DE1773539A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Ausrichtung von metastabilen He?-Atomen durch Messung der gestreuten Resonanzstrahlung - Google Patents

Description

HUGcR - STELLRECHT - GkIE333ACH - HAZC^iER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART 1773539

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Texas Instruments Incorporate J Dallas, Texas, USA.

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Ausrichtung von metastabilen He -Atomen durch Messung der gentreuten Reoonanzstrahlung.

Zusammen fassung

Ein Helium-Magnetometer, dessen He -Atome in den metastabi-

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len 2 ο-,-Zustand überführt sind, wird mit unpolarisierter Resonansstrahlung bestrahlt, um die Atome im metastabilen Zustand auszurichten. Die gestreute Resonanzstrahlung der in den metastabilen Zustand überführten He -Atome wird gemessen und liefert sin Haß für die Ausrichtung der Atome. Es Iranη eine Differenzfunktion aus zwei polarisierten Komponenten der gestreuten Resonanzstrahlung erzeugt werden, um

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ein Ausgangssignal zu gewinnen, das praktisch frei von Rauschen ist.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft Helium-Magnetometer, insbesondere

He -Magnetometer, bei denen stärkere Signalintensitäten erhalten v/erden sollen.

Es ist bekannt, im Grundzustand befindliche Atome einer Heliurnzelle durch Anregung in einen metastabilen Zustand zu überführen und die Heliumzelle mit unpolarisierter Resonanzstrahlung zu bestrahlen, um eine Ausrichtung der Atome im metastabilen Zustand zu veranlassen. Eine solche Ausrichtung der metastabilen Atome wird durch Anlegen eines variierenden Hoch- oder Radiofrequenz-Magnetfeldes verändert, und der Grad der dadurch hervorgerufenen Veränderung der Ausrichtung wird als eine Funktion der Frequenzänderung des hochfrequenten Magnetfeldes gemesatn.

Die Messung der Veränderung in der Ausrichtung der metastabilen Helium-Atome erfolgte bisher durch Messung der unabsorbierten, durch die Heliumquelle hindurchtretenden Resonanzstrahlung. Eine ausfuhrliche Beschreibung von Magnetometern mit Messung der unabsorbierten Resonanzstrahlung findet sich in den USA-Patentschriften 3 071 721 und 3 122 702.

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Obwohl die bekannten Anordnungen Resonanzsignale liefern, die ein Haß für die Veränderung der Ausrichtung ira metastabilen Zustand sind, sind diese Signale doch in allgemeinen verhältnismäßig schwach und ergeben insbesondere im Fall der Helium-Hagnetometer eine breite Resonanzlinie in der Größenordnung von etwa 1 Milligauß, so daß die Brauchbarkeit dieser Anordnungen dort, v/o eine hohe Genauigkeit gefordert wird, beschränkt ist. Weiterhin erforderte bisher die direkte Messung der mit hoher Intensität an den ausgerichteten Helium-Atomen vorbei passierenden Strahlung häufig ein kompliziertes und sperriges Kollimatorsystem und ließ die Anwendung empfindlicher Meßgeräte, die bei hohen Strahlungsintensitäten zur Sättigung neigen, nicht zu.

Es ist ferner bekannt, das Streulicht zu messen, das aus einem optisch orientierten Gas stammt, um auf diese //eise die magnetische Resonanz des Gases zu bestimmen. Eine diesbezügliche Anordnung wird von J. Brossel und F. Bitter in PHYSICAL REVIEV/ 86, 308 (1952) beschrieben. Eine Messung des Streulichts wurde jedoch bisher noch nicht in Verbindung mit einer Einstrahlung von unpolarisiertem Licht auf metastabile He -Atome benutzt. Ferner lieferten solche Messungen bisher auch noch keine Resonanzsignale mit Intensitäten, die von denjenigen Intensitäten wesentlich verschieden waren, wie sie

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bei der Messung der direkt durch eine Zelle hindurchtretenden· Resonanzstrahlung zu beobachten sind.

Um die Nachteile der Anwendung unpolarisierter Resonanzstrahlung in Heliurn-Magnetometern zu eliminieren, wurden Anordnungen entwickelt, bei denen eine zirkulär polarisierte Resonanzstrahlung zur Anwendung gelangt. Diese Anordnungen liefern beträchtlich stärkere Ausgangssignale als die auf unpolarisierter Strahlung beruhenden Anordnungen, so daß der Bau hochempfindlicher Magnetometer grundsätzlich möglich ist. Entsprechende Anordnungen sind in der bereits erwähnten USA-Patentschrift 3 122 702 und in den weiteren USA-Patentschriften 3 206 671 und 3 211 994 beschrieben. Durch die Benutzung zirkulär polarisierten Lichtes müssen jedoch gewisse Mängel in Kauf genommen werden, und zv/ar infolge einer merklichen Verschiebung des durch das Pumplicht erzeugten Energienieveaus. Diese Energieverschiebung gibt Anlaß zu einer Abhängigkeit vom umgebenden Magnetfeld und von der Orientierung des Magnetometers, was im praktischen Betrieb zu unerwünschten Ungenauigkeiten führt. Um die erwähnten Energieverschiebungen wieder auszuschalten, wurden Anordnungen mit mehrfachen polarisierten Strahlenbündeln vorgeschlagen, die jedoch bezüglich der Empfindlichkeit nicht allen Ansprüchen genügten.

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Es ist dementsprechend Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Veränderungen in der Ausrichtung metastabiler Helium-Atome vorzuschlagen, wobei eine unpolarisierte Resonanzstrahlung Anwendung findet und dennoch Ausgangsresonanzsignale von hoher Intensität erhalten v/erden.

Gemäß der Erfindung werden He -Atome durch Anregung in den metastabilen Zustand 2 S-, überführt und in einer vorgegebenen Richtung mit unpolarisierter Resonanzstrahlung bestrahlt.

4 Die von den im metastabilen Zustand befindlichen He -Atomen gestreute Resonanzstrahlung wird aufgefangen und liefert ein sehr intensives, mit geringem Rauschen behaftetes Ausgangs-

signal, das für die Ausrichtung der He -Atome im metastabilen Zustand repräsentativ ist. Die gestreute Resonanzstrahlung kann durch Anordnung eines Empfängers in einem bestimmten Winkel zur Richtung der eingestrahlten Resonanzstrahlung gemessen werden; v/ahlweise kann die gestreute Resonanzstrahlung auch so ausgewertet v/erden, daß die direkt durch die metastabilen He -Atome hindurchtretende, unabsorbierte Resonanzstrahlung ausgeschaltet wird.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformeti

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der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der v/eiteren Erläuterung.

Es zeigen

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsforrn der Erfindung;

Fig. 2 schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer Differenzschaltung und

Fig. 3 schematisch eine dritte Ausführungsforrn der Erfindung mit Ausfilterung der direkt durch die Heliumzelle hindurchtretenden Resonanzstrahlung.

Die Erfindung geht aus von dem Verfahren des optischen Puropens bei He -Atomen unter Verwendung unpolarisierter Resonanzstrahlung, wie dies in der erwähnten USA-Patentschrift 3 122 702 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren v/erden metastabile, im Zustand 2 S-, befindliche Helium-Atome in einem mit gasförmigem Helium gefüllten, geschlossenen Gefäß mit Hilfe einer elektrischen Entladung erzeugt. In der Nähe des Gefäßes ist eine Helium-Bogenlampe angeordnet, die Resonanzstrahlung im nahen Ultrarot-Gebiet des elektromagnetischen

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Spektrums emmitiert. Y/enn die Strahlung kollinear nit dem umgebenden Magnetfeld einfällt, v/erden die metastabilen Helium-Atome ausgerichtet, und es tritt eine maximale Intensität der Kesonanzstrahlung durch das Gefäß hindurch.

Die Ausrichtung der metastabilen Helium-Atome wird anschließend durch das Anlegen eines hochfrequenten Magnetfeldes vermindert, wobei die metastabilen Heliumatome eine größere Menge an Resonanzstrahlung absorbieren. Indem man die Stärke des hochfrequenten Magnetfeldes konstant hält und lediglich dessen Frequenz variiert, läßt sich ein Punkt finden, bei dem eine maximale Absorption der Resonanzstrahlung stattfindet. Dies zeigt den maximalen Grad fehlender Ausrichtung der metastabilen Atome an. Durch Messung der von den metastabilen Heliumatoraen nicht absorbierten, hindurchtretenden Resonanzstrahlung und durch Bestimmung der Frequenz des magnetischen Wechselfeldes, bei der die hindurchtretende Resonanzstrahlung minimal wird, kann so die Stärke des umgebenden Magnetfeldes direkt angegeben v/erden. Bei Anwendung des in der USA-Patentschrift 3 122 702 beschriebenen Verfahrens läßt sich zeigen, daß die Intensitätsänderung der durchgelassenen Resonanzstrahlung bein Übergang des Heliums vom ungepunpten in den gepumpten Zustand durch folgenden Ausdruck gegeben ist.

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Λ I (durchgelassen) = 2 (M_Q - N/3) (A-B) (l)

Es bedeutet:

N .die Dichte des 2 S-^Zustandes mit m=0; N die gesamte Dichte des metastabilen Zustands; A und B die Intensitäten der D - und D^-Komponenten der Resonanzpumpstrahlung. Bei bekannten Anordnungen sind die Intensitäten A und B der Pumpstrahlung einander weitgehend gleich, so daß die Resonanzausgangsstrahlung nur relativ kleine Amplituden besitzt.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der überraschenden Entdeckung, daß die gestreute Resonanzstrahlung aus einer mit unpolarisierter Resonanzstrahlung bestrahlten He -Zelle eine wesentlich höhere Veränderung der Signalintensität als die unabsorbierte Resonanzstrahlung liefert, welche direkt durch

die He -Zelle hindurchtritt. Bei der Messung gestreuter Resonanzstrahlung bestrahlter Substanzen, beispielsweise Natrium, ergab sich, daß die auf der Resonanzstrahlung beruhenden Ausgangssignale im allgemeinen gleich denjenigen Ausgangssignalen v/aren, die sich aus der Messung der unabsorbierten Resonanzstrahlung ergaben, die durch die betreffende Substanz direkt hindurch getreten war. Die durch die Erfindung vermittelten Ergebnisse müssen infolgedessen als unerwarte t bezeichnet werden. Die Ergebnisse lassen eich jedoch

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nit Bezug auf die nachstehenden Formeln für die Intensität der an He -Atomen gestreuten Strahlung deuten. Die Formeln sind von den relativen Übergangswahrscheinlichkeiten der auf den stabilen Zustand bezogenen Besetzungen der neun magnetischen Subniveaus der Zustände 2 P , ρ des He Atoms abgeleitet. Für die gestreute 77--Strahlung ergibt sich

I = 1/3 [2N(A+B)fN₀(-2A+l6BJ[ (2)

und für die GT -Strahlung

I^ = 1/3 £2N(A+7B)-N_O(2A+5BJ] (3)

Es bedeuten:

N die gesamte Dichte des metastabilen Zustandes; N die Dichte des Zustandes 2 S-, ,m=O;A und B die Intensitäten der D_Q~ und D,-Komponenten der Pumpstrahlung.

Die Besetzung LI wird durch das Pumpen mit Resonanzstrahlung modifiziert. Infolgedessen enthält die gestreute Resonanzstrahlung eine Information über die Ausrichtung des S-Zustandes der Helium-Atome. Das Ausgangssignal der Resonanzstrahlung v/ird in der üblichen V/eise definiert als die Intensitätsänderung der gestreuten Resonanzstrahlung, \ienn die metastabilen Atome durch die Purapresonanzstrahlung ausgerich-

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tet werden. Die Intensitätsänderungen der Ti- und Gf-Komponenten der Streustrahlung bei 90 , bezogen auf das ungebende Magnetfeld, lassen sich dann definieren als

= 1/3 (Π_Ο-Π/3)(16Β-2Α) (4)

= 1/3 (N_O-1I/3)(2A+5B) (5)

In obigen Gleichungen entsprechen die Symbole den zuvor definierten Symbolen. .

Durch Vergleich der Intensitätsänderungen der gestreuten Resonanzstrahlung gemäß Gleichungen (4) und (5}mit der Intensitätsänderung der hindurchtretenden Resonanzstrahlung gemäß Gleichung (l)ergibt sich, daß die Ausdrücke Λ und B in den Gleichungen für die gestreute Resonanzstrahlung keiner gegenseitigen Aufhebung unterliegen, wie dies für die Gleichung(l) zutrifft. Infolgedessen kann die gemessene Intensitätsänderung der gestreuten Resonanzstrahlung bis zu mehrere hundertmal größer sein als die Intensitätsänderung der durchtretenden

Resonanzstrahlung, wie sie bisher in He -Magnetonetern ausgenutzt wurde.

Da erfindungsgemäß keine Intensitätsänderungen bei intensiven Licht, das aus der die .Resonanzstrahlung liefernden Puiapquelle stammt, erfolgen muß, vermittelt die Erfindung ein Ausgangs-

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signal, v/elches ein erheblich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis besitzt. Weiterhin können im Zusammenhang mit der Erfindung sehr empfindliche Meßschaltungen berifczt v/erden, beispielsweise Lawinen-Photodioden (avalanche photodiodes), welche bisher aufgrund ihrer Sättigung bei hohen Strahlungsintensitäten nicht verwendbar waren.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des

3 4-erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt eine mit He - oder He Gas gefüllte Lampe Io mit Elektroden 12 und 14, die an einen Radio- oder Hochfrequenzgenerator 16 angeschlossen sind. Die Heliumlampe 10 dient als Quelle für unpolarisierte Resonanzstrahlung, die allgemein in Richtung der Achse 18 abgestrahlt wird. Die Achse 18 ist dabei kollinear mit der Richtung des durch den Pfeil 20 angedeuteten umgebenden Magnetfeldes. Die Lampe 10 bestrahlt direkt eine Heliunzelle 22, v/elche eben-

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falls reines He -Gas enthält. Die He -Zelle wird über Elektroden 24 und 26 von einem Gleichstromgenerator 28 betrieben, um die Heliumatome in an sich bekannter V/eise von Grundzustand in den metastabilen 2 S^-Zustand zu überführen.

Eine Helmholtz-Spule 30, die aus einen Wechselstromgenerator 32 gespeist wird, ist im Resonanzstrahlungsfeld angeordnet, um das zu messende Magnetfeld geringfügig zu modulieren. Durch entsprechende, später noch zu beschreibende Verbindungen mit einem Anzeige-Osziüloskop lassen sich Signale darstellen, wo-

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bei eine der I-lodulationsspannung proportionale Spannung an die horizontalen Ablenkplatten des Oszilloskops angelegt wird. Um die He -Zelle 22 herum ist eine Radio- oder Hochfrequenzspule 34 angeordnet, die mit dem Hochfrequenzgenerator 36 verbunden ist. Die Spule 34 dient dazu, den ausge-™ richteten metastabilen Atomen in der He -Zelle 22 ein vacLables Hochfrequenz-Magnetfeld aufzuprägen. Die Spule 34 soll so angeordnet werden, daß sie ein Magnetfeld mit Komponenten liefert, die rechtwinklig zur Achse des zu messenden, umgebenden Magnetfeldes liegen, so daß magnetische Feldlinien vorliegen, die dahingehend wirken, die Ausrichtung der metastabilen Heliumatome zu verändern.

Erfindungsgemäß v/ird lediglich die aus der He -Zelle austretende, gestreute Resonanzstrahlung gemssen, um die Veränderung in der Ausrichtung der Helium-Atome zu bestimmten. Bei der Ausführungsform gemäß Pig. 1 erfolgt die Messung der Streustrahlung mit Hilfe eines Infrarot-Detektors 38, der in einem bestimmten V/inkel zur Strahlungsrichtung 18 und zur Richtung des Magnetfeldes 20 angeordnet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt dieser Viinkel z.B. etwa 90°. Es wurde gefunden, daß bei diesem V/inkel ein maximales Ausgangssignal entsteht. Es können jedoch auch andere V.'inkel ζνή-

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sehen den Detektor j>8 und der Richtung des ilagnetf eldes 20 zur Anwendung gelangen, wobei Ausgangssignale mit geringerer Intensität empfangen werden. Die einzige zu beachtende Forderung ist jedoch die, daß der Detektor 38 nicht in einer solchen Lage angeordnet wird, daß er unabsorbierte, direkt

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durch die He -Zelle 22 hindurchtretende Resonanzstrahlen empfängt.

Die gestreute Resonanzstrahlung aus der He -Zelle 22 umfaßt in an sich bekannter './eise ir- und «*-Komponenten. V/ie sich aus den obigen Gleichungen (4) und (5) ergibt, unterscheiden sich die relativen Größen und Polaritäten dieser beiden Komponenten voneinander, wobei die Größe derTT-Komponente im allgemeinen das Doppelte der Größe der 6*-Komponente bei einem V/inkel von 90 bezogen auf die Richtung des Magnetfeldes 20 ist. Aus diesem Grunde wird ein linearer Analysator zwischen der He -Zelle 22 und dem Detektor 38 angeordnet, um eine selektive Unterscheidung zwischen den beiden Komponenten der gestreuten Resonanzstrahlung oder zwischen bestimmten Kombinationen dieser Komponenten zu ermöglichen. Der lineare Analysator 40 polarisiert infrarotes Licht in Abhängigkeit von seiner Winkelstellung. Ein für die Zwecke der Erfindung brauchbarer linearer Analysator ist von der Firma Polaroid Corporation unter der Typenbezeichnung "HR Linear

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Polarizer" erhältlich.

Das von dem Infrarot-Detektor 38 erzeugte Ausgangssignal, welches für die Intensitätsänderung der gestreuten Resonanzstrahlung repräsentativ ist, wird in einem Verstärker 42 verstärkt und in eine Anzeigevorrichtung 44 eingespeist. Die Anzeigevorrichtung 44 kann beispielsweise ein Oszilloskop sein, dessen horizontale Ablenkplatten durch den Wechselstrom-Generator 32 moduliert sind.

Die in Fig. 1 dargestellte AusfUhrungsform kann auch in einem umgebenden Magnetfeld 20 angewandt v/erden, dessen Richtung senkrecht zu der durch den Pfeil in Pig. I angegebenen FeIdrichtung verläuft. In einem solchen Magnetfeld bleibt die in Pig. I dargestellte Anordnung im wesentlichen unverändert mit der Ausnahme jedoch, daß der lineare Analysator 40 in : eine Lage zwischen der Lampe 10 und der Zelle 22 versetzt wird. Da das auf die Resonanzstrahlung bezogene Auagangssignal, wie es durch die vorliegende Anordnung gemäß der Erfindung vermittelt wird, etwas von der Richtung des umgebenden Magnetfelds abhängt, können bei praktischer Anv/endung drei identische Systeme in Richtung orthogonaler Achaen angeordnet werden, um zu allen Zeiten wenigstens eine genaue Anzeige der Größe des Magnetfeldes zu erhalten.

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Pig. 2 zeigt eine v/eitere Ausführungsforn der Erfindung, bei der entgegengesetzte Polaritäten der ^T- und ^-Komponenten der gestreuten Resonanzstrahlung in vorteilhafter V/eise dazu benutzt werden, um störende Rr-uschintensitäten im Ausgangssignal der Resonanzstrahlung zu beseitigen. In Fig. 2 bezeichnen gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile wie in

Fig. 1. Die He -Lampe 10 wird von den Radio-Frequenzgenerator 16 erregt und emittiert in Richtung der Achse 18 unpolarisierte Resonanzstrahlung auf die He -Zelle 22.

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Die He -Atome in der Zelle 22 werden vom Gleichstromgenerator 28 erregt und in den metastabilen 2 S.-Zustand überführt sowie in diesem Zustand durch die Strahlung der Lampe 10 ausgerichtet. Der Radiofrequenzgenerator 36 erzeugt ein magnetisches \/echselfeld, um die Ausrichtung der metastabilen Atome in der zuvor beschriebenen Ί/eise zu stören.

Die aus der He -Lampe 10 austretende Resonanzstrahlung wird von dem metastabilen Helium in der Zelle 22 absorbiert und als gestreute Resonanzstrahlung wieder abgestrahlt. Ein in einem Winkel von 90° zur Einstrahlrichtung aufgestellter De tektor 48 enthält einen linearen Analysator und ist somit

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lediglich für die ^-Komponente der gestreuten Resonanz-Strahlung empfindlich. Der Detektor 48 erzeugt ein Ausgangssignal, welches dem einen Eingang eines Differenzverstärkers 50 zugeleitet wird. Wie sich aus der Gleichung (4) ableiten läßt, bedeutet eine Intensitätsänderung, der«"-Komponente ein Signal von positiver Polarität.

In einem Winkel von 90 zur Strahlungsrichtung ist ein weiterer Detektor 51 angeordnet, v/elcher in der Weise einen linearen Analysator enthält, daß lediglich die <^-Komponente der aus der Zelle 22 stammenden, gestreuten Resonanzstrahlur.g gemessen wird. Wie sich aus der Gleichung (5) ableiten läßt, liefert eine Intensitätsänderung der ^-Komponente ein Signal von negativer Polarität, welches in einen zweiten Eingang des Differenzverstärkers 50 eingespeist wird. Das in den Signalen aus den Detektoren 48 und 51 vorhandene Rauschen wird durch die Wirkungsweise des Differenzverstärkers 50 im wesentlichen ausgelöscht, während sich die F- und<» -Komponenten addieren und ein Ausgangssignal liefern, das für die Ausrichtung der metastabilen Helium-Atome in der Zelle 22 charakteristisch ist.

Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 50 wird an einer geeigneten Vorrichtung 52 angezeigt, beispielsweise eine::;

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Oszilloskop, das in an sich bekannter V/eise durch Helraholts-Spulen, wie sie im Zusammenhang mit Pig. I beschrieben wurden, moduliert ist. Die Anzeige ermöglicht die Bestimmung der Größe des umgebenden Magnetfeldes in an sich bekannter Weise. Die in Pig. 2 gezeigte Anordnung stellt ein sehr kompaktes Magnetometer dar, das ohne Kollimator-Linsen und Einhaltung bestimmter Brennweiten hergestellt v/erden kann.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei v/elcher der Infrarot-Detektor bezüglich der Richtung der Resonanzstrahlen nicht in einem von Null verschiedenen V/inkel angeordnet zu v/erden braucht, und zwar aufgrund der Tatsache,

4 daß die unabsorbierte, durch die He -rZelle hindurchtretende Resonanzstrahlung durch geeignete Einrichtungen vom Detektor ferngehalten wird. In Pig. 3 bezeichnen wieder gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile v/ie in den Pig. I und 2. Zwischen der He -Lampe 10 und der He -Zelle 22 ist ein Polarisationsfilter 54 angeordnet, um alle Komponenten der eingestrahlten Resonanzstrahlung in einer Polarisationsebene herauszufiltern. Ein zweites Filter 56 ist zwischen der Zelle 22 und dem Detektor 38 angeordnet und besitzt eine solche Polarisationsrichtung, daß es alle Strahlungakomponenten in einer Ebene senkrecht zur Polarisationsebene des Filters 54 ausfiltert.

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Auf diese Y/eise v/ird erreicht, daß praktisch keine direkte Resonanzstrahlung aus der Lampe IO auf den Detektor 38 auftrifft. Wenn jedoch die H -Zelle 22 eine-n Teil der Resonanzstrahlung absorbiert und Resonanzstreustrahlen abstrahlt, v/elehe "nicht in einer Ebene polarisiert ist, können entsprechende Komponenten dieser Streustrahlung durch das Filter hindurch zura Detektor 38 gelangen.

Der Infrarot-Detektor 38 spricht infolgedessen in Übereinstimmung mit dem Erfindungsgedanken praktisch nur auf gestreute Resonanzstrahlen an und vermittelt auf diese V/eise ein Ausgangssignal, das mehr als hundertmal intensiver als ein Ausgangssignal ist, v/elches aus einer direkten Messung der unabsorbierten Resonanzstrahlung abgeleitet ist. Es versteht sich, daß auch andere Methoden und Mittel zur Verfugung stehen, um die unabsorbierte Resonanzstrahlung von Detektor 3£ fernzuhalten. Beispielsweise kann dies durch Modulation der aus der Lampe 10 stammenden Strahlung mit einer festen Frequenz und anschließende Ausfilterung dieser Frequenz vor der Messung erfolgen.

Aus dem Voranstehenden ergibt sich, daß die Erfindung ein Verfahren und Vorrichtungen vermittelt, mit deren Hilfe Meßsigna-

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le von extrem hoher Intensität erzielt werden können. Die erfindimgsgenäß erzieltaren Intensitäten und Empfindlichkeiten sind nit denjenigen vergleichbar, die mit Hagnetonetern unter Verwendung zirkulär polarisierter Pumpquellen erreicht werden, ohne daß jedoch bei der Erfindung der diesen Ilagnetoinetern anhaftende Nachteil einer Energieverschiebung in Kauf genommen v/erden muß. Da erfindungsgemäß verhältnismäßig

kleine, aus der He -Zelle stammende Streuamplituden ausgewertet werden, und nicht wie bisher die durch diese Zelle hindurchtretende Resonanzstrahlung, läßt sich erfindungsgemäß ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis erzielen.

Weiterhin können im Zusammenhang mit der Erfindung hochempfindliche Detektoren, beispielsweise Lawinen-Photodioden verwendet werden, deren Anwendung in Magnetometern mit extrem hohen Lichtintensitäten bisher nicht möglich war. Schließlich können bei der erfindungsgemäßen Anordnung komplizierte und sperrige Kollimatorlinsen, v/elche bisher für die Fokussierung der Resonanzstrahlung erforderlich v/aren, in Fortfall gelangen.

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Claims (7)

29.5.1963 .πι - 138 Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung von Magnetfeldern mittels metastabil angeregter He -Atome, welche durch Bestrahlung mit unpolarisierter Resonanzstrahlung ausgerichtet und zum Zwecke

der Änderung der Ausrichtung durch ein magnetisches V/echselfeld beeinflußt v/erden, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Ausrichtung der He -Atome abhängige Meßsignal von der an den Atomen gestreuten Resonanzstrahlung abgeleitet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch mit einer Quelle für die Resonanzstrahlung, einer von der Quelle bestrahlten He -Zelle und einem Generator für das magnetische Wechselfeld, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Meßsignals der Zelle (22) ein Detektor (38) zugeordnet ist, der lediglich die von der Zelle (22) gestreute Resonanzstrahlung empfängt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (38) zur Richtung (18) der von der Qulle (10) eingestrahlten Resonanzstrahlung in einem von 0 verschiedenen Winkel angeordnet ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, da.3 der Detektor (38) zur Richtung (18) in einem V.^rinkel von 90 angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dera Detektor (38) ein Filter (40) zugeordnet ist, das die direkt durch die Zelle (22) hindurchtretende Resonanzstrahlung abhält.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dai3 zur selektiven Aussonderung zv/eier Komponenten der gestreuten Resonanzstrahlung mit entgegengesetzter Polarität v/enigstens ein Polarisationsfilter (4o) vorgesehen ist, und daß in einer Differenzschaltung (50) aus diesen Komponenten ein rauschfreies Meßsignal gewonnen v/ird.

7. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zv/ischen der QieLle (10) und der Zelle (22) ein erster Polarisationsfilter (54) und zwischen der Zelle (22) und dem Detektor (38) ein zweiter, zum ersten gekreuzter Polarisationsfilter (56) angeordnet ist.

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