DE1773539C3

DE1773539C3 - Device for measuring magnetic fields by means of metastable excited He to the power of 4 atoms

Info

Publication number: DE1773539C3
Application number: DE19681773539
Authority: DE
Inventors: Laird Delbert Dallas Tex. Schearer (V.St.A.)
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1967-06-29
Filing date: 1968-05-31
Publication date: 1977-04-21

Description

ii polarisierter Strahlung beruhenden Anordnungen, sopolarized radiation based arrangements, so

I daß der Bau hochempfindlicher MagnetometerI that the construction of highly sensitive magnetometers I grundsätzlich möglich ist. Entsprechende Anordnun-I is basically possible. Corresponding arrangement I ^. 55 gen sind in der bereits erwähnten USA.-PatentschriftI ^. 55 genes are in the USA. Patent already mentioned

j uis Ei lindung betrifft eine Vorrichtung zur Mes- 3122702 und in den weiteren USA.-Patentschriftenj uis egg Lindung relates to a device for measure- 3122702 and in the other patents USA.-

I 'S"!? A^{Cn Ma}8^netfeldern "»»«eis metastabil angeregter 3206671 und 3211994 beschrieben. Durch die Be-I -He -Atome, welche durch Bestrahlung mit unpolari- nutzung zirkulär polarisierten Lichtes müssen jedoch ^'* I 'S "!? A ^{Cn Ma} 8 ^{net fields} " »» «ice metastable excited 3206671 and 3211994 described. Due to the Be-I-He atoms, which by irradiation with non-polar use of circularly polarized light, however, ^ '*

Y' ■ *J^erte[ Resonanzstrahlung ausgerichtet und zum gewisse Mängel in Kauf genommen werden, und zwar W' ί. ■ ■ Zwecke der Änderung der Ausrichtung durch ein ma- 60 infolge einer merklichen Verschiebung des durch das " * gnetiscnes Wechselfeld beeinflußt werden. Pumplicht erzeugten Energieniveaus. Diese Energie« Y '■ * J ^erte [resonance radiation aligned and for certain defects to be accepted, namely W' ί. ■ ■ The purpose of changing the alignment can be influenced by a ma- 60 as a result of a noticeable shift in the energy level generated by the magnetic alternating field. Pump light. This energy «

Zweck der Erfindung ist es, ein Helium-Magneto- verschiebung gibt Anlaß zu einer Abhängigkeit Vom λ ' -meter, insbesondere He⁴-Magnetometer zu schaffen, umgebenden Magnetfeld und von der Orientierung vif bei dem stärkere, praktisch rauschfreie Signalintensi- des Magnetometers, was im praktischen Betrieb zu W-taten erhalten werden können. 65 unerwünschten Ungenauigkeiten führt. Um die/er- ^: 'The purpose of the invention is to create a helium magneto-shift gives rise to a dependence on the λ 'meter, in particular He ⁴ magnetometer, surrounding magnetic field and on the orientation vif in the stronger, practically noise-free signal intensity of the magnetometer, which can be obtained in practical operation at W- taten. 65 leads to undesirable inaccuracies. To the / he ^: '

Es ist bekannt, im Grundzustand befindliche wähnten Energieverschiebungen wieder auazuscjiat- ϊ"^? Atome einer Heliumzelle durch Anregung in einen ten, wurden Anordnungen mit mehrfachen polarisier- ;t' metastabilen Zustand zu überführen und die Helium- ten Strahienbündeln vorgeschlagen, die jedoch ⁵^ ^?, It is known again auazuscjiat- ϊ in the ground state located mentioned energy shifts "atoms of a helium cell by excitation in a th, arrangements have been polarized with multiple; t 'metastable state to transfer and proposed the helium th Strahienbündeln, but ⁵ ^

bezüglich der Empfindlichkeit nicht allen Ansprüchen genügten.not all claims in terms of sensitivity were enough.

Es isi derr.enispireeher.d Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung von Magnetfeldern mittels metastabil angeregter Hr/-Atome der ein* gangs genannten Gattung vorzuschlagen, wobei eine unpolarisierte Resonanzstrahlung Anwendung findet 'und dennoch Ausgangsresonanzsignale von hoher Intensität erhalten werden.It is derr.enispireeher.d object of the invention, a device for measuring magnetic fields to propose by means of metastable excited Hr / atoms of the genus mentioned at the beginning, whereby a unpolarized resonance radiation is used and output resonance signals of high intensity are still obtained.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel vorgesehen sind, durch die das vom der Ausrichtung dsr He*-Atome abhängige Meßsignal yon der an den Atomen gestreuten Resonanzstrah lung abgeleitet wird.The object is achieved in that means are provided through which the from the Alignment of the He * atoms-dependent measurement signal from the resonance radiation scattered on the atoms is derived.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigtThe following description of preferred embodiments of the invention is used in conjunction with the drawing for further explanation. It indicates

/■ Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung,/ ■ Fig. 1 schematically shows a first embodiment of the Invention,

- Fig. 2 schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer Diffeirenzschaltung, und- Fig. 2 schematically shows a second embodiment of the invention using a differential circuit, and

Fig. 3 schematisch eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit Ausfilterung der direkt durch die Heliumzelle hindurchtretenden Resonanzstrahlung.Fig. 3 schematically shows a third embodiment of the invention with filtering out directly through the Resonance radiation passing through the helium cell.

Die Erfindung geht aus von dem Verfahren des optischen Pumpens bei He'-Atomen unter Verwendung unpolarisierter Resonanzstrahlung, wie dies in der erwähnten USA.-Patentschrift 3122702 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren werden metastabile, im Zustand 2³Si 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 Spektrums emittiert. Wenn die Strahlung kollinear mit dem umgebenden Magnetfeld einfällt, werden die metastabilen Helium-Atome ausgerichtet, und es tritt eine maximale Intensität der Resonanzstrahlung durch das Gefäß hindurch.The invention is based on the method of optical pumping of He 'atoms using unpolarized resonance radiation, as is described in the aforementioned US Pat. No. 3122702. In this process, metastable ^{helium atoms in the state 2 3} Si are generated in a closed vessel filled with gaseous helium with the help of an electrical discharge. .Range of electromagnetic spectrum emitted. When the radiation is collinear with the surrounding magnetic field, the metastable helium atoms are aligned and a maximum intensity of the resonance radiation passes through the vessel.

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 Heliumaiomen nicht absorbierten, hindurchtretenden Resonanzstrab'.ung sind durch Bestimmung der Frequenz des magnetischen Wechselfeides, bei der die hindurchtretende Resonanzstrahlung minimal wird, kann so die Stärke des umgebenden Magnetfeldes direkt angegeben werden. Bei Anwendung des in der USA.-Patentschrift 3122702 beschriebenen Verfahrens läßt sich zeigen, daß die Intensitätsänderung der durchgelassenen Resonanzstrahlung beim Übergang des Heliums vom ungepumpten in den gepumpten Zustand durch folgenden Ausdruck gegeben ist.The alignment of the metastable helium atoms is then reduced by applying a high-frequency magnetic field, with the metastable helium atoms absorbing a larger amount of resonance radiation. By leveraging the strength of the 'Keeps the high-frequency magnetic field constant and only varies its frequency, a point find at which a maximum absorption of the resonance radiation takes place. This shows the maximum Degree of misalignment of the metastable atoms. By measuring the resonance radiation which is not absorbed by the metastable helium aioms and which passes through, by determining the frequency of the magnetic alternating field, at which the resonance radiation passing through is minimal so the strength of the surrounding magnetic field can be specified directly. When using the USA.-Patent 3122702 described method can be shown that the change in intensity of the transmitted resonance radiation during the transition of the helium from the unpumped to the pumped one State is given by the following expression.

ΔI (durchgelassen) = 2(N₀ - */,) (A - B) (1) ΔI (let through) = 2 (N ₀ - * /,) (A - B) (1)

Es bedeutet: N₆ die Dichte des 2³S,-Zustandes mit m = 0; N die gesamte Dichte des metastabilen ZuStands; A und B die Intensitäten der P₀- und D_}-Komponenten der Resonenzpunpstrahlung, Bei bekannten Anordnungen sind die Intensitäten A und B der Pumpstrahlung einander weitgehend gleich, soIt means: N _{6 is} the density of the 2 ³ S, state with m = 0; N is the total density of the metastable state; A and B are the intensities of the P ₀ and D _} components of the resonance point radiation. In known arrangements, the intensities A and B of the pump radiation are largely equal to one another, see above

daß die Resonanzausgangsstrahlung nur relativ kleine Amplituden besitzt.that the resonance output radiation is only relatively small Has amplitudes.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der überraschenden Entdeckung, daß die gestreute Resonanzstrahlung aus einer mit unpolarisierter Resonanz-The present invention is based on the surprising discovery that the scattered resonance radiation from an unpolarized resonance

strahlung bestrahlen He⁴-Zel|e eine wesentlich höhere Veränderung der Signalintensität als die unabsorbierte Resonanzstrahlung liefert, welche direkt durch die HC'-Zelle hindurchtritt. Bei der Messung gestreuter Resonanzstrahlung bestrahlter Substanzen, bei-Radiation irradiate He ⁴ cells a significantly higher change in signal intensity than the unabsorbed resonance radiation which passes directly through the HC ′ cell. When measuring scattered resonance radiation of irradiated substances, both spielsweise Natrium, ergab sich, daß die auf der Resonanzstrahlung beruhenden Ausgangssignale im allgemeinen gleich denjenigen Ausgangssignalen waren, die sich aus der Messung der unabsorbierten Resonanzstrahlung ergaben, die durch die betreffendeFor example sodium, it was found that the output signals based on the resonance radiation were generally the same as those output signals which resulted from the measurement of the unabsorbed resonance radiation caused by the relevant

ao Substanz direkt hindurchgetreten war. Die durch die Erfindung vermittelten Ergebnisse müssen infolgedessen als unerwartet bezeichnet werden. Die Ergebnisse lassen sich jedoch mit Bezug auf die nachstehenden Formeln für die Intensität der an He⁴-Atomenao substance had passed directly through. The results conveyed by the invention must therefore be described as unexpected. However, the results can be expressed with reference to the following formulas for the intensity of the He ⁴ atoms gestreuten Strahlung deuten. Die Formeln sind von den relativen Übergangswahrscheinlichkeiten der auf den stabilen Zustand bezogenen Besetzungen der neun magnetischen Subniveaus der Zustände 2³P₀₁₂ des He⁴-Atoms abgeleitet. Für die gestreute ;r-Straninterpret scattered radiation. The formulas are derived from the relative transition probabilities of the steady-state occupations of the nine magnetic sub-levels of the states 2 ³ P _{012 of} the He ⁴ atom. For the scattered; r-stran lung ergibt sichdevelopment results

/„= V₃ [2N(A +B)+N₀(-2A + l6B)] (2) und für die σ-Strahlung/ "= V ₃ [2N (A + B) + N ₀ (-2A + 16B)] (2) and for the σ radiation

4 = V, [2N(A + 7B)-N_O(2 + 5B)] (3) Es bedeuten:4 = V, [2N (A + 7B) -N _O (2 + 5B)] (3) The following mean:

N die gesamte Dichte des metastabilen Zustandes; N₀ die Dichte des Zustandes 2³S₁, m = 0; A und B die Intensitäten der D₀- und D₃-Komponenten der Pumpstrahlung. N is the total density of the metastable state; N _{0 is} the density of the state 2 ³ S ₁ , m = 0; A and B are the intensities of the D ₀ and D ₃ components of the pump radiation.

Die Besetzung N₀ wird durch das Pumpen mit Resonanzstrahlung modifiziert. Infolgedessen enthält die gestreute Resonanzstrahlung eine Information über die Ausrichtung des 5-Zustandes der Helium-Atome. Das Ausgangssignal der Resonanzstrahlung wird in der üblichen Weise definiert als die Intensitätsänderung der gestreuten Resonanzstrahlung, wenn die metastabilen Atome durch die Pumpresonanzstrahlung ausgerichtet werden. Die Intensitätsänderungen der π- und σ-Komponenten der Streustrahlung bei 90°, bezogen auf das umgebende Magnetfeld, lassen sich dann definieren alsThe population N ₀ is modified by pumping with resonance radiation. As a result, the scattered resonance radiation contains information about the alignment of the 5-state of the helium atoms. The output signal of the resonance radiation is defined in the usual way as the change in intensity of the scattered resonance radiation when the metastable atoms are aligned by the pump resonance radiation. The changes in intensity of the π and σ components of the scattered radiation at 90 °, based on the surrounding magnetic field, can then be defined as

ΔΙ_Μ=^ι/₃(Ν₀-»/₃)(16Β-2Α) (4) AI_e=^l/₃(N₀-»/₃)(2A+5B) ΔΙ _Μ = ^ι / ₃ (Ν ₀ - »/ ₃ ) (16Β-2Α) (4) AI _e = ^l / ₃ (N ₀ -» / ₃ ) (2A + 5B) (5)(5)

In obigen Gleichungen entsprechen die Symbole den zuvor definierten Symbolen.In the above equations, the symbols correspond to the symbols previously defined.

Durch Vergleich der Intensitätsänderungen der gestreuten Resonanzstrahlung gemäß Gleichungen (4)By comparing the changes in intensity of the scattered resonance radiation according to equations (4) und (5) mit der Intensitätsänderung der hindurchtretenden Resonanzstrahlung gemäß Gleichung (1) ergibt sich, daß die Ausdrücke A und B in den Gleichungen für die gestreute Resonanzstrahlung keiner gegenseitigen Aufhebung unterliegen, wie dies für dieand (5) with the change in intensity of the resonance radiation passing through according to equation (1) it follows that the expressions A and B in the equations for the scattered resonance radiation are not subject to mutual cancellation, as is the case for the Gleichung (1) zutrifft. Infolgedessen kann die gemessene Intensitätsänderung der gestreuten Resonanzstrahlung bis zu mehrere hundertmal größer sein als die Intensitätsänderung der durchtretenden Reso-Equation (1) holds. As a result, the measured change in intensity of the scattered resonance radiation can be up to several hundred times greater than the change in intensity of the penetrating reso-

nanzstrahlung, wie sie bisher in He⁴-Magnetometern ausgenutzt wurde.nance radiation, as it was previously used in He ⁴ magnetometers.

Da erfindungsgemäß keine Intensitätsänderungen bei intensivem Licht, das aus der die Resonanzstrahlung liefernden Pumpquelle stammt, erfolgen muß, vermittelt die Erfindung ein Ausgangssignal, welches ein erheblich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis besitzt. Weiterhin können im Zusammenhang mit der Erfindung sehr empfindliche Meßschaltungen benutzt werden, beispielsweise Lawinen-Photodioden (avalanche photodiodes), weiche bisher auf Grund ihrer Sättigung bei hohen Strahlungsintensitäten nicht verwendbar waren.Since, according to the invention, no changes in intensity have to take place in the case of intense light that originates from the pump source delivering the resonance radiation, the invention provides an output signal which has a significantly improved signal-to-noise ratio owns. Furthermore, very sensitive measuring circuits can be used in connection with the invention are, for example avalanche photodiodes (avalanche photodiodes), soft due to their Saturation at high radiation intensities were not usable.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt eine mit He³- oder He⁴-Gas gefüllte Lampe 10 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 Heliumzelle 22, welche ebenfalls reines He"-Gas enthält. Die He⁴-Zelle wird über Elektroden 24 und 26 von einem Gleichstromgenerator 28 betrieben, um die Heliumatome in an sich bekannter Weise vom Grundzustand in den metastabilen 2³S,-Zustand zu überführen.The device shown in FIG. 1 for carrying out the method ^{according to the invention comprises a lamp 10 filled with He 3} or He ⁴ gas with electrodes 12 and 14 which are connected to a radio or high frequency generator 16. The helium lamp 10 serves as a source for unpolarized resonance radiation, which is generally emitted in the direction of the axis 18. The axis 18 is collinear with the direction of the surrounding magnetic field indicated by the arrow 20. The lamp 10 directly irradiates a helium cell 22, which also contains pure He "gas. The He ⁴ cell is operated via electrodes 24 and 26 by a direct current generator 28 in order to convert the helium atoms from the ground state to the metastable 2 ^{3 in a manner known per se} S, state to be converted.

Eine Helmholtz-Spule 30, die aus einem 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-Oszilloskop lassen sich Signale darstellen, wobei eine der Modulationsspannung proportionale Spannung an die horizontalen Ablenkplatten des Oszilioskops angelegt wird. Um die He⁴-Zelle 22 herum ist eine Radio- oder Hochfrequenzspule 34 angeordnet, die mit dem Hochfrequenzgenerator 36 verbunden ist. Die Spule 34 dient dazu, den ausgerichteten metastabilen Atomen in der He⁴-Zelle 22 ein variables 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.A Helmholtz coil 30, which is fed from an alternating current generator 32, is arranged in the resonance radiation field in order to slightly modulate the magnetic field to be measured. By means of appropriate connections to a display oscilloscope, which will be described later, signals can be displayed, with a voltage proportional to the modulation voltage being applied to the horizontal deflection plates of the oscilioscope. A radio or high-frequency coil 34, which is connected to the high-frequency generator 36, is arranged around the He ^{4 cell 22.} The coil 34 serves to impress a variable high-frequency magnetic field on the aligned metastable atoms in the He ^{4 cell 22.} The coil 34 is intended to be arranged to provide a magnetic field having components which are perpendicular to the axis of the surrounding magnetic field to be measured so that magnetic field lines exist which act to change the orientation of the metastable helium atoms.

Erfindungsgemäß wird lediglich die aus der He⁴-ZeIIe austretende, gestreute Resonanzstrahlung gemessen, um die Veränderung in der Ausrichtung der Helium-Atome zu bestimmen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 erfolgt die Messung der Streustrahlung mit Hilfe eines Infrarot-Detektors 38, der in einem bestimmten Winkel zur Strahlungsrichtung 18 und zur Richtung des Magnetfeldes 20 angeordnet ist. Bei dsr dargestellten Ausführungsform beträgt dieser Winkel z.B. etwa 90°. Es wurde gefunden, daß bei diesem Winkel ein maximales Ausgangssignal entsteht. Es können jedoch auch andere Winkel zwischen dem Detektor 38 und der Richtung des Magnetfeldes 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 unabsoi-bierte, direkt durch die He⁴-Zelle 22 hindurchtretende Resonanzstrahlen empfängt.According to the invention, only the ^{scattered resonance radiation emerging from the He 4} cell is measured in order to determine the change in the orientation of the helium atoms. In the embodiment according to FIG. 1, the scattered radiation is measured with the aid of an infrared detector 38 which is arranged at a certain angle to the direction of radiation 18 and to the direction of the magnetic field 20. In the embodiment shown, this angle is approximately 90 °, for example. It has been found that a maximum output signal is produced at this angle. However, other angles between the detector 38 and the direction of the magnetic field 20 can also be used, with output signals being received with a lower intensity. The only requirement to be observed, however, is that the detector 38 is not arranged in such a position that it receives unabso-bated resonance rays passing directly through the He ⁴ cell 22.

Die gestreute Resonanzstrahlung aus der He⁴-Zelle 22 umfaßt in an sich bekannter Weise π- und σ-Komponentcn. Wie sich aus den obigen Gleichungen (4) und (5) ergibt, unterscheiden sich die relativen Grö-The scattered resonance radiation from the He ⁴ cell 22 comprises π and σ components in a manner known per se. As can be seen from the above equations (4) and (5), the relative sizes differ

S Ben und Polaritäten dieser beiden Komponenten voneinander, wobei die Größe der »-Komponente im allgemeinen das Doppelte der Größe der tr-Komponente bei einem Winkel von 90° bezogen auf'die Richtung des Magnetfeldes 20 ist. Aus diesem GrundeS ben and polarities of these two components from one another, the size of the »component generally being twice the size of the tr component at an angle of 90 ° related to'die Direction of the magnetic field 20 is. For this reason

wird ein linearer Analysator 40 zwischen der He⁴-ZeIIe 22 und dem Detektor 311 angeordnet» um eine selektive Unterscheidung zwischen den beiden Komponenten der gestreuten Resonanzstrahlung oder zwischen bestimmten Kombinationen dieser Kompo-a linear analyzer 40 is arranged between the He ⁴ cell 22 and the detector 311 in order to selectively differentiate between the two components of the scattered resonance radiation or between certain combinations of these components.

¹S nenten 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 ¹ S nenten to enable. The linear analyzer 40 polarizes infrared light as a function of its angular position. A linear analyzer which can be used for the purposes of the invention is available from Polaroid Corporation under the type designation »HR

^ao Linear Polarizer« erhältlich. ^ao Linear Polarizer «available.

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 Anzeige-The output signal generated by the infrared detector 38, which is responsible for the change in intensity of the scattered resonance radiation is representative, is amplified in an amplifier 42 and in a display

vorrichtung 44 eingespeist. Die Anzeigevorrichtung 44 kann beispielsweise ein Oszilloskop sein, dessen horizontale Ablenkplatten durch den Wechselstrom-Generator 32 moduliert sind.device 44 fed. The display device 44 can be, for example, an oscilloscope, the horizontal baffles of which are modulated by the alternating current generator 32.

Die it. Fig. 1 dargestellte Ausführungsform kannThe it. Fig. 1 illustrated embodiment can

auch in einem umgebenden Magnetfeld 20 angewandt werden, dessen Richtung senkrecht zu der durch den Pfeil in Fig. 1 angegebenen Feldrichtung verläuft. In einem solchen Magnetfeld bleibt die in Fig. 1 dargestellte Anordnung im wesentlichen unverändert mitcan also be applied in a surrounding magnetic field 20, the direction of which is perpendicular to that through the Arrow in Fig. 1 indicated field direction runs. In such a magnetic field, the arrangement shown in FIG. 1 remains essentially unchanged

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 Ausgangssignal, wie es durch die vorliegende Anordnung gemäß der Erfindung vermitteltexcept that the linear analyzer 40 is in a position between the lamp 10 and the cell 22 is moved. Since the output signal related to the resonance radiation, as mediated by the present arrangement according to the invention

wird, etwas von der Richtung des umgebenden Magnetfelds abhängt, können bei praktischer Anwendung drei identische Systeme in Richtung orthogonaler Achsen angeordnet werden, um zu allen Zeiten wenigstens eine genaue Anzeige der GföSe des Ms-depends somewhat on the direction of the surrounding magnetic field, in practical application three identical systems can be arranged in the direction of orthogonal axes to at all times at least an exact indication of the GföSe of the Ms-

gnetfeldes zu erhalten.to get the gnetfeldes.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausfühningsform der Erfindung, bei der entgegengesetzte Polaritäten der π- und cr-Komponenten der gestreuten Resonanzstrahlung in vorteilhafter Weise dazu benutzt werden, umFig. 2 shows a further embodiment of the invention, in which opposite polarities of the π and cr components of the scattered resonance radiation are used in an advantageous manner to

störende Rauschintensitäten im Ausgangssignal der Resonanzstrahlung zu beseitigen, in Fig. 2 bezeichnen gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile wie in Fig. 1. Die He⁴-Lampe 10 wird von dem Radio-Frequenzgenerator 16 erregt und emittiert in Rich-to eliminate disturbing noise intensities in the output signal of the resonance radiation, in Fig. 2 the same reference ^{numerals denote corresponding parts as in Fig. 1. The He 4} lamp 10 is excited by the radio frequency generator 16 and emitted in the direction of

tung der Achse 18 unpolarisierte Resonanzstrahlung auf die He⁴-Zelle 22.direction of the axis 18 unpolarized resonance radiation on the He ⁴ cell 22.

Die He⁴-Atome in der Zelle 22 werden vom Gleichstromgenerator 28 erregt und in den metastabilen 2 S_rZustand überführt sowie in diesem ZustandThe He ⁴ atoms in the cell 22 are excited by the direct current generator 28 and transferred to the metastable 2 S _r state and in this state

durch die Strahlung der Lampe 10 ausgerichtet. Deraligned by the radiation of the lamp 10. the

Radiofrequenzgenerator 36 erzeugt ein magnetischesRadio frequency generator 36 generates a magnetic Wechselfeld, um die Ausrichtung der metastabilenAlternating field to align the metastable Atome in der zuvor beschriebenen Weise zu stören.To perturb atoms in the manner previously described. Die aus der He⁴-Lampe 10 austretende Resonanz-The resonance emerging from the He ^{4 lamp 10}

strahlung 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 Detektor 48 ent-Radiation is absorbed by the metastable helium in cell 22 and re-emitted as scattered resonance radiation. One at an angle of 90 ° detector 48 set up in relation to the direction of irradiation

hält einen linearen Analysator und ist somit lediglich fiir die π-Komponente der gestreuten Resonanzstrahlung 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 π-Komponente ein Signal von positiver Polarität.holds a linear analyzer and is therefore only for the π component of the scattered resonance radiation sensitive. The detector 48 generates an output signal which is one input Differential amplifier 50 is fed. How out can be derived from equation (4), a change in intensity of the π component means a signal of more positive Polarity.

In einem Winkel von 90° zur Strahlungsrichtung ist ein weiterer Detektor 51 angeordnet, welcher in der Weise einen linearen Analysator enthält, daß Iediglich die σ-Komponente der aus der Zelle 22 stammenden, gestreuten Resonanzstrahlung gemessen wird. Wie sich aus der Gleichung (5) ableiten läßt, liefert eine Intensitätsänderung der σ-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 n- und σ-Komponenten addieren und ein Ausgangssignal liefern, das für die Ausrichtung der metastabilen Helium-Atome in der Zelle 22 charakteristisch ist.A further detector 51 is arranged at an angle of 90 ° to the direction of radiation, which contains a linear analyzer in such a way that only the σ component of the scattered resonance radiation originating from the cell 22 is measured. As can be derived from equation (5), a change in the intensity of the σ component supplies a signal of negative polarity, which is fed into a second input of the differential amplifier 50. The noise present in the signals from detectors 48 and 51 is essentially canceled by the operation of differential amplifier 50, while the n and σ components add to provide an output signal useful for aligning the metastable helium atoms in the cell 22 is characteristic.

Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 50 wird an einer geeigneten Vorrichtung 52 angezeigt, beispielsweise einem Oszilloskop, das in an sich bekannter Weise durch Helmholtz-Spulen, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurden, moduliert ist. Die Anzeige ermöglicht die Bestimmung der Größe des umgebenden Magnetfeldes in an sich bekannter Weise. Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung stellt ein sehr kompaktes Magnetometer dar, das ohne Kollimator-Linsen und Einhaltung bestimmter Brennweiten hergestellt werden kann.The output signal of the differential amplifier 50 is displayed on a suitable device 52, for example an oscilloscope, which in a known manner by Helmholtz coils, as they are in the Connection with Fig. 1 were described, is modulated. The display enables the determination the size of the surrounding magnetic field in a manner known per se. The arrangement shown in FIG represents a very compact magnetometer that does not require collimator lenses and adheres to certain Focal lengths can be produced.

F i g. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erf indung, bei welcher der Infrarot-Detektor bezüglich der Richtung der Resonanzstrahlen nicht in einem von Null verschiedenen Winkel angeordnet zu werden braucht, und zwar auf Grund der Tatsache, daß die unabsorbierte, durch die He⁴-Zelle hindurchtretende Resonanzstrahlung durch geeignete Einrichtungen vom Detektor ferngehalten wird. In F ig. 3 bezeichnen wieder gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile wie in den Fig. 1 und 2. Zwischen der He⁴-Lampe 10 und der He⁴-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 Strahlungskomponenten in einer Ebene senkrecht zur Polarisationsebene des Filters 54 ausfiltert.
Auf diese Weise wird erreicht, daß praktisch keine direkte Resonanzstrahlung aus der Lampe 10 auf den Detektor 38 auftrifft. Wenn jedoch die H⁴-Zelle 22 einen Teil der Resonanzstrahlung absorbiert und Resonanzstreustrahlen abstrahlt, welche nicht in einer Ebene polarisiert ist, können entsprechende Komponenten dieser Streustrahlung durch das Filter 56 hindurch zum Detektor 38 gelangen.F i g. 3 shows a third embodiment of the invention in which the infrared detector need not be arranged at an angle other than zero with respect to the direction of the resonance rays, due to the fact that the unabsorbed, passing through the He ⁴ cell Resonance radiation is kept away from the detector by suitable devices. In Fig. 3 again denote the same reference ^{symbols as in FIGS. 1 and 2. A polarization filter 54 is arranged between the He 4} lamp 10 and the He ⁴ cell 22 in order to filter out all components of the irradiated resonance radiation in one plane of polarization. A second filter 56 is arranged between the cell 22 and the detector 38 and has a polarization direction such that it filters out all radiation components in a plane perpendicular to the polarization plane of the filter 54.
In this way it is achieved that practically no direct resonance radiation from the lamp 10 impinges on the detector 38. However, if the H ⁴ cell 22 absorbs part of the resonance radiation and emits scattered resonance rays which are not polarized in a plane, corresponding components of this scattered radiation can pass through the filter 56 to the detector 38.

Der Infrarot-Detektor 38 spricht infolgedessen in Übereinstimmung mit dem Erfindungsgedanken praktisch nur auf gestreute Resonanzstrahlen an undThe infrared detector 38 thus speaks in accordance with the spirit of the invention practically only on scattered resonance rays and

¹S vermittelt auf diese Weise ein Ausgangssignal, das mehr als hundertmal intensiver als ein Ausgangssignal ist, welches aus einer direkten Messung der unabsorbierten Resonanzstrahlung abgeleitet ist. Es versteht sich, daß auch andere Methoden und Mittel zur Ver- ^In this way, 1 S conveys an output signal that is more than a hundred times more intense than an output signal that is derived from a direct measurement of the unabsorbed resonance radiation. It goes without saying that other methods and means of

»> fügung stehen, um die unabsorbierte Resonanzstrahlung vom Detektor 38 fernzuhalten. Beispielsweise kann dies durch Modulation der aus der Lampe 10 stammenden Strahlung mit einer festen Frequenz und anschließende Ausfilterung dieser Frequenz vor der»> Do well to the unabsorbed resonance radiation keep away from detector 38. For example, this can be done by modulating the output from the lamp 10 originating radiation with a fixed frequency and subsequent filtering of this frequency before the

»5 Messung erfolgen.»5 measurement take place.

Aus dem Voranstehenden ergibt sich, daß die Erfindung ein Verfahren und Vorrichtungen vermittelt, mit deren Hilf e Meßsignale von extrem hoher Intensitat erzielt werden können. Die erfindungsgemäß er-From the foregoing it follows that the invention provides a method and devices with the aid of which measurement signals of extremely high intensity can be achieved. The inventively

3» zielbaren Intensitäten und Empfindlichkeiten sind mit denjenigen vergleichbar, die mit Magnetometern unter Verwendung zirkulär polarisierter Pumpquellen erreicht werden, ohne daß jedoch bei der Erfindung der diesen Magnetometern anhaftende Nachteil einer Energieverschiebung in Kauf genommen werden muß. Da erfindungsgemäß verhältnismäßig kleine, aus der He⁴-Zellc stammende Streuamplituden ausgewertet werden, und nicht wie bisher die durch diese Zelle hindurchtretende Resonanzstrahlung, läßt sich erfindungsgemäß ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis erzielen.Targeted intensities and sensitivities are comparable to those that can be achieved with magnetometers using circularly polarized pump sources, without, however, having to accept the disadvantage of an energy shift that is inherent in these magnetometers. Since, according to the invention, relatively small ^{scatter amplitudes originating from the He 4} cell are evaluated, and not, as previously, the resonance radiation passing through this cell, a higher signal-to-noise ratio can be achieved according to the invention.

Weiterhin können im Zusammenhang mit der Erfindung hochempfindliche Detektoren, beispielsweise Lawinen-Photodioden verwendet werden, deren An-Wendung in Magnetometern mit extrem hohen Licht-Intensitäten bisher nicht möglich war. Schließlich können bei der erfindungsgemäßen Anordnung komplizierte und sperrige Kollimatorlinsen, welche bisher für die Fokussierung der Resonanzstrahlung erforderlich waren, in Fortfall gelangen.Furthermore, in connection with the invention highly sensitive detectors, for example avalanche photodiodes, are used, their application was previously not possible in magnetometers with extremely high light intensities. Finally you can in the arrangement according to the invention complicated and bulky collimator lenses, which so far for the focusing of the resonance radiation were required, get in failure.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

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Claims

P₁ P ₁

I 7 73 539

zelle mit unpolarisierter Resonanzstrahlung zu be- *.'cell to be loaded with unpolarized resonance radiation. '

Patentansprüche; ^ strahlen, um eine Ausrichtung der Atome im mctasta- 'ψ-, Claims; ^ radiate to align the atoms in mctasta- 'ψ-,

_ri! IWIiWiWIi'"ν» bilen Zustand zu veranlassen. Eine solche Ausrief)- ΐ _ri! IWIiWiWIi '"ν» bilen state. Such an exclamation) - ΐ

ί&ΐ^ ". !,Vorrichtung zur Messung von Magnetfeldern iung der metastabilen Atome wird durch Anlegen ^? ^v .: ?lm»tiels metastabil angeregter He<-Atome, welche 5 eines variierenden Hoch- oder Radiofrequenz-Ma- , .; W"■§-■ Äililurch Bestrahlung mit unpolarisierter Resonanz- gnetfeldes verändert, und der Grad der dadurch her- . , % 'ι*¹- *: ^strahlung ausgerichtet und zum Zwecke der An- vorgerufenen Veränderung der Ausrichtung wird als .' WiM^\ jjivfdening der Ausrichtung durch ein magnetisches eine Funktion der Frequenzänderung des hochfre-I:Wfi$ ^;ipWechselfeld beeinflußt werden, dadurch ge- quenten Magnetfeldes gemessen, ^ .! ί & ΐ ^ "device for measuring magnetic fields iung the metastable atoms by applying ^ ^ v: lm" tiels metastable excited He <-atoms containing 5 of a varying high or radio frequency mA, W?.?. "■ §- ■ Aili changed by irradiation with unpolarized resonance magnetic field, and the degree of the resulting. , % 'ι * ¹ - *: ^ radiation aligned and for the purpose of changing the alignment is called.' WiM ^ \ jjivfdening the alignment by a magnetic a function of the frequency change of the high fre-I : Wfi $ ^; ip alternating field can be influenced, measured by the consequent magnetic field, ^

i'■'■■4 '^kennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, « Die Messung der Veränderung in der Ausrichtung Γ -. |<fo MÄfciurch die das von der Ausrichtung der He⁴-Atome der metastabilen Helium-Atome erfolgte bisher durclj I*■ v. Äii '•«abhängige Meßsignal von der an den Atomen ge- Messung der unabsorbierten, durch die Heliumquellei '■' ■■ 4 '^ indicates that means are provided, «The measurement of the change in alignment Γ -. | <fo MÄfciby the fact that the alignment of the He ⁴ atoms of the metastable helium atoms has hitherto been carried out by I * ■ v. Äii '• «dependent measurement signal from the measurement of the unabsorbed by the helium source

I $f$f ■' -^streuten Resonanzstrahlung abgeleitet wird. hindurchtretenden Resonanzstrahlung, Eine ausführ-W^fW^ 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer liehe Beschreibung von Magnetometern mit Messung ψ *■■&$·■ '".«Quelle für die Resonanzstrahlung, einer von der »5 der unabsorbierten Resonanzstrahlung findet sich in $>'■%''% ,^Quelle bestrahlten He*-Zclle und einem Genera- den USA.-Patentschriften 3071721 und 3122702. %\φ'-.hl\0$l$pr für das magnetische Wechselfeld, dadurch ge- Obwohl die bekannten Anordnungen Resonanzsi- !'''^■■^^.^■kennzeichnet, daß zur Erzeugung des Meßsignals gnale liefern, die ein Maß für die Veränderung der p f:>* * |?!f§ler Zelle (22) ein Detektor (38) zugeordnet ist, Ausrichtung im metastabilen Zustand sind, sind dieseI $ f $ f ■ ' - ^ scattered resonance radiation is derived. resonance radiation passing through, an execution W ^ fW ^ 2. Device according to claim 1, with a borrowed description of magnetometers with measurement ψ * ■■ & $ · ■ '".« Source for the resonance radiation, one of the »5 of the unabsorbed resonance radiation can be found in $>'■%''% , ^ source of irradiated He * -Zclle and a genera- the USA patents 3071721 and 3122702. % \ φ' -. hl \ 0 $ l $ pr for the magnetic alternating field, Although the known arrangements resonance si-! '''^ ■■ ^^. ^ ■ indicates that signals are supplied for generating the measurement signal which are a measure of the change in the pf:> * * |?! for each cell (22) a detector (38) is assigned, alignment are in the metastable state, these are

II '· '""der lediglich die von der Zelle (22) gestreute Re- ^a° Signale doch im allgemeinen verhältnismäßig schwach fr r sonanzstrahlung empfängt. und ergeben insbesondere im Fall der Helium-Mall 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- gnetometer eine breite Resonanzlinie in der Größen- |t durch gekennzeichnet, daß der Detektor (38) zur Ordnung von etwa 1 Milligauß, so daß die Brauchbar-H Richtung (18) der von der Quelle (10) einge- keit dieser Anordnung dort, wo eine hohe Genauig- |§ strahlten Resonanzstrahlung in einem von 0 ver- ^a5 keit gefordert wird, beschränkt ist. Weiterhin Ii schiedenen Winkel angeordnet ist. erforderte bisher die direkte Messung der mit hoher i- 4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, da- Intensität an den ausgerichteten Helium-Atomen p 7 durch gekennzeichnet, daß der Detektor (38) zui vorbei passierenden Strahlung häufig ein komplizier- |V Richtung (18) in einem Winkel von 90° angeord- tes und sperriges Kollimatorsystem und ließ die An-I net ist. 30 wendung empfindlicher Meßgeräte, die bei hohen ψ 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis Strahlungsintensitäten zur Sättigung neigen, nicht zu. I 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Detektor Es ist ferner bekannt, das Streulicht zu messen, das I (38) ein Filter (40) zugeordnet ist, das die direkt aus einem optisch orientierten Gas stammt, um auf I durch die Zelle (22) hindurchtretende Resonanz- diese Weise die magnetische Resonanz des Gases zu I strahlung abhält. 35 bestimmen. Eine diesbezügliche Anordnung wird von ρ 6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden J. Brossel und F. Bitter in PHYSICAL REVIEW I Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur se- 86,308 (1952) beschrieben. Eine Messung des Streu-I lektiven Aussonderung zweier Komponenten der lichte wurde jedoch bisher noch nicht in Verbindung I gestreuten Resonanzstrahlung mit entgegenge- mit einer Einstrahlung von unpolarisiertem Licht auf f, , setzter Polarität wenigstens ein Polarisationsfilter 40 metastabile HeVAtome benutzt. Ferner lieferten sol-I (40) vorgesehen ist, und daß in einer Differenz- ehe Messungen bisher auch noch keine Resonanzsi-I schaltung (50) aus diesen Komponenten ein gnale mit Intensitäten, die von denjenigen Intensitä-I rauschfreies Meßsignai gewonnen wird. ten wesentlich verschieden waren, wie sie bei der I , 7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Messung der direkt durch eine Zelle hindurchtreten-I Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwi- 45 den Resonanzstrahlung zu beobachten sind.II '·'"" which only ^{receives the re a} ° signals scattered by the cell (22) but generally relatively weakly for r sonance radiation. and result in particular in the case of the Helium Mall 3. The device according to claim 1 or 2, da- gnetometer a broad resonance line in the size | t characterized in that the detector (38) to the order of about 1 milligauss, so that the usable -H direction (18) of the einge- from the source (10) ness this arrangement, where a high accuracy | § is irradiated resonance radiation is required in a comparable of 0 ^a 5 ness limited. Furthermore Ii is arranged at different angles. previously required the direct measurement of the high i- 4. Device according to claim 1, 2 or 3, da- intensity on the aligned helium atoms p 7 characterized in that the detector (38) toi passing radiation often a complicating | V direction (18) at an angle of 90 ° and bulky collimator system and let the an-I net is. 30 application of sensitive measuring devices that tend to saturate at high ψ 5. Device according to one of claims 1 to radiation intensities, not to. I 4, characterized in that the detector It is also known to measure the scattered light, the I (38) is assigned a filter (40) which comes directly from an optically oriented gas in order to detect I through the cell (22 ) Passing through resonance - this way the magnetic resonance of the gas prevents radiation from occurring. 35 determine. A related arrangement is described by ρ 6. Device according to one of the preceding J. Brossel and F. Bitter in PHYSICAL REVIEW I claims, characterized in that for se- 86,308 (1952). A measurement of the diffusion-I-selective separation of two components of the clearance was, however, a polarizing filter used has not yet been scattered in compound I with counteracted resonance radiation with an irradiation of non-polarized light at f, modifying the polarity of at least 40 metastable HeVAtome. Further, traditional sol-I is provided (40), and that in a differential before measurements hitherto also no Resonanzsi- I circuit (50) of these components a gnale with intensities obtained from those intensity with-I noise-free Meßsignai. th were essentially different, as they were in the I, 7. device according to one of the preceding measurements of the pass directly through a cell-I claims, characterized in that between 45 the resonance radiation can be observed.

I sehen der Quelle (10) und der Zelle (22) ein erster Um die Nachteile der Anwendung unpolarisierterI see the source (10) and the cell (22) a first To the disadvantages of using unpolarized

I Polarisationsfilter (54) und zwischen der Zelle Resonanzstrahlung in Helium-Magnetometern zuI polarization filter (54) and between the cell resonance radiation in helium magnetometers

I (22) und dem Detektor (38) ein zweiter, zum er- eleüninieren, wurden Anordnungen entwickelt, beiI (22) and the detector (38) a second one, to eleuninate, arrangements have been developed at

I sten gekreuzter Polarisationsfilter (56) angeord- denen eine zirkulär polarisierte ResonanzstrahlungA circularly polarized resonance radiation is arranged in the first crossed polarization filter (56)

I ^net ^lst- I ^net ^lst - so zur Anwendung gelangt. Diese Anordnungen Hefern so applied. These arrangements yeast

1 beträchtlich stärkere Ausgangssignale als die auf un-1 considerably stronger output signals than those on un-