie folgt:In the practically important case that the electron spin S is strongly coupled with the nuclear spin /, so that a total spin F results, one proceeds as follows:

Der absorbierende Anteil ist nach wie vor durch den Betrag von ( — )_z der Wellenfunktion bestimmt, was sich auch in der Komponente des magnetischen Momentes wiederspiegelt. Zum Beispiel im FalleThe absorbing part is still determined by the magnitude of (- ) _{z of} the wave function, which is also reflected in the component of the magnetic moment. For example in the case

/ = 3/2, F = 2, M_F = -2/ = 3/2, F = 2, M _F = -2

hat manone has

/= 1/2 [1 -em-p]/ = 1/2 [1 -em-p]

F+\F + \

V₁ = //, eV ₁ = //, e

Y',Y ',

,«2, «2

IOIO

2020th

/I₂ = M_B- gy- M₁: = -//„ / I ₂ = M _B - gy- M ₁ : = - // "

dasselbe wie für den Zustand M — —1/2 des Atoms mit einem Elektron (//_ß ist das Bohrsche Magneton). Für den Fall F = 1 indessen gilt dies nicht mehr. Hier erhält man für M. = +1 : μ₂ = /ι_Β ' 1/2· Das weist daraufhin, daß der Zustand 3/4( —)_zund l/4( + ), enthält, woraus folgt, daß nur 75% der Absorption des vorigen Falles, in welchem M₂ = —1/2 ist, erhalten wird. Es sei nun die Formel für den Absorptionsanteil abgewandelt:the same as for the state M - -1/2 of the atom with one electron (// _ß is Bohr's magneton). For the case F = 1, however, this no longer applies. Here we get for M. = +1 : μ ₂ = / ι _Β ' 1/2 · This indicates that the state 3/4 (-) contains _z and l / 4 (+), from which it follows that only 75% of the absorption of the previous case in which M ₂ = -1/2 is obtained. Let us now modify the formula for the absorption fraction:

Die anfängliche Ausrichtung oder der erste Prozeß möge eine Besetzung des Zustandes E₁ allein bewirktThe initial alignment or the first process alone may cause state E _{1 to} be occupied

haben. In dem zweiten grundsätzlichen Prozeß möge die Störung etwas E₂ beigemischt haben, wobei sämtliche Atome in Phase sind. Der Zustand kann dann wie folgt beschrieben werden:to have. In the second fundamental process, the perturbation may have mixed in some E ₂ , with all the atoms in phase. The state can then be described as follows:

^v/( + ) = "ι Λ ^e ^{v /} (+) = "ι Λ ^e

' + O₂^e⁷W¹ '+ O ₂ ^ e ⁷ W ¹

wobei I u, |² und | a₂ 1² nicht von der Zeit abhängig sind. Die //s enthalten Elektronenspineigenfunktionen für den Grundzustand S_1/2 als Faktoren. Um die Absorption zu ermitteln, welche ein zirkulär polarisierterwhere I u, | ² and | a ₂ 1 ^{2 are} not dependent on time. The // s contain electron spin eigen functions for the ground state S _1/2 as factors. To determine the absorption, which one is circularly polarized

Strahl Resonanzlicht in der p-Richtung erfährt, wird die Wahrscheinlichkeitsamplitude | ((— )_p · Ψ) |² gebildet. Das kann durch übliche Rechenmethoden der Quantenmechanik berechnet werden.If the beam experiences resonance light in the p-direction, the probability amplitude becomes | ((-) _p · Ψ) | ² formed. This can be calculated using the usual methods of quantum mechanics.

Im nachfolgenden Beispiel wird die Modulation eines Lichtstrahles betrachtet, der so polarisiert ist, daß optische Übergänge Δ M = 0 auftreten, und es wird gezeigt, daß in diesem Fall eine Modulation mit der doppelten Präzessionsfrequenz zu beobachten ist. Für diesen Fall soll ein Atom- mit zwei Valenzelektronen betrachtet werden, beispielsweise ein Quecksilberatom, und es soll angenommen werden, daß der Gesamtspin im Grundzustand Eins ist, während er im angeregten Zustand Null ist. In diesem Fall kann Licht nur durch die Komponente der Grundzustand-Wellenfunktion absorbiert werden, für weiche M = O ist. Man geht wie folgt vor: wenn der Winkel der Präzession zu irgendeinem Zeitpunkt θ ist, so kann die Wellenfunktion des Grundzustandes wie folgt" geschrieben werden:In the following example, the modulation of a light beam is considered which is polarized in such a way that optical transitions Δ M = 0 occur, and it is shown that in this case a modulation with twice the precession frequency can be observed. In this case, an atom with two valence electrons should be considered, for example a mercury atom, and it should be assumed that the total spin is one in the ground state, while it is zero in the excited state. In this case light can only be absorbed by the component of the ground state wave function for which M = O. Proceed as follows: if the angle of precession is θ at any point in time, then the wave function of the ground state can be written as follows:

3535

wobei e = g_FF die »effektive Elektronenzahl« des F-Zustandes der betrachteten Art ist, und so ergibt sich eine Beschreibung für den Fall eines endlichen Kernspins. Ähnlich wie im Fall Spin Null wird vollständige Polarisation angenommen. Für das numerische Beispiel J = 1/2, / = 3/2, das für Natrium und Rubidium zutrifft, erhält man dementsprechend:where e = g _F F is the "effective number of electrons" of the F-state of the type under consideration, and this results in a description for the case of a finite nuclear spin. Similar to the case of zero spin, full polarization is assumed. For the numerical example J = 1/2, / = 3/2, which applies to sodium and rubidium, one obtains accordingly:

F = 2f = 1/2 [1 -(m-p)] F = 2f = 1/2 [1 - (mp)]

F - Xf = 1/2 [1 -(1/2) (m-p)];F - Xf = 1/2 [1 - (1/2) (mp)];

wodurch für F = 1 nur eine halb so große Orientierungsabhängigkeit wie für F = 2 angedeutet wird. Wenn man noch allgemeinere Bedingungen aufstellen will, unter welchen eine Modulation eines zirkulär polarisierten Strahles Resonanzlicht, das übergänge S_1/2 — P_1/2 induzieren kann, durch geeignete Bewegungen des (Grund-) Zustandes S, ₂ herbeigeführt wird, so kann man wie folgt vorgehen: Die Bewegung des Grundzustandes kann durch einen Satz von Energieeigenwerten E₁, E₂ ... und entsprechenden Eigenzuständen Y',, Y^y ₂ ... beschrieben werden, wobei beispielsweisewhereby for F = 1 only half as great an orientation dependency as for F = 2 is indicated. If one wants to establish even more general conditions under which a modulation of a circularly polarized beam of resonance light, which can induce transitions S _1/2 - P _1/2 , is brought about by suitable movements of the (basic) state S, ₂ , one can proceed as follows: The movement of the ground state can be described by a set of energy eigenvalues E ₁ , E ₂ ... and corresponding eigenstates Y ',, Y ^y ₂ ..., where for example

(cos — ( + ), + sin ^- (-fcos — ( + J₂ + sin — (-)Λ,(cos - (+), + sin ^ - (-fcos - (+ J ₂ + sin - (-) Λ,

wobei die Indizes 1 und 2 sich auf Elektronen beziehen. Durch Umformen erhält man:where the indices 1 and 2 relate to electrons. Forming gives:

- j ^θ - j ^θ

COST —-COST -

sin — cos —■sin - cos - ■

+ sin- — (—),(—), + cos ., sin - \ + \(-)₂ ■ + sin- - (-), (-), + cos., sin - \ + \ (-) ₂ ■

Dies kann in F, w-Darstellung umgeschrieben werden, wobei F — I. m — Il oder 0 ist. und in diesem Fall ergibt sichThis can be rewritten in F, w representation, where F - I. m - II or 0. and in this case it results

(+ 1) + sin² = (-1)+ T2sin(+ 1) + sin ² = (-1) + T2sin

coscos

('S Die Absorption von Licht, das so polarisiert ist. daß optische tibergünge ΙΛ/ 0 bewirkt weiden. ('S The absorption of light which is polarized in such a way that optical transitions ΙΛ / 0 are caused.

ist proportional dem Quadrat des Koeffizienten des (0) Ausdrucks, d. h. proportionalis proportional to the square of the coefficient des (0) expression, i.e. H. proportional

2 sin² y 2 sin ² y

COS^yCOS ^ y

Aus der elementaren Trigonometrie folgtFrom elementary trigonometry it follows

2sin² y cos² γ = 1/2 sin² 0=1/4(1-cos² θ). 2sin ² y cos ² γ = 1/2 sin ² 0 = 1/4 (1-cos ² θ).

Wenn das einfallende Licht so polarisiert ist, daß sein magnetischer Vektor in der Ebene der Präzession liegt, d. h. wenn das Licht senkrecht zum statischen Magnetfeld polarisiert ist, und wenn «> die Kreisfrequenz der Präzession ist, so ist die Intensität des Lichtes gegeben durch:If the incident light is polarized in such a way that its magnetic vector lies in the plane of precession, i.e. if the light is polarized perpendicular to the static magnetic field, and if «> is the angular frequency of the precession, then the intensity of the light is given by:

/= 1/4(1 _ COS²Wi),/ = 1/4 (1 _ COS ² Wi),

eine Modulation mit der doppelten Präzessionsfrequenz. Da linear polarisiertes Licht benutzt wird, kann entweder JM = O oder AM = +1 oder —1 gleichzeitig vorhanden sein, je nach dem Bezugsrahmen. In jedem Falle ergibt sich kein beobachtbares magnetisches Gesamtmoment. Wie gleiche Besetzungen von M = O, ±1 muß die Winkelabhängigkeit verschwinden. Die zu dem gerade erörterten Fall komplementäre Abhängigkeit, in welchem gleiche Zahlen im M = +1- und M = — 1-Zustand angenommen sind, muß für vollständige anfängliche Ausrichtung M = O gezeigt werden. Obwohl kein makroskopisches Gesamtmoment vorhanden ist, gibt es natürlich Momente der einzelnen Atome, und diese können durch ein magnetisches HF-Feld zu einer Präzession veranlaßt werden. Als anfängliche Ausrichtung wird wiederum angenommen, daß die eine Hälfte im Zustand M = 1 und die andere Hälfte im Zustand M = -1 ist, für θ = 90° und lineare Polarisation des Lichts in der y-Ebene. Ein merkwürdiger Umstand für all diese Fälle, in welchen sich keine Gesamtmagnetisierung ergibt, liegt darin, daß vom HF-Feld keine Energie geliefert werden muß, um die Ausrichtung umzukehren und eine Modulation des Lichtstrahles zu bewirken.a modulation with twice the precession frequency. Since linearly polarized light is used, either JM = 0 or AM = +1 or -1 can be present at the same time, depending on the frame of reference. In either case, there is no observable total magnetic moment. Like equal occupations of M = O, ± 1, the angle dependence must vanish. The dependency complementary to the case just discussed, in which equal numbers are assumed in the M = +1 and M = -1 states, must be shown for complete initial alignment M = O. Although there is no total macroscopic moment, there are of course moments of the individual atoms and these can be made to precession by an RF magnetic field. As an initial alignment, it is again assumed that one half is in the state M = 1 and the other half is in the state M = -1, for θ = 90 ° and linear polarization of the light in the y-plane. A remarkable circumstance for all these cases in which there is no overall magnetization is that no energy has to be supplied by the RF field in order to reverse the alignment and to effect a modulation of the light beam.

Bei den meisten praktisch zur Anwendung gelangenden Systemen wird sich ein Polarisationszustand, der einmal hervorgerufen wurde, nicht für alle Zeit erhalten, er wird vielmehr durch die Orientierung störende Effekte bald zerfallen. Es ist daher erforderlich, die Probe kontinuierlich zu polarisieren, während der zweite und dritte grundsätzliche Prozeß abläuft. Als ein spezielles Beispiel soll die gyromagnetische Bewegung betrachtet werden, die sich in einem System J = 1/2, / = 3/2 (Rb⁸⁷) Atomen im Zustand F = 2 unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes ergibt, das zeitabhängige Komponenten besitzen kann. Das System wird kontinuierlich durch den bereits beschriebenen Pumpvorgang IM = +1 mit einem Strahl Resonanzlicht in z-Richtung, nicht notwendigerweise D₁-Licht, gepumpt, um DisorientierungseffekteIn most of the systems that are used in practice, a polarization state that has been created once will not be maintained for all time; rather, it will soon decay due to effects that disrupt the orientation. It is therefore necessary to polarize the sample continuously while the second and third basic processes are in progress. As a special example the gyromagnetic movement is to be considered, which results in a system J = 1/2, / = 3/2 (Rb ⁸⁷ ) atoms in the state F = 2 under the influence of a magnetic field which can have time-dependent components . The system is continuously pumped by the already described pumping process IM = +1 with a beam of resonance _{light in the z-direction, not necessarily D 1} light, in order to avoid disorientation effects

M_x M _x

;■ [M ■ lh_x - ; ■ [M ■ lh _x -

zu überwinden. Es sollen nunmehr Bewegungsgleichungen aufgestellt werden, welche uns M* = M( + ) liefern. Für einen Untersuchungsstrahl aus zirkulär polarisiertem D₁-Licht in der Richtung ~p wird die zeitabhängige Absorption dann wie folgt beschrieben:to overcome. We shall now set up equations of motion which give us M * = M (+). For an examination beam of circularly polarized D ₁ light in the direction ~ p , the time-dependent absorption is then described as follows:

wobei M₀ dem Zustand vollständiger Polarisation entspricht, während M(t) kleiner sein kann. Das folgt aus den obigen Überlegungen unter Berücksichtigung dessen, daß die Hälfte der nicht ausgerichteten Atome absorbierend sind. Es gibt drei maßgebliche Ursachen, welche es mit sich bringen, daß M* zeitabhängig wird, nämlich das Drehmoment des magnetischen Feldes, Pump- und disorientierende Effekte der Lichtstrahlen und schließlich Relaxationseffekte. Der Einfluß des magnetischen Feldes läßt sich beschreiben alswhere M ₀ corresponds to the state of full polarization, while M (t) can be smaller. This follows from the above considerations, taking into account that half of the non-aligned atoms are absorbent. There are three main causes which mean that M * becomes time-dependent, namely the torque of the magnetic field, pumping and disorienting effects of the light rays and finally relaxation effects. The influence of the magnetic field can be described as

dMdm

= γ [M H]= γ [MH]

r =r =

Der Einfluß eines Strahls zirkulär polarisierten Resonanzlichts ist zweifacher Art. Erstens wird eine Polarisation in seiner Richtung pbewirkt entsprechendThe influence of a beam of circularly polarized resonance light is twofold Polarization in its direction p has a corresponding effect

- - (M-MJ,- - (M-MJ,

dfdf

wobei M die Sättigungspolarisation für unendliche Lichtintensität ist, welche von der relativen Intensität von D₁- und D₂-Licht im Strahl abhängt. Die Zeitkonstante t_p ist umgekehrt proportional der Lichtintensität. where M is the saturation polarization for infinite light intensity, which _{depends on the relative intensity of D 1} and D ₂ light in the beam. The time constant t _p is inversely proportional to the light intensity.

Eine Polarisation M± senkrecht zu dem Lichtstrahl wird mit derselben Zeitkonstanten τ_ρ zerstört:A polarization M ± perpendicular to the light beam is destroyed with the same time constant τ _ρ :

Es wird angenommen, daß die Relaxationseffekte durch Zusammenstöße und Feld-Inhomogenitäten u. dgl. mit den beiden Relaxationszeiten T₁ und T₂ beschrieben werden können:It is assumed that the relaxation effects due to collisions and field inhomogeneities and the like can be described with the two relaxation times T ₁ and T _2:

= - 4r) M₂, = - 4r) M ₂ ,

dtGerman

dM,dm,

dfdf

dMdm

dfdf

I= - 4r) MI = - 4r) M

Die Richtung des magnetischen Feldes wurde hierbei als in der z-Richtung liegend angenommen. Indem man die obigen zeitlichen Änderungen superpaniert, erhält manThe direction of the magnetic field was assumed to be in the z-direction. By doing one superpanes the above temporal changes, one obtains

(M, - M_x) -(M, - M _x ) -

M_x M _x

M₁, = γ [M- W], -f^l) M₁. -(^) M_x - C) Μ_Λ. M...,[M-//].. ₊ (_r ^lJ(M-M..,-(_r ^ljA/..-(}_i)AM ₁ , = γ [M- W], -f ^l ) M ₁ . - (^) M _x - C) Μ _Λ . M ..., [M - //] .. ₊ ( _r ^l J (MM .., - ( _r ^l jA /..- (} _i ) A

Bei sehr geringer Intensität des x-Strahles wird ί — J —*0). Solange wie (— j ~ f—) ergeben sich nurIf the intensity of the x-ray is very low, ί - J - * 0). As long as (- j ~ f -) only result

geringe Abweichungen gegenüber dem vorstehendenminor deviations from the above

Verhalten, wenn Ausdrücke mit — in Betracht gezogen werden. ^Τχ Behavior when considering expressions with -. ^Τχ

Fig. 10 zeigt ein zweckmäßiges System, mit dem erfindungsgemäß die Feldstärke eines Feldes H₀ mit einem x-Strahl gemessen werden kann, da die Larmor-Präzessionsfrequenz direkt von der Feldstärke von H₀ abhängt. Die Ausgangsspannung des Hochfrequenzverstärkers 54 wird einem Demodulator 58 zugeführt und sodann einem Mitnahmedetektor 59, welcher ein Bezugssignal vom Frequenz-Sweep-Generator 61 erhält. Die Ausgangsspannung des Detektors wird einem Schreiber 62 zugeführt, der ein Gleichstromsignal aufzeichnet, welches proportional der momentanen Abweichung der Generatorhochfrequenz von der Frequenz der Linienmitte ist. Die Frequenz, auf weiche sich der Generator automatisch unter der Wirkung des Abweichungssignals vom Verrastungsdetektor über den Abstimmkreis 63 einstellt, ist ein Maß für die Feldstärke.10 shows an expedient system with which, according to the invention, the field strength of a field H ₀ can be measured with an x-ray, since the Larmor precession frequency depends _{directly on the field strength of H 0.} The output voltage of the high-frequency amplifier 54 is fed to a demodulator 58 and then to an entrainment detector 59, which receives a reference signal from the frequency sweep generator 61. The output voltage of the detector is fed to a recorder 62 which records a direct current signal which is proportional to the instantaneous deviation of the generator high frequency from the frequency of the line center. The frequency to which the generator automatically adjusts itself under the effect of the deviation signal from the latching detector via the tuning circuit 63 is a measure of the field strength.

Es ist zu betonen, daß zwar das HF-Feld senkrecht zum x-Strahl gezeigt wurde, dieselben aber nicht notwendigerweise senkrecht zueinander stehen müssen. Es besteht keine Möglichkeit, daß das hochfrequente Feld direkt in der Photozelle 53 ein Signal induziert, es besteht auch keine Möglichkeit, daß das auftreffende Licht eine Hochfrequenz in der Hochfrequenzwicklung 42 erzeugt. Es sind daher das Anzeigesystem und das Erregersystem vollständig voneinander unabhängig und voneinander entkoppelt und können tatsächlich eng beieinander angeordnet werden. Die x-Strahlung kann parallel zum HF-Feld liegen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, daß die Erfindung verschiedene physikalische Formen annimmt. Beispielsweise kann man zwei Lichtstrahlen, einen x-Strahl und einen y-Strahl, an Stelle nur eines anzeigenden Lichtstrahles verwenden, wobei die genannten Strahlen unter rechten Winkeln zueinander orientiert sind, deren Ausgangsspannungen zu einem zweiphasigen System vereinigt werden, wodurch nicht nur die Frequenz, sondern auch die Präzessionsrichtung angegeben wird. Ein solches System ist in Fig. 11 dargestellt, wobei Alkaliatome, die durch optisches Pumpen ausgerichtet sind, angenommen sind, der z-Strahl und das magnetische Feld H₀ liegen in Richtung in die Zeichenebene. Die Ausgangsspannung der Photozelle 64 des y-Strahles wird über einen Verstärker 65 und einen 90°-Phasenschieber66 einem Phasendetektor 67 zugeführt, dem auch die Ausgangsspannung des x-Strahlverstärkers 54 zügeführt wird. Die Gleichstromausgangsspannung des Detektors 67, deren Vorzeichen vom Sinn der Präzession abhängt, wird auf einem Registrierstreifen 68 aufgezeichnet.It should be emphasized that although the RF field was shown perpendicular to the x-beam, they do not necessarily have to be perpendicular to one another. There is no possibility that the high-frequency field induces a signal directly in the photocell 53, nor is there any possibility that the incident light generates a high frequency in the high-frequency winding 42. The display system and the excitation system are therefore completely independent of one another and decoupled from one another and can actually be arranged close to one another. The x-radiation can be parallel to the RF field. This enables the invention to take various physical forms. For example, two light beams, an x-beam and a y-beam, can be used instead of just one indicating light beam, the said beams being oriented at right angles to one another, the output voltages of which are combined into a two-phase system, whereby not only the frequency, but also the direction of precession is given. Such a system is shown in FIG. 11, wherein alkali atoms which are aligned by optical pumping are assumed, the z-beam and the magnetic field H ₀ are in the direction of the plane of the drawing. The output voltage of the photocell 64 of the y-beam is fed via an amplifier 65 and a 90 ° phase shifter 66 to a phase detector 67, to which the output voltage of the x-beam amplifier 54 is also fed. The direct current output voltage of the detector 67, the sign of which depends on the sense of the precession, is recorded on a recording strip 68.

Bei Quantensystemen, die wie in F i g. 11 angenommen wurde, im Wege des optischen Pumpverfahrens ausgerichtet wurden, kann man zusätzlich das Verhalten der Quantensysteme in der z-Riehtung dadurch beobachten, daß die optische Strahlung, die den Pumpvorgang bewirkte, beobachtet wird; auf diese Weise kann das Verhalten des Systems nach allen drei Komponenten der Polarisation untersucht werden.In the case of quantum systems which, as shown in FIG. 11 adopted has been aligned by means of the optical pumping method, you can also observe the behavior of the quantum systems in the z-direction in that the optical radiation that caused the pumping process is observed; in this way the behavior of the system can according to all three components of polarization can be examined.

In Fig. 12 ist ein frei schwingender Oszillator gezeigt, dessen Frequenz gleich der Resonanzfrequenz der präzedierenden Atommomente abhängt. Ein Teil der Ausgangsspannung des H F-Verstärkers wird über einen Phasenschieber 69 direkt der HF-Spule 42 zugeführt. Auf diese Weise wird ein Teil der Ausgangsenergie rückgekoppelt, um die Schwingungen aufrechtzuerhalten. Wie bei jedem Rückkopplungsoszillator muß man darauf achten, daß das rückgekoppelte Signal die richtige Phasenlage besitzt, so daß Schwingungen bei der mittleren Resonanzfrequenz auftreten, wodurch sich maximale Stabilität ergibt. Es ist offensichtlich, daß die richtige Phasenverschiebung vom Winkel zwischen dem x-Strahl und dem HF-Feld abhängt. Es können als übergänge übergänge von Zeeman-Niveaus ausgenutzt werden (350 kHz im Erdfeld für übergänge im Grundniveau von Natrium) oder IF= ±1, AM = ± 1-Hyperfeinstrukturübergänge (1777MHz für Natrium-Grundniveau-Ubergänge). Da die Frequenz der übergänge der Zeeman-Unterniveaus direkt von der Stärke des magnetischen Feldes H₀ abhängt, hängt die Oszillatorfrequenz sehr stark bei derartigen übergängen von der Feldstärke ab. Die Anwendung einer solchen Anordnung als magnetisches Feldstärkemeßgerät ist offensichtlich, wobei die Frequenz mittels eines Zählers 71 bestimmt wird, wobei die Anordnung auf der Beziehung zwischen der Präzessionsfrequenz und der Feldstärke H₀ beruht.FIG. 12 shows a freely oscillating oscillator, the frequency of which is dependent on the resonance frequency of the precessing atomic moments. Part of the output voltage of the HF amplifier is fed directly to the HF coil 42 via a phase shifter 69. In this way, part of the output energy is fed back in order to maintain the vibrations. As with any feedback oscillator, care must be taken that the feedback signal has the correct phase position so that oscillations occur at the mean resonance frequency, which results in maximum stability. It is obvious that the correct phase shift depends on the angle between the x-beam and the RF field. Transitions from Zeeman levels can be used as transitions (350 kHz in the earth's field for transitions in the basic level of sodium) or IF = ± 1, AM = ± 1 hyperfine structure transitions (1777MHz for sodium basic level transitions). Since the frequency of the transitions of the Zeeman sub-level _{depends directly on the strength of the magnetic field H 0} , the oscillator frequency depends very strongly on the field strength in such transitions. The application of such an arrangement as a magnetic field strength measuring device is obvious, the frequency being determined by means of a counter 71, the arrangement being based on the relationship between the precession frequency and the field strength H ₀ .

In Fig. 13 ist ein frei schwingender atomarer Oszillator gezeigt, der dem in Fig. 12 gezeigten ähnlich ist, wobei dieser Oszillator ein Rubidiumsystem und übergänge 1M = 0, IF = ±1 ausnutzt. Die Strahlungsquellen 32 und 48 sind in diesem Fall Rubidiumlampen, und das Gefäß 31 enthält Rubidiumatome. .Es werden Maßnahmen getroffen, um eine überbesetzung der F = 2, M — O-Niveaus zu bewirken, relativ zu der Besetzung der F= 1, M=O-Niveaus, was eine Grundbedingung für das Auftreten des Lichtmodulationsprozesses ist. Indem Rubidium 87 an Stelle von Natrium verwendet wird, und ein Interferenzfilter 72, welches nur die D₁-Rubidiumstrahlung durchläßt, im Pumpstrahl benutzt wird, können praktisch alle Atome in dem Zustand M₂ = 2, F = 2 konzentriert werden. Indem ein schwaches statisches Feld H₀ in der x-Richtung angelegt wird, wird diese Polarisation in eine Ausrichtung übergeführt, in der eine bevorzugte Besetzung des F = 2, Λί = 0-Niveaus und eine nur sehr schwache Besetzung der F=I-Unterniveaus stattfindet. Indem ein lineares Hochfrequenzfeld in x-Richtung angelegt wird, ergeben sich IM_x = 0-Ubergänge, wobei sich eine Modulation des x-Strahles bei der IF = 1 H · F · S · Übergangsfrequenz von 6830 MHz ergibt. FIG. 13 shows a freely oscillating atomic oscillator which is similar to that shown in FIG. 12, this oscillator making use of a rubidium system and transitions 1 M = 0, IF = ± 1. The radiation sources 32 and 48 are rubidium lamps in this case, and the vessel 31 contains rubidium atoms. Measures are taken to cause overpopulation of the F = 2, M - O levels relative to the occupation of the F = 1, M = O levels, which is a basic condition for the light modulation process to occur. By using rubidium 87 instead of sodium, and by using an interference _{filter 72, which only allows the D 1} rubidium radiation to pass through, in the pump beam, practically all atoms can be _{concentrated in the state M 2} = 2, F = 2. By applying a weak static field H ₀ in the x-direction, this polarization is converted into an orientation in which a preferred occupation of the F = 2, Λί = 0 level and only a very weak occupation of the F = I sublevels takes place. By applying a linear high-frequency field in the x-direction, IM _x = 0 transitions result, with a modulation of the x-beam at the IF = 1 H · F · S · transition frequency of 6830 MHz.

Die Präzessionsbewegung des Quantensystems zur Modulation der Intensität des x-Lichtstrahles muß nicht notwendigerweiseeine Resonanzpräzession durch Anlegen eines HF-Signals sein. Die Modulation kann auch im Wege freier Präzessionen eines Quantensystemes erfolgen. Beispielsweise können die Natriumatome in dem zuvor erörterten Beispiel veranlaßt werden, freie Präzessionen in einem statischen Magnetfeld auszuführen, beispielsweise in dem Erdfeld, und ein optischer x-Strahl kann auf die eine freie Präzessionsbewegung ausführenden Atome gerichtet werden, wobei die Präzessionsbewegung dann den x-Strahl moduliert. Ein Beispiel eines Magnetometers, welches die optische Anzeige einer freien Präzession ausnutzt.The precession movement of the quantum system to modulate the intensity of the x-light beam must not necessarily be a resonance precession by applying an RF signal. The modulation can also take place in the way of free precessions of a quantum system. For example, the sodium atoms in the example discussed above, caused free precessions in a static magnetic field execute, for example in the earth's field, and an optical x-ray can point to a free precession movement exporting atoms are directed, with the precession motion then causing the x-ray modulated. An example of a magnetometer that takes advantage of the visual indication of free precession.

ist in Fig. 14 dargestellt. Der zirkulär polarisierte optische Strahl einer Lichtquelle 32 wird einem Absorptionsgelaß 31 unter einem Winkel, vorzugsweise von 90", gegen das magnetische Feld H_E, das gemessen werden soll und das beispielsweise das erdmagnetische Feld von 1/2 Gauß Stärke sein kann, zugeführt. Ein Impuls eines unidirektionalen Magnetfeldes H₀ von der Zeitdauer f, wird den Natriumatomen parallel zum optischen Pumpstrahl mittels Spulen 73, einem Impulsgeber 74 und einer Gleichstromspule 75 zugeführt. Die Zeit f, ist hinreichend groß, um eine Ausrichtung der Natriumatome in dem polarisierenden Feld H₀ von ungefähr 5 Gauß Stärke zu erreichen. Der Impulsgeber 74 wirkt so, daß das polarisierende Feld H₀ schnell abgeschaltet wird, und zwar in einer Zeil, die, verglichen mit der Periode der Resonanzpräzession des Atomes in dem Feld H₁, gering ist. Zunächst werden sämtliche Atome senkrecht zu H₁ polarisiert bleiben, um welches Feld herum sie beginnen, freie Präzessionsbewegungen auszuführen. Die» Präzessionsbewegung moduliert die optische Strahlung der Strahlenquelle 32 mit der Resonanzfrequenz: das modulierte Licht wird durch eine Photozelle 37 angezeigt, und deren Strom wird über einen Verstärker 38 einem Frequenzzähler 76 zügeführt, welcher Präzessionsfrequenz mißt und so ein Maß für die Feldstärke des Feldes H₁ liefert.is shown in FIG. The circularly polarized optical beam from a light source 32 is fed to an absorption passage 31 at an angle, preferably 90 ", with respect to the magnetic field H _E which is to be measured and which can be, for example, the terrestrial magnetic field of 1/2 Gaussian strength The pulse of a unidirectional magnetic field H ₀ of the time period f is fed to the sodium atoms parallel to the optical pump beam by means of coils 73, a pulse generator 74 and a direct current coil 75. The time f, is long enough to allow the sodium atoms to align in the polarizing field H ₀ The pulse generator 74 acts to _{quickly turn off the polarizing field H 0} in a line which is small compared to the period of the resonance precession of the atom in the field H ₁ all atoms will remain polarized perpendicular to H ₁ , around which field they begin to execute free precession motions cession movement modulates the optical radiation of the radiation source 32 with the resonance frequency: the modulated light is displayed by a photocell 37, and its current is fed via an amplifier 38 to a frequency counter 76, which measures the precession frequency and thus provides a measure of the field strength of the field H ₁ .

In Fig. 15 ist eine weitere Ausführungsform eines Magnetometers gezeigt, welches auf der Basis freier Präzession arbeitet. Ein Impuls eines unidirektionalen Magnetfeldes H_B wird den Natriumatomen parallel zum optischen Pumpstrahl mittels Spulen 73, einem Sequenzer 77 und einer Gleichstromquelle 75 zugeführt, wobei der Impuls eine Zeit t[ dauert, die hinreichend groß ist, um die Atome in dem H₈-FeId auszurichten. Der Sequenzer 77 schaltet das H₈-FeId relativ langsam im Verhältnis zur Periodendauer der Resonanzfrequenz ab, und relativ schnell zu der ¹ Zeitdauer r,, dergestalt, daß die Atome schließlich in "dem Magnetfeld H_E ausgerichtet sind. Ein HF-Impuls mit etwa der Resonanzfrequenz der Atome im Magnetfeld H_E wird den Atomen über die Spulen 73 von der Stromquelle 41 zugeführt, wobei der Impuls eine hinreichende Impulsdauer besitzt, so daß die Atommomente um einen bestimmten Winkel, vorzugsweise senkrecht zu der Feldrichtung H_t gekippt werden. Am Ende des Hochfrequenzimpulses führen die Atome in dem magnetischen H^-FeId freie Präzessionen mit ihrer Resonanzfrequenz aus und modulieren den Lichtstrahl, wobei die Frequenz der Modulation in dem Frequenzzähler 76 gemessen wird.FIG. 15 shows a further embodiment of a magnetometer which operates on the basis of free precession. A pulse of a unidirectional magnetic field H _B is fed to the sodium atoms parallel to the optical pump beam by means of coils 73, a sequencer 77 and a direct current source 75, the pulse lasting a time t [which is sufficiently large to move the atoms in the H ₈ field align. The sequencer 77 switches the H ₈ -FeId relatively slow in relation to the period of the resonant frequency, and r is relatively rapidly to the ¹ period of time ,, such that the atoms finally the magnetic field H _E are aligned in. "An RF pulse having about The resonance frequency of the atoms in the magnetic field H _E is fed to the atoms via the coils 73 from the power source 41, the pulse having a sufficient pulse duration so that the atomic moments are tilted by a certain angle, preferably perpendicular to the field direction H _t of the high-frequency pulse, the atoms in the magnetic H ^ field carry out free precessions with their resonance frequency and modulate the light beam, the frequency of the modulation in the frequency counter 76 being measured.

Man kann auch eine Modulation des Lichtstrahles bei der Larmorfrequenz unter Ausnutzung freier Präzessionen in einem System erhalten, welches ähnlich dem in Fig. 15 dargestellten System ist, wobei der Lichtstrahl unter einem Winkel von ungefähr 45° zum Erdfeld H_E gerichtet ist. In diesem Falle ist die Anwendung eines H_B-Feldimpulses nicht erforderlich, es ist lediglich ein Hochfrequenzimpuls erforderlich, welcher die Magnetisierung um 90° in bezug auf die Feldrichtung H_t kippt.One can also obtain a modulation of the light beam at the Larmor frequency using free precessions in a system which is similar to the system shown in FIG. 15, the light beam being directed at an angle of approximately 45 ° to the earth's field H _E. In this case, the application of an H _B field pulse is not required, only a high-frequency pulse is required which tilts _{the magnetization by 90 ° with respect to the field direction H t.}

Ein anderes Magnetometer, welches auf freier Präzession beruht, benutzt sowohl einen z-Strahl als auch einen x-Strahl, wie in Fig. 16 erläutert. Der optische Strahl, der den Pumpeffekt bewirkt, wird von einer Quelle 32 geliefert und parallel zu dem magnetischen Feld H₁ gerichtet, so daß die Atome in dem Feld H₁ ausgerichtet werden. Es wird ein hochfrequenter Magnetfeldimpuls zugeführt, der von einer Hochfrequenzquelle 41 mittels eines Impulsgebers 78 und Spulen 73 erzeugt wird, wobei der Impuls den Atomen unter einem Winkel, vorzugsweise unter einem rechten, relativ zum H_t-Feld zugeführt wird und ungefähr die Resonanzfrequenz der Atome besitzt, und so lange dauert, daß die Atommomente um einen Winkel, beispielsweise um 90°, gegen ihre ursprünglichen Ausrichtungen gekippt werden. Am Ende des Hochfrequenzimpulses können die Atome freie Präzessionsbewegung mit ihrer charakteristischen Resonanzfrequenz im Feld H_E ausführen. Die Frequenz der Präzessionsmodulation des x-Lichtstrahles der Lichtquelle 48 wird dann in dem Frequenzzähler 76 gemessen.Another magnetometer which relies on free precession uses both a z-beam and an x-beam, as illustrated in FIG. The optical beam causing the pumping effect is supplied from a source 32 and directed parallel to the magnetic field H ₁ so that the atoms in the field H _{1 are} aligned. A high-frequency magnetic field pulse is supplied, which is generated by a high-frequency source 41 by means of a pulse generator 78 and coils 73, the pulse being _{supplied to the atoms at an angle, preferably at a right, relative to the H t} field and approximately the resonance frequency of the atoms possesses, and lasts so long that the atomic moments are tilted by an angle, for example by 90 °, against their original orientations. At the end of the high-frequency pulse, the atoms can perform free precession motion with their characteristic resonance frequency in the field H _E. The frequency of the precession modulation of the x-light beam of the light source 48 is then measured in the frequency counter 76.

Claims

Patent claims:

1. Procedure for determining a magnetic field acting in one direction (unidirectional Magnetic field), characterized that quantum systems, especially atoms; in a known manner by stimulation at least one excited, optically absorbing state aligned in the magnetic field and their alignment by observing the absorption of one by the quantum systems appropriately polarized light beam passing through is determined and that the alignment is changed periodically.

2. The method according to claim 1, characterized in that the alignment conditions (unidirectional magnetic field H _0. H _e ; additional magnetic field H ₁ ) are changed periodically (Fig. 6, 11; 21, 22, 23).

3. The method according to claim 1, characterized in that a precession of the quantum systems around the unidirectional magnetic field.

4. The method according to claim 3, characterized in that the precession of the quantum systems is enforced (Figs. 17, 19, 20).

5. The method according to claim 3, characterized in that a free precession of the quantum systems is brought about (Fig. 21, 22, 23).

6. Arrangement for performing the method according to one of claims 1 to 5 with a device to generate an additional magnetic field to excite the quantum systems on a optically absorbing level, a lamp to generate the light beam and an optical one System with a photodetector for the light beam, characterized in that a device is provided to measurably influence the resulting magnetic field.

7. Arrangement according to claim 6 for performing the method according to claim 2, characterized characterized in that the device for measurably influencing the resulting magnetic field from a wobble generator (25, 44) and a coil (24, 43) through which a direct current flows, whose size is a measure of the strength of the magnetic field to be determined (Fig. 6, 11), provided that magnetic field-dependent transitions of the quantum systems are used to the Bring absorption of the light beam.

8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the device for measurable

Influencing the resulting magnetic field (wobble generator 44) and the photodetector (37, 38) via a comparison _{circuit (46) the device for generating an additional magnetic field in the form of an RF magnetic field (H 1} ) is connected, and this is connected to an RF generator (41 , 47) with a tunable frequency, so that the frequency of the HF generator (41, 47) is a measure of the strength of the magnetic field to be determined (Fig. 11), provided that magnetic field-dependent transitions of the quantum systems are used to reduce the absorption of the Bring about a beam of light.

9. Arrangement according to claim 6, characterized in that the device for measurably influencing the resulting magnetic field consists of an RF amplifier (54) connected to the photodetector (53), which via a phase shifter (69) with an RF magnetic field ( H ₁ ) is connected as an additional magnetic field generating coil (42) in such a way that the output voltage of the photodetector (53) is fed back to the quantum systems to maintain the oscillation (FIG. 19).

10. The arrangement according to claim 6 for performing the method according to claim 5, characterized in that a magnetic field (H ₀ , Hg) _{directed perpendicular to the magnetic field to be determined (H E} ) can be switched on in pulses, so that the quantum systems to free precessions to determining magnetic field (H _E ) are caused (Fig. 21,22, 23).

11. Arrangement according to claim 10, characterized in that that a direct current pulse generator (74, 75) to the additional magnetic field generating Coils (73) is connected.

12. The arrangement according to claim 10, characterized in that a sequential circuit (77) is provided is that the additional magnetic field generating coils (73) one after the other a direct current and delivers an RF pulse.

13. Arrangement according to one of claims 8 to 12 for carrying out the method according to claim 4, characterized in that two light components offset from one another at an angle are provided which orient the alignment of the quantum systems at an angle to the unidirectional magnetic field (H ₀ , H _E ) , so that the HF magnetic field (H ₁ ) as an additional magnetic field causes the quantum systems to precession around the unidirectional magnetic field (H ₀ , H _E ) (Figs. 17, 19, 20, 23).

14. Arrangement according to claim 13, characterized in that two lamps (32, 48) are provided for generating the two light components, one of whose light beams one is directed parallel and the other perpendicular to the unidirectional magnetic field (H ₀ , H _£ ) (Fig . 17, 19, 20).

15. The arrangement according to claim 13, characterized in that a single lamp is provided for generating the two light components, the light beam of which is directed at an angle of preferably 45 ° to the unidirectional magnetic field (H ₀ , H ₁ :) .

16. Arrangement according to claim 10 and 13, 14 or 15, characterized in that for generating of the RF magnetic field are provided as an additional magnetic field coils (73) to which a HF pulse generator (78, 41) is connected.

17. Application of an arrangement according to claim 8 or 9 or one of claims 13 to 15 as a frequency standard, provided that magnetic field-independent transitions (A m = 0) of the quantum systems are used to bring about the absorption of the light beam, and the device for measurable influencing of the resulting magnetic field only influences the frequency of the voltage supplied by the HF generator (41) or the HF amplifier (54).

18. Arrangement according to claim 13, 14 or 15 for use according to claim 17, characterized in that the light component, the absorption of which is measured, is directed parallel to the unidirectional magnetic field (H ₀ ) and to the RF magnetic field (H ₁ ) (Fig. 20).

For this purpose 3 sheets of drawings