DE19515173C2 - Verfahren und Vorrichtungen zur Signalgewinnung von schmalbandigen optisch gepumpten Magnetometern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Signalgewinnung von optisch gepumpten Magnetometern nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3 und Vorrichtungen zur Durchführung der Verfahren.

Optisch gepumpte Magnetometer sind seit Anfang der 60-er Jahre bekannt und seitdem in steigendem Umfang als Meßein­ richtungen für magnetische Felder eingesetzt worden. Mit diesen Magnetometern kann z. B. das Erdmagnetfeld mit außer­ ordentlich hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die theore­ tischen Grundlagen und die Arbeitsweise optisch gepumpter Magnetometer sind an sich bekannt. Das Grundprinzip ist stets, daß ein Lichtstrahl definierter Polarisation und Richtung ein Medium, üblicherweise Cäsium, aber auch Kalium, Helium oder Rubidium, durchquert und daß dabei eine Aus­ gangsfrequenz erzeugt wird, die der Größe des lokalen Magnetfeldes entspricht.

Im Stand der Technik sind in den vergangenen Jahrzehnten verschiedene Arten von optisch gepumpten Magnetometern ent­ wickelt worden. Die einfachste Ausführungsform ist ein selbstschwingendes Cs-Magnetometer, in dem ein auf eine Resonanzlinie des Cäsiums abgestimmter Lichtstrahl die mit Cäsium gefüllte Absorptionszelle durchquert und auf eine Photozelle fällt. Das Ausgangssignal der Photozelle wird verstärkt, um 90° phasenverschoben und einer um die Absorptionszelle angeordneten Spule zugeführt. Im einge­ schwungenen Zustand erzeugt ein derartiges selbstoszille­ rendes Magnetometer eine dem umgebenden Magnetfeld propor­ tionale Frequenz

Dieser Magnetometertyp besitzt jedoch einen systematischen Fehler und eine verhältnismäßig breite Resonanzlinie, so daß die erzeugte Frequenz nicht exakt dem tatsächlichen Feldwert entspricht.

Aus diesem Grund wurden sogenannte Tandem-Magnetometer (s. Fig. 1) entwickelt, bei denen ein selbstoszillierendes Magnetometer mit einem weiteren, schmalbandigen, optischen Magnetometer gekoppelt ist. Ein solches Tandem-Magnetometer ist beispielsweise der Veröffentlichung von J.H. Allen et al in J. Geomagn. Geoelectr. 24, S. 105-125 (1972) zu ent­ nehmen. Dieses Magnetometer erzeugt jedoch ein magnetisches Störfeld und beide Sensoren müssen entfernt voneinander angeordnet werden, was von großem Nachteil ist. Verwendet man dagegen eine Anordnung mit einem konventionellen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) wie zum Beispiel in der Publikation von E.B. Alexandrov et al. in OPTICAL ENGINEERING, April 1992, Vol. 31, No. 4 demonstriert, so führt das zu einem eingeschränkten dynamischen Verhalten und zu Problemen bei schnellen magnetischen Feldänderungen.

Es ist somit ausgehend von diesem Stand der Technik Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen zur Signalge­ winnung von optisch gepumpten Magnetometern anzugeben, die mit einer gleichzeitig kompakten und störungssicheren Magnetometer-Anordnung mit verringertem elektronischem Aufwand betrieben werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 3, 5 oder 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung besteht im Prinzip darin, ein breitbandiges, selbstschwingendes Magnetometer als spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) zu verwenden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird der breitbandige selbstschwingende Teil eines Tandem-Magnetometers so umgestaltet, daß dieser Teil wie ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) arbeitet. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird anstelle eines konventionellen VCO in der Anordnung nach Alexandrov et al. ein breitbandiges, selbstschwingendes Magnetometer einge­ setzt, das wie ein VCO arbeitet. Die Erfindung ermöglicht den Aufbau eines kompakten, störungsfreien Sensors.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Tandem-Magnetometer nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Tandem-Magnetometer nach dem Stand der Technik dargestellt, bei dem ein selbstschwingendes Cs-Magnetometer 10 mit einer schmalbandigen K-Absorptionszelle 20 gekoppelt ist. Mit der Gesamtanordnung soll die Stärke des umgebenden Magnetfeldes F gemessen werden. Im Prinzip wird die Ausgangsfrequenz des selbstoszillierenden Magneto­ meters entsprechend dem gyromagnetischen Verhältnis der verwendeten Resonanz (für Rb, K = 2, für He = 8) verviel­ facht und der Hochfrequenzspule des schmalbandigen Magneto­ meters zugeführt. In der Absorptionszelle wird mit Hilfe einer niederfrequenten Modulation die schmale Resonanzlinie derart abgetastet, daß ein Phasensignal erzeugt wird, dessen Stärke ein Maß für die Abweichung von der Resonanz ist. Dieses Verfahren wird in der bereits genannten Publi­ kation von Allen et al. beschrieben. Das zu messende Magnet­ feld wird dabei niederfrequent (hier 5 Hz) moduliert, indem eine Helmholtzspule, deren Achse parallel zur Magnetfeld­ richtung justiert wurde, von einem Niederfrequenzgenerator gespeist wird (21 in Fig. 1), Die Resonanzfrequenz wird mit Hilfe einer zum Magnetfeld senkrecht stehenden Spule der Absorptionszelle zugeführt. Je nachdem, ob die eingespeiste Resonanzfrequenz etwas über oder unter der tatsächlichen Resonanzfrequenz f₀ liegt, erscheint hinter dem Verstärker (22 in Fig. 1) eine 5 Hz-Frequenz in Phase mit der Modulationsfrequenz oder entgegengesetzt (siehe Fig. 4 von Allen und Bender). Über den phasenempfindlichen Gleich­ richter 23 wird durch Phasenvergleich eine elektrische Größe erzeugt, die dazu benutzt wird, die eingestreute Frequenz auf die Resonanzfrequenz f₀ zu halten. Im Falle der Fig. 1 wird die Helmholtzspule 12 von einem Strom durchflossen, der so groß ist, daß die doppelte Cs-Frequenz z. B. der Resonanz der K-Frequenz entspricht (= f₀). Das Störmagnetfeld wird von dieser Spule 12 erzeugt. In der Nähe dieser Spule kann man dann keine exakte Messung im Zehntel- oder Hundertstel-nT- Bereich mehr durchführen. Im einzelnen ist der Sensor 11 des selbstschwingenden Magnetometers mit seiner Achsenrichtung in 45°-Stellung zu der Richtung des äußeren Feldes ange­ ordnet. Der Sensor befindet sich inmitten eines Helmholtz- Spulenpaares 12, mit dem das Magnetfeld und somit die Aus­ gangsfrequenz des selbstschwingenden Magnetometers variiert werden kann. Das Ausgangssignal der Photozelle des Sensors 11 wird in der üblichen Weise in einem Verstärker 13 ver­ stärkt, um 90° phasenverschoben und der Hochfrequenzspule des Sensors zugeführt. Die Ausgangsfrequenz des selbst­ schwingenden Magnetometers wird zusätzlich in einem Frequenz­ vervielfacher 14 verdoppelt und der Hochfrequenzspule der K-Absorptionszelle 20 zugeführt. In einem zweiten Spulenpaar, parallel zur Richtung des zu messenden Feldes, wird mit Hilfe des Modulationsfrequenzgenerators 21 eine Modulation erzeugt und damit das Schmalbandsignal abgetastet. Das Ausgangssignal des Modulationsfrequenzgenerators 21 und das im Verstärker 22 verstärkte Ausgangssignal der Photozelle der K-Absorptionszelle werden einem Phasenkomparator oder phasenempfindlichen Gleichrichter 23 zugeführt. Je nach Abweichung der Ausgangsfrequenz des selbstschwingenden Magnetometers von der schmalen Resonanzlinie erzeugt der Phasenkomparator ein positives oder negatives Signal und veranlaßt somit eine Stromerhöhung oder -erniedrigung des dem Helmholtz-Spulenpaar 12 zugeführten Stromes. Zwischen den Phasenkomparator 23 und dem Helmholtz-Spulenpaar 12 kann noch ein Tiefpaß, ein Integrator oder ein Korrekturglied 24 geschaltet werden. Durch die Änderung des Gesamtmagnetfeldes am Ort des Sensors 11 wird die Ausgangsfrequenz des selbst­ schwingenden Magnetometers erneut auf die schmale Resonanz­ linie abgestimmt.

Da die Helmholtzspule 12 ein magnetisches Störfeld erzeugt, müssen beide Sensoren weit voneinander positioniert werden.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer Magnetometer-Anord­ nung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar­ gestellt. Diese Anordnung erlaubt die Zusammenfassung der Cs- und K-Magnetometersensoren 31 und 32 in einem kompakten Meßkopf 30. Die Absorptionszelle des K-Magnetometersensors weist vorzugsweise eine sehr schmale Resonanzlinie (beispielsweise < 10 nT) auf. Das Ausgangssignal der Photo­ zelle des K-Magnetometersensors 32 wird in einem Verstärker 33 verstärkt und einem ersten Eingang eines Phasenkomparators 34 zugeführt, auf dessen zweiten Eingang das Signal eines Modulationsfrequenzgenerators 35 gegeben wird. Der Modu­ lationsfrequenzgenerator 35 hat dieselbe Funktion wie der­ jenige in Fig. 1 mit dem Unterschied, daß gemäß Fig. 2 auf eine zusätzliche Modulationsspule zur Variation des Magnet­ feldes verzichtet und statt dessen die Resonanzfrequenz moduliert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß das Aus­ gangssignal des Phasenkomparators 34 einem Integrator/ Korrekturglied 36 zugeführt wird, in das ebenfalls die Modulationsfrequenz des Generators 35 eingespeist wird. Alternativ dazu kann die Modulationsfrequenz auch dem Frequenzvervielfacher 38 zugeführt werden. In dem selbst­ schwingenden Teil wird das Ausgangssignal der Photozelle des Cs-Magnetometersensors 31 dem Verstärker 37 zugeführt, dessen Ausgang mit der Hochfrequenzspule des Sensors 31 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 37 wird in dem Frequenzvervielfacher 38 verdoppelt und der Hoch­ frequenzspule des schmalbandigen Sensors 32 zugeführt. Zuvor erfährt das Ausgangssignal des Verstärkers 37 jedoch eine Frequenzkorrektur in einem als Frequenzkorrekturglied arbeitenden Phasenschieber 39 durch das von dem Phasenkomparator 34 über das Integrator-/Korrek­ turglied 36 zugeführte Phasensignal.

Das erfinderische Prinzip besteht somit darin, den selbst­ schwingenden Teil des Magnetometers so zu gestalten, daß er wie ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) arbeitet. Die Bedingung zur Schwingungsentfachung eines selbstschwingenden Magnetometers ist, daß die Summe der elektrischen Phasenver­ schiebungen 90° beträgt. Wird diese Bedingung wesentlich verletzt, erlischt das Signal. Durch bewußtes Abweichen von ϕ =90° wird eine Frequenzverschiebung realisiert. Gering­ fügige Phasenfehler bewirken eine Frequenzverschiebung wie folgt:
Bezeichnet man mit ϕ_K die Phasenverschiebung im Sensor 31 (passiver Teil) und mit ϕ_V die Phasenverschiebung im Verstärker 37, so gilt für die Schwingungsbedingung

ϕ = ϕ_K + ϕ_V = 0 (1)

Nimmt man an, eine Störung im aktiven Teil (Verstärker 37) bewirke eine Störung Δϕ_V, dann muß sich im frequenzbe­ stimmenden Teil zwangsläufig eine Änderung Δϕ_K herausbilden, so daß wieder gilt

ϕ = 0 = Δϕ_V + Δϕ_K (2)

Das wird durch die Frequenzänderung

erreicht.

Oder mit (2) kombiniert:

Eine Phasenverschiebung im Verstärker 37 bewirkt also proportional eine Frequenzverschiebung, die nur von dem Faktor df/dϕ_K bestimmt wird. df/dϕ_K ist ein Maß für die Linienbreite der Resonanz. Durch bewußte Veränderung aller Parameter erreicht man sehr einfach eine breite Linie und somit eine wirksame Frequenzverschiebung mit Hilfe einer spannungsgesteuerten Phasenverschiebung. Die Helmholtzspulen 12 aus Fig. 1 können somit entfallen.

Die Vorteile dieser Anordnung sind folgende:

• 1. Der Aufbau eines kompakten störungsfreien Sensors ist möglich.
• 2. Der elektronische Aufwand verringert sich erheblich.
• 3. Die trägheitslose Nachführung der Resonanzfrequenz infolge Magnetfeldänderungen ist gewährleistet, ebenso ein großer Dynamikbereich von 15 000 . . . 120 000 nT.

Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Die gezeigte Anordnung ist im Prinzip aus der Publikation von E.B. Alexandrov et al. in OPTICAL ENGINEERING, April 1992, Vol. 31, No. 4, bekannt und wurde ursprünglich für den Einsatz von Kalium als Arbeitsmedium entwickelt. Das hier skizzierte Magnetometer entspricht der selbstschwingen­ den Anordnung, d. h. optische Achse der Absorptionszelle 40 und Magnetfeldrichtung stehen unter einem Winkel von 45° zueinander. Aufgrund der Linienstruktur des Kaliums ist es jedoch sehr schwierig, ein selbstschwingendes Magnetometer zu bauen. Man bedient sich deshalb eines Tricks. Das Kalium besitzt vier Resonanzlinien, wobei die Linie mit der größten Intensität je nach Art des Lichts (rechts/links zirkular polarisiert) der kleinsten oder größten Resonanzfrequenz entspricht. Mit Hilfe eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 43 nähert man sich von unten oder oben der Resonanz der stärksten Linie. Bei Erreichen der Resonanz liefert der Photodiodenverstärker 41 genau die Resonanzfrequenz. Durch Phasenvergleich des Verstärkerausgangs mit der Frequenz des VCO durch den Phasenkomparator 42 produziert man eine Span­ nung zur Steuerung des VCO. Erfindungsgemäß wird nun an­ stelle eines konventionellen VCO ein selbstschwingendes Breitbandmagnetometer derart eingesetzt, daß es wie ein spannungsgesteuerter Oszillator arbeitet. Wie in der Aus­ führungsform nach der Fig. 2 wird also auch hier einem Phasenschieber des selbstschwingenden Magnetometers ein Korrektursignal zugeführt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 erzeugt der Komparator 42 das Korrektursignal und führt es dem Phasenschieber des selbstschwingenden Magneto­ meters zu. Mit dem Frequenzzähler 44 kann die Ausgangs­ frequenz des selbstschwingenden Magnetometers gemessen werden. Es können dabei auch andere Arbeitsmedien als Kalium verwendet werden.

Mit dieser Anordnung wird ein verbessertes dynamisches Verhalten gegenüber der Anordnung von Alexandrov et al. erreicht.

Claims (6)

1. Verfahren zur Signalgewinnung an optisch gepumpten Magnetometern, bestehend aus einem breitbandigen, selbst­ schwingenden, optisch gepumpten Magnetometer (31, 37, 39), dessen Ausgangsfrequenz der Hochfrequenzspule einer auf einer schmalen Resonanzlinie arbeitenden Referenz-Absorptionszelle (32) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das selbst­ schwingende Magnetometer einen Sensor (31), einen Verstärker (37) und einen Phasenschieber (39) umfaßt und wie ein spannungsgesteuerter Oszillator betrieben wird, dessen Eingangsspannung (VC) durch Umsetzung einer Abweichung der Resonanzfrequenz der schmalbandigen Referenz-Absorptionszelle (32) von der aktuellen Frequenz des breitbandigen Magneto­ meters (31, 37, 39) gebildet und dem Phasenschieber (39) derart zugeführt wird, daß in dem Magnetometer (31, 37, 39) eine Frequenzänderung erzielt wird, die zu einer Phasen­ verschiebung in dem Phasenschieber (39) proportional ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Referenz-Absorptionszelle (32) eine Linienabtastung derart durchgeführt wird, daß das zu messende Magnetfeld mit einer niederfrequenten Modulationsfrequenz moduliert wird, und daß das Ausgangssignal der Referenz-Absorptionszelle (32) einem ersten Eingang und die Modulationsfrequenz einem zweiten Eingang eines phasenempfindlichen Gleichrichters (34) zugeführt wird, und daß das Ausgangssignal des Gleichrichters dem Magnetometer (31, 37, 39) zugeführt wird.

3. Verfahren zur Signalgewinnung an optisch gepumpten Magneto­ metern, bei welchem der Hochfrequenzspule einer Absorptions­ zelle (40) ein Signal von einem spannungsgesteuerten Oszil­ lator (43) zugeführt wird und das Ausgangssignal des mit einer Photodiode der Absorptionszelle verbundenen Verstärkers (41) einem ersten Eingang und das Ausgangssignal des Oszillators einem zweiten Eingang eines phasenempfindlichen Gleich­ richters (42) zugeführt wird und das Ausgangssignal des Gleichrichters (42) dem Oszillator (43) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (43) ein selbst­ schwingendes Magnetometer ist, das einen Sensor (31), einen Verstärker (37) und einen Phasenschieber (39) umfaßt und dessen Eingangsspannung (VC) durch Umsetzung einer Abweichung der Resonanzfrequenz der schmalbandigen Referenz-Absorptions­ zelle (32) von der aktuellen Frequenz des breitbandigen Magnetometers (31, 37, 39) gebildet und dem Phasenschieber (39) derart zugeführt wird, daß in dem Magnetometer (31, 37, 39) eine Frequenzänderung erzielt wird, die zu einer Phasen­ verschiebung in dem Phasenschieber (39) proportional ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (33, 34, 35) zur Erzeugung eines Spannungssignals, das repräsentativ ist für die Abweichung der Resonanzfrequenz der Referenz-Ab­ sorptionszelle (32) von deren schmalen Resonanzlinie, wobei die Schaltungsanordnung (33, 34, 35) mit dem selbstschwingen­ den Magnetometer (31, 37, 39) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (33, 34, 35) einen Verstärker (33) enthält, dessen Eingang mit der Photozelle der Referenz-Absorptionszelle verbunden ist und dessen Ausgang mit dem ersten Eingang eines phasenempfindlichen Gleichrichters (34) verbunden ist, und einen Frequenzgenerator (35), der mit dem zweiten Eingang und mit dem Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters verbunden ist, und daß der Phasenschieber (39) des selbst schwingenden Magnetometers mit dem Ausgang des Gleichrichters (34) verbunden ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, mit einer Absorptionszelle (40), einem spannungsgesteuerten Oszillator (43), einem mit einer Photodiode der Absorptions­ zelle (40) verbundenen Verstärker (41) und einem phasen­ empfindlichen Gleichrichter (42), dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (43) ein selbstschwingendes Magnetometer ist, das einen Sensor (31), einen Verstärker (37) und einen Phasen­ schieber (39) umfaßt.