DE1962255C3

DE1962255C3 - Magnetometer zur Messung eines sehr schwachen magnetischen Gleichfel

Info

Publication number: DE1962255C3
Application number: DE1962255A
Authority: DE
Inventors: Marie-Anne Bouchiat; Jean Brossel; Claude Cohen-Tannoudji; Jacques Dupontroc; Serge Haroche; Alfred Kastler; Jean-Claude Boulogne-Sur-Seine Lehmann
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1968-12-12
Filing date: 1969-12-11
Publication date: 1973-11-08
Also published as: DE1962255A1; FR1594433A; GB1250966A; DE1962255B2; US3629697A

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetometer für die Messung eines sehr schwachen magnetischen Gleichfeldes nach dem l'ompensationsverfahren mit einem Käfig von etwa zylindrischer Form aus weichem magnetischem Material mit einer Zelle im Inneren, die ein paramagnetisches Material in Dampfform enthält, und mit drei Paaren u>n Spulen, deren Achsen ein dreiachsiges, rechtwinkeliges Koordinatensystem bilden und in der Helmholtz-Stellung in bezug auf die Zelle angeordnet sind, während die Zelle im Mittelpunkt dieses Koordinatensystems liegt, ferner mit einem Gleichstromgenerator, der die Spulen derart speist, daß störende magnetische Gleichfelder (vielleicht mit Ausnahme eines sehr schwachen magnetischen Restfeldes, welches eine 2ur Ac/v-e eines gegebenen Spulenpaares senkrechte Richtung hat) kompensiert werden, einem weiteren Spulenpaar in Helmholtz-Stellung in bezug auf die Zelle, das dieselbe Achse wie dieses gegebene Spulenpaar hat, mit einem Wechselstrcmgenerator, der in diesem weiteren Spulenpaar ein magnetisches, zum stetigen Restfeld kolüneares Wechselfeld erzeugt, einer Lichtquelle, die ein Bündel zirkulär polarisierten Lichtes mit zu dem gewählten alkalischen Metall passend gewählter Wellenlänge senkrecht zum magnetischen Restfeld und zum magnetischen Wechselfeld auf die Zelle richtet, einem Photorrultiplier, der das von der Zelle ausgesandte Licht empfängt, einem Bandpaßfilter, das mit dem Photomultiplier verbunden und dessen Durchlaßband auf die Frequenz der Wechselstromquelle abgestimmt ist, einem Synchrondemodulator, der das Ausgangssignal des Filters und das Signal der Wechselstromquelle empfängt, und einem Meßinstrument, das die Amplitude des von dem Synchrondemodulator gelieferten Signals mißt.

Einrichtungen zum Messen schwacher Magnetfelder, welche durch optisches Pumpen den Einfluß des zu messenden Magnetfeldes auf die im gasförmigen Zustand befindlichen Atome oder Moleküle mit paramagnetischei Resonanz verstärken, sind an sich bereits bekannt.

Aus der französischen Patentschrift 1 447 226 ist ein Magnetometer bekannt, welches mit magnetischer Kernresonanz arbeitet, wobei ein Spin-Kopplungsoszillator verwendet wird. Diese bekannte Einrichtung basiert auf der Polarisation von Atomkernen in einem Magnetfeld, welches eine verhältnismäßig große

Stärke aufweist, und zwar in der Größenordnung von einem Gauß liegt.

Weiterhin ist aus der deutschen Auslegeschrift I 249 991 eine Vorrichtung zum Messen der Feldstärke sehr schwacher magnetischer Felder bekannt, die ebenfalls von der Polarisation von Atomkernen in einem Magnetfeld ausgeht. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird ein verhältnismäßig starkes konstantes Feld zugrunde gelegt.

Weiterhin ist aus der deutschen Auslcgcschrift 1049 112 ein Verfahren zur periodischen Messung der Stärke eines magnetischen Feldes bekannt, bei welchem ein Hilfsfeld zum gerulsten Vorpolarisieren verwendet wird.

Diesen bekannten Anordnungen ist gemeinsam der Nachteil eigen, daß das Magnetfeld durch die Messung der Larmorfrequenz der Spins der Proionen einer Flüssigkeit in diesem /u messenden Magnetfeld bestimmt wird, so daß aus diesem Grunde jeweils ein relativ starkes Magnetfeld (von etwa 1 Gauß) erforderlich ist, welches entweder das /u messende Magnetfeld oder ein Hi!f;^reld sein kann.

Der F.rfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetometer für die Messung eines schwachen magnetischen Gleichfeldes /u schaffen, welches eine derartig hohe Ansprechempfindlichkeit aufweist, daß die exakte Messung eines außerordentlich schwachen magnetischen Gleichfeldes erreichbar ist, dessen Stärke in der Größenordnung eines Bruchteil? von Nancigauß liegt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Frequenz der Wechselstromquelle in der Größenordnung von 50 bis 1000 Hz liegt, daß das Verhältnis der Amplitude des Wechselfeldes /u dem Quotienten der Winkelfrequenz dieses Feldes durcn den gyromagnetischen Faktor des dampfförmig'.!! Materials etwa 1,2 beträgt und daß dieses Material ein alkalisches Metall in isotopischer Form oder Helium ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach dem Grundgedanken des Erfinders werden somit die magnetischen Momente von paramagnetischen Atomen oder Molekülen eines Alkalimetalls, welche sich innerh;.¹!) eines Gefäßes in dem zu messenden Magnetfeld im Grundzustand befinden, durch senkrecht zu diesem Magnetfeld einfallendes, zirkulär polarisiertes Licht vorgegebener Wellenlänge zur Erzeugung eines magnetischen Gesamtmomentes ausgerichtet. Dieser Vorgang läßt sich als optisches Pumpen bezeichnen. Dieses magnetische Gesamtmoment vollführt im Magnetfeld eine Präzession mit der Larmorfrequenz. Zusätzlich zu dem zu messenden Feld wird in dessen Richtung ein Hilfsfeld angelegt und auf einen optimalen Wert eingeregelt, Das aus dem Gefäß austretende Licht besteht aus nach der Kreisfrequenz und deren Harmonischen modulierten Komponenten, deren Amplitude eine Funktion der Stärke des zu messenden Feldes ist.

Die Erfindung benutzt somit den Resonanzeffekt, den ein transversales, pumpendes Lichtbündel einer vorgegebenen Wellenlänge, welches senkrecht zu dem zu messenden Feld gerichtet ist, in Gegenwart eines verhältnismäßig hochfrequenten magnetischen Hilfsfeldes an geeigneten Partikeln hervorruft. Dabei stimmt die Richtung des Hilfsfeldes mit derjenigen des zu messenden Feldes überein. Als geeignete Parlikeln kommen neutrale oder ionisierte Atome oder Moleküle im Grundzustand in Frage, welche in diesem Zustand elektronischen oder nuklearen Paramagnetismus aufweisen. Vorzugsweise verwendet die erfindungsgemäße Anordnung den Resonanzeffekt bei solchen Partikein, welche ein hohes gyromagr.etisches Verhältnis aufweisen.

Gemäß der Erfindung ist somit der wesentliche technische Fortschritt erreichbar, daß gegenüber bekannten Anordnungen eine um mehrere Größenordnungen empfindlichere Messung von magnetischen Gleichfeldern möglich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben: in dieser zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung zur theoretischen Erklärung der gemäß der Erfindung verwendeten Resonanz,

F i g. 2 den Verlauf der Komponente des stationären magnetischen Momenrs. wobei die Resonanzkurven für den bekannten Hanle-Effekt und für den von der Erfindung verwendeten Effekt dargestellt sind. F i g. 3 und 4 eine Ausführungsform der erfindungsjvmäßen Vorrichtung und

F i g. 5 eine Mcßkurvc, welche die geiräß der Erfindung erreichbare Ansprechempfindlichkeit darstellt. Das Prinzip des Flanle-Effekts, wie er in diesen bekannten Geräten benutzt \vird, ist das folgende: man pumpt optisch durch ein zirkulär polarisiertes Bündel, welches die .v-Richiung hat, die paramagnetisehen Atome, die in einer Resonanzzelle enthalten sind, um diesen ein gesamies magnetisches Moment Λ/ zu gebeii.

In Gegenwart eines stetigen magnetischen Ff Ides H_n (Fig 1) mit einer zu Ux senkrechten RicHung Oz drein sich das magnetische Moment M in Präzession um Oz mit der Kreisfrequenz von Larmor uy ·/ W₀. wobei γ das gyromagnetische Spin-Verhältnis (nuklear oder elektronisch) der benutzten paramagnetischen Atome oder anderer Dipole ist. Im Laufe dieser Präsession werden die Dipole durch die thermische Relaxation, welche Λ/ nach Null mit der Zeitkonstante Γ zurück kommen laßt, sowie durch das optische Pumpen beeinflußt, welches danach strebt, diese Dipole aii^r Ox (Fig. 1) mit der Zeitkonstanter,,, wieder auszurichten.

Die Theorie des Hanle-Effektes zeigt, daß die Variationen als Funktion von |W„| der stationären Komponenten von M in den x- und z-Richturgen ähnlich derjenigen einer Absorptionskurve und einer Disperse sionskurve (s. F i g. 2) sind, deren Hall breite w/2« in der Krpisfrequenz von Larmnr ungefähr

1/τ = 1/Γ+1/Τ,,

ist, also ir.i Felde von l/yr, wo γ das betreffende gyromagnetische Verhältnis ist.

Nun liegt z. B. für die. ungeladenen Isotopen von Cd und Hg die Relaxationszeit in der Grf ßenordnung von 1 bis 100 Sekunden, und der Mittelwi rt des gyro magnetischen Verhältnisses (rein nuklear) ist ungefähr 10³ Hertz/Gauß (genauer liegt es für ¹⁹⁹Hg bei 760 Hertz/Gauß), so daß die Halbbreite der Kurven des Hanle-Effektes einer Feldintensität-E ifferenz von der Größenordnung 10~³ bis 10-^B Gai ß entspricht.

Aber für alkalische Metalle ist die Pelaxationszeit in der Größenordnung von 1 Sekunde, ι nd das gyromagnetische Verhältnisse kann ungefi hr lOOOmal größer sein. Im Falle von beispielsweise ⁸⁷Rb kann

man durch optisches Pumpen die Atome in dem Unterniveau in = 2 des hyperfeinen Unterniveaus F = 2 des Niveaus ²S₁Z₂ (/ = 3/2) konzentrieren. Für das Unterniveau F = 2 findet man, wenn man mit γ und g die entsprechenden gyromagnetischen Verhältnisse und den Lande-Faktor und mit μ« das Magneton von Bohr bezeichnet:

γ = _gilB = 1/2 (1,4) 10^e 700000 Hertz/Gauß.

Die entsprechende Halbbreite der Kurven als Funktion der Feldintensitäl betrachtet oder des Hanle-Streifens ist in diesem Falle ungefähr 10 ⁶ Gauli.

Die Möglichkeit, mit einem solchen alkalischen Metall einen Bruchteil von Mikrogauß zu erreichen, ist daher durch das Verhältnis Signal/Rauschen begrenzt.

Die Detektion des magnetischen Feldes in den früher bekannten Geräten bestand in dem einfachsten Fall, in welchem H₀ von bekannter Richtung ist, im wesentlichen darin, dem zu messenden Feld H₀ ein wechselndes magnetisches Hilfsfeld H₁ cos wt mit einer verhältnismäßig schwachen Amplitude zu überlagern, in welchem Fall Mt mit der Kreisfrequenz vr moduliert ist. Indessen ist w, das so groß wie möglich gemacht werden soll, aus Gründen einer größeren Bequemlichkeit bei der elektronischen Behandlung des Signals wie für den Erhalt eines besseren Wertes des Verhältnisses Signal/Rauschen durch die Breite des Hanic-Streifens beschränkt, also auf 1,-ττ, damit die Spins folgen können. In der Tat kann die Frequenz κ· in diesem Falle einige Hertz nicht überschreiten.

Das Verfahren der Erfindung benutzt einen magnetischen, aber von dem Vorhergehenden vei schiedenen Reionanzeffekt, der im Grundzustand eines aus isotopischen, passend gewählten Atomen bestehenden Dampfes erzeugt wird.

Setzt man ny = γΗ₀ und u·, = yH_x, wo γ das gyromagnetische Verhältnis im Grundzustand ist; Γ = 1//"+l/Γρ, wo T die transversale thermische Relaxationszeit und T_p die optische Lebensdauer des Grundzustandes ist, so erhält man, daß die transversale gesamte Magnetisierung des Dampfes sich durch eine Fourier-Reihe ausdrucken läßt, wo die Harmonische von der Ordnung ρ in e""* eine zu A_p proportionale Amplitude hat, mit

ist, ist es nötig, daß dieser Winkel ein Vielfaches vor 2π ist, was die Resonanzbedingung tr/-··«»■ verständlich macht. Die gesamte Magnetisierung bewirkt nunmehr eine periodische Bewegung der Periode s 2π/ιι·, deren Reihenentwicklung nach Fouriei in Formel (1) gegeben ist.

Ein wichtiges Merkmal solcher Resonanzen ergibt sich klar aus dem Ausdruck 1. Die Breite ist unabhängig von H₁. In der Tat hängt der Modul des

ίο Nenners des Ausdruckes 1 nicht von ir, ab.

Die Erfindung bedient sich einzig der Resonanz im Felde // ~ 0, anders ausgedrückt ny ~ 0 und η 0. Man erhält leicht aus dem Ausdruck 1 die Form als Zeitfunktion des der Harmonischen der Ordnung/)

entsprechenden demodulierten Signals:

cos pvt

Γ-J(Wf+η w)

wo j = \'—i und J_n die Besselfunktion e.^ter Art der Ordnung η ist.

Man sieht so, daß die transversale gesamte Magnetisierung mit den verschiedenen Frequenzen ^- präzessioniert und daß der Resonanzeffekt jedesmal stattfindet, wenn w/ = nw ist (wo η eine ganz; Zahl einschließlich Null ist).

Die physikalische Interpretierung des Phänomsn;, die gegeben werden kann, ist die folgende. Die gleichmäßig im Laufe der Zeit in der Richtung Ox durch optiscne Erregung erregten Dipole haben ihre Larnurfrequenz moduliert mit H₁COSWt: Sie gruppieren sicn also in Paketen in der zu H₀ senkrechten Ebene. Die mittlere Winkelgeschwindigkeit der Dipole ist wf, während einer Periode (2ji/w) des Feldes H₁ haben sie sich um einen Winkel (2ji/»p)w/ gedreht Damit der Effekt der Gruppierung in Paketen suniBiJcrand + - - —■■- J_n Up-J-p) sinpwt ;
(/² + W₁-)

das Argument der Besselfunktionen ist dabei

Man sieht in diesem Falle einerseits, daß die Resonanzen eine Halbbreite

T T

haben, welche die gleiche ist wie die der Hanle-Resonanz; andererseits, da

Jn = (-1)» y_„

ist, daß die Resonanzen entweder in der Form einer reinen Absorptionskurve oder einer reinen Dispersionskurve erscheinen, d. h., daß ρ gerade oder un-

gerade ist.

Es besteht Interesse daran, ρ ungerade zu nehmen (z. B. ρ = 1), wobei die Dispersionskurve nunmehr einer Geraden in der Nähe des Nullpunktes ähnlich wird, was besagt, daß die Signalamplitude linear als

Funktion der Intensität des zu messenden Feldes variiert.

Die Vorteile der Benutzung des neuen Resonanzeffektes erscheinen nunmehr klar. Man verfügt über einen Resonanz-»Streifen«, der ebenso schmal ist wie ein Streifen der Hanle-Resonanz, wobei diese Breite unabhängig von den zwei Parametern H₁ und iv des benutzten Wechsel.iilfsfeldes ist. Man k nn also praktisch »v so groß nehmen, wie min will: das mit w modulierte bignal kann nun in den bekannten Techniken der selektiven Verstärkung und der Synchrondemodulation behandelt werden, was erlaubt, die Empfindlichkeit der Messung beträchtlich zu' verbessern. In den früheren Anordnungen mußten dagegen die Frequenzen des Modulationswechselfeldes gegenüber d;r Breite des Hanle-Streifens sehr klein sein. In dem Artikel von Robert E. Slocum und Francis H. R e i 11 y, »Low Feld Helium Magnetometer for Space Applications«, erschienen in »IEEE Transactions on Nuclear Science«, Bd. 10, Nr. 1, Januar 196.% S. 165 bis 171, irt beispielsweise die benutzte Moaulationsfrequenz von 25 Hz sehr klein gegenüber der Bandbreite, die dem Zustand 2³S₁ von H₀ entspricht, die in der GröSenomnuiie von 10 kHz

ist. Wie man sehen wird, ist im Gegenteil die Modulationsfrequenz bei dem Gerät nach der Erfindung 50 bis 1000 Hz und damit sehr groß im Verhältnis zu der Breite des Hanle-Streifens, die zwischen 1 und 10Hz liegt.

Man wird weiter unten sehen, daß man so die Möglichkeit hat, die Messung eines Bruchteils von Nanogauß zu erreichen, wobei dieser Wert nur von dem Verhältnis Signal/Rauschen abhälft. Schließlich kann man den Wert H₁ derart wählen, daß man sich auf dem ersten, d. h. dem höchsten Gipfel der Kurve befindet, die das Produkt .Z_n ^-Ji ausdrückt, da <Jic Signalampliiiide nunmehr von der zweiten Ordnung der Variationen der Intensität //, des Hilfsfcldes abhängt.

Das Produkt

./„(ηγΐΓ) · ./,(ιγ,,Ίγ)

ist maximal für ιι,/n
daß

1,2. Man wählt also H_x so.

1.2 ι«

Um die Empfindlichkeit der Messung soviel wie möglich zu steigern, ist man bemüht, die Breite des Resonanzstreifens so klein wie möglich zu machen. Dieser Punkt wird nachstehend an Hand der Beschreibung eines Gerätes, das die Durchführung des Vcifahrens gestattet, erörtert werden

Ein Käfig zum Schulz vor dem Erdmagnetfeld und dem lokalen magnetischen Rauschen wird durch mehrere Umhüllungen 10 aus geeignetem magnetischem Metall gebildet (Fig. «), die konzentrisch in geringen Abständen voneinander angeordnet sind und allein für den Eintritt des Pumpenlichtbündels und des ausgehenden Lichtbündels für die Detektion durchbohrt sind. Bei dem gezeigten . Alisführungsbeispiel sind die Umhüllungen aus der Eisen- und Nickel-Legierung »MumetalU ausgeführt, die einer thermischen Behandlung und einer weit vorgetriebenen Entmagnetisierung unterworfen worden ist; sie haben die Form von konzentrischen und koaxialen Zylindern mii einer Dicke von ungefähr 2 mm; ihre Abmessungen liegen in der Größenordnung von 1 m, ihre Abstände voneinander in der Größenordnung von 2,5 cm. Die Frontwände der Zylinder s,ind als abnel.mbare Deckel ausgebildet, die mit Löchern 11 und 12 durchbohrt sind, welche koaxial mit den Zylindern verlaufen. Der Abschirmfaktor einet solchen Umhüllung ist ungefähr 10^s, was besagt, daß das Erdmagnetfeld in dem Käfig ein KeId in der Größenordnung von 5 Mikrogauß hervorbringt, ehe es kompensiert wird.

Der Käfig ist derart geformt, daß die v-Achse seiner Öffnungen senkrecht zur Richtung Oz der sehr schwachen Komponente W_n ist. die durch das Magnetfeld im Käfig erzeugt wird und die man messen will. Dieses Feld kann z. B. von einem magnetischen Stein, der im Inneren des Geheges angeordnet ist, herrühren. Die v-Achse ist die des eintreffenden Lichtbündels und des austretenden Lichtbündels, deren Bildung später noch beschrieben wird.

In dem Abschirmkäfig ist eine optische Resonan/-zellc 1 zentriert, im folgenden einfach »Zelle« genannt; sie besteht aus einer Ampulle aus Pyrex-Glas, ist vorzugsweise kugelförmig und hat beispielsweise einen Durchmesser von 6 cm. Diese Zelle enthält Dampf von ¹¹⁷Rb mit einer der Umgebungstemperatur annähernd gleichen Temperatur, z. B. 20 C. Um die Zeit der thermischen Relaxation dieses Dampfes zu verbessern, ist die Innenseite der Ampulle mit Paraffin bekleidet, das mit Wasserstoff oder besser mit Deuterium angereichert ist. Schließlich ist die Zelle mit einer (nicht dargestellten) Temperaturrcgelungsvorrichlung versehen.

ίο Es werden vier Paare von Spulen ebenfalls auf den Käfig zentriert. Die ersten drei Paare. 101_T, 101,,. 10I₄, jedes in Helmholtz-Stellung und auf Ox, Oy bzw. Oz zentriert, werden gebraucht, um das im Inneren des Käfigs zurückbleibende magnetische Feld zu kompensieren. Das vierte, auf Oz ausgerichtete Spulenpaar 102_z wird von einem Oszillator 105 gesptist, um längs der Achse Oz ein wechselndes magnetisches Hilfsfeld //,cos 11·/ zu schaffen, das /ur Erreichung der gewünschten Resonanz unerläßlich ist.

ao Die Spulenpaare 101,, 101« und KHj werden durch die Gleichstromquelle 103 über Potentiometer 104^, 104_(/, 104* gespeist, und das Spulenpaar 102, wird durch den Generator mit variabler Frequenz 105 über das Potentiometer 106_z gespeist.

Fine Lampe 13 ohne Elektrode, die gleichfalls Dampf von "⁷Rb enthält und durch eine Hochfrequenz,-Entladunpsanordnung 13 erregt wird, isl auf der Achse Oa außerhalb des Käfigs angeordnet. Sie sichert durch optisches Pumpen die Orientierung der Atome von Rb der ZcHc. ihre verschiedenen, auf die Lichtintensität des Pumpenbündels wirkenden Parameter sind derart gewählt, daß sie die Fnergie-Niveaus von Rb in der Zelle nicht zuviel erweitern, jedoch durchaus eine angemessene Wirksamkeit des optischen Pumpens sichern. Dieser Punkt wird später noch zu betrachten sein.

Das aus der Lampe emittierte Lichtbündel wird durch eine erste Linse 132, beispielsweise aus Kunststoff, gesammelt. Es tritt in den Käfig durch die OfT-nung 11 ein. durchquert erst ein Interferenzfilter 133. das die Komponente Ol (oder Dl) des Bündels aufhält, sodann eine Polarisiereinheit und Viertelwellenplatie 134, die ihm eine zirkuläre Polarisation geben, und wird endlich durch eine zweite Linse 135 auf das Zentrum O der Zelle fokussiert.

Das aus der Zelle längs Ox' austretende delektierende Lichlbündel wird durch eine andere Linse 141 gesammelt, um am Ende eines Stabes 142. beispielsweise aus Acrylglas, gebündelt zu -verden, welcher da:

Licht zu einem Photomultipiier 14 führt, der auf Ox außerhalb des Käfigs angeordnet ist.

Wie schon grtagt wurde, besteht das vom Photo multiplier 14 empfangene Licht aus nach der Kreis frequenz und nach seiner Harmonischen moduliertei Komponenten, deren Amplitude mit der Intensität H des zu messenden Feldes variiert und die sich in photo elektrische Ströme verwandeln.

Das erhaltene Signal wird einem Vorverstärker Ii danach einem selektiven Verstärker 16 übertrager welcher eine der genannten modulierten Komponentei z. B. die mit der Kreisfrequenz η-, isoliert, dann ζ einem Synchronsignalgleichrichter 17. der seine B< zugsspannung aus dem Oszillator 105 entnimmt. Di vom Synchronsignalgleichrichter abgehende Sign; wird schließlich einem Registrierinstrument 18 übe tragen.

Die Empfindlichkeit des Gerätes ist. wie schon ei sagt, um so größer, je geringer die Breite des Resi

^ 10

nanzstreifens und je größer das Verhältnis Signal/ Beispiel
Rauschen ist.

Was an erster Stelle die thermische Ursache der In einem Laboratoriumsgerät, das dem vorstehend

Breite des Resonaiizstreifcns anlangt, so ist die Re- beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht, haben

laxatfonszeit 7",, die bedingt ist durch Atomschocks 5 die Operationsparameter folgende Ergebnisse ermög-

dcs Dampfes von Rb gegen die Wand einer kugel- licht:

förmigen Zelle mit einem Durchmesser in der Größen- _{ßreite des Streifcns} thermischen Ursprungs:

Ordnung von 6 cm. ohne Dämpfungsgas, deren Wände \ΙπΤ '■ \/πΤ. = 1 Hertz·

jedoch mil Paraffin bekleidet sind das mit Wasserstoff Breite'des Streifens optischen 'Ursprungs:

oder besser Deuterium angereichert ist, großer als ro \ΐπΤ = 3 bis 4 Hertz

1 Sekunde, was einen ersten Ausdruck für die Breite ' ^p

des Streifens von ΙαΓ, ~ 0,3 Hertz gibt. Die Aus- „

tauschkollisionen zwischen Atomen von Rb bei einer Empfindlichkeit und Stabilität

Temperatur in der Größenordnung von 20 C tragen F i g. 5 zeigt typisch die (experimental beobachtete)

ebenfalls zur Verbreiterung des besagten Streifens 15 Variation in der Zeit des am Ausgang des Demodula-

durch einen zweiten Ausdruck MnT₂ der Gröf.-n- tors empfangenen Signals, das dem Restfeld proportio-

ordnung von 0,2 Hertz bei. Dagegen sind die In- nal ist.

homogeniläten des magnetischen Feldes durch die Nach dem in dieser Figur verwendeten Maßstab

Bewegung der Atome gemittelt und stellen über etwa unter Berücksichtigung des Restrauschens findet man

20 Mikrogauß keine Ursache der Verbreiterung des ao ungefähr

Resonanzstreifens dar unter der Bedingung, daß in 2 · 10 ⁹ ^ _Io
dem Käfig keine magnetischen Materialien, die be- 4 ~ ~ ^aU "
deutende Inhomogenitäten des Feldes in der Umgebung der Zelle schaffen könnten, vorhanden sind. Es ist kaum notwendig, die Bedeutung der zeitlichen Aus diesem Grunde sind vor allem die metallischen 25 Stabilität der verschiedenen Parameter der Apparatur, Umhüllungen des Käfigs sorgfältig entmagnetisiert besonders der Lichtintensität des Pumpbündels, der und ist der Photomultiplier, dessen Dynoden magne- Temperatur der Zelle, der die Kompensationsspulen tische sind, außerhalb des Käfigs angeordnet. Schließ- speisenden Ströme, der für den Photomultiplier verlieh ist, wenn die gcwür.icV.er! Vorkehrungen getroffen wendeten Spannung usw. zu betonen,
worden sind, die äußerste Breite, die man für den 30 Die Wirkungsweise ist nun folgende: Das Gerät ist Resonanzslreifen in Hinsicht auf den thermischen derart angeordnet, daß das sehr schwache magnetische Effekt erreichen kann, also Feld W₀, das es zu messen gilt, annähernd längs der 1' T l 1/ T Achse Or gerichtet ist. Man kompensiert die Kom-ι,.-τ/, i/.T ₂, ponenten H_x, H„. H₁ des Gleichfeldes und regelt /Y₁ in der Größenordnung von 0,5 Hertz. 35 auf den Bestwert mittels des Potentiometers 106₂. Der

Was an zweiter Stelle die optische Ursache der optimale Wert ist:
Breite des Resonanzstreifens angeht, muß daran er- - 1 2 "
innert werden, daß die Lichtintensität / des Pump- · ~~ ' γ
bündeis, wenn diese die Intensität des Demodulationssignals wachsen läßt, auch den Resonanzstreifen pro- 40 Wenn ir;£r = 400 Hz angenommen wird, so findet portional /u | / und das durch den Photomultiplier man
hervorgerufene Rauschen ebenfalls proportional zu H₁ = 0,7 mG für ⁸⁷Rb;

I / anwachsen läßt. Diese verschiedenen Faktoren H₁ — 1 mG für ⁸⁵Rb; I

führen zu einem optimalen Wert der pumpenden H₁ — 1,4 mG für ¹³³Cs;

Lichtintensität, die nicht dem feinstmöglichen Reso- 45 H₁ = 0,7 mG für ³¹K₄ urd ²³Na j

nanzstreifen entspricht. sowie H₁ = 0,35 mG für den Zustand 2³ S₁ von ^JHe. |

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Magnetometer für die Messung eines sehr schwachen magnetischen Gleichfeldes nach dem Kompensationsverfahren mit einem Käfig von etwa zylindrischer Form aus weichem magnetischem Material mit einer Zelle im Inneren, die ein paramagnetisches Material in Dampfform enthält, und mit drei Paaren von Spulen, derer. Achsen ein dreiachsiges, rechtwinkeliges Koordinatensystem bilden und in der Helmholtz-Stellung in bezug auf die Zelle angeordnet sind, während die Zelle im Mittelpunkt dieses Koordinatensystems liegt, ferner mit einem Gleichstromgenerator, der die Spulen derart speist, daß störende magnetische Gleichfelder (vielleicht mit Ausnahme eines sehr schwachen magnetischen Restfeldes, welches eine zur Achse eines gegebenen Spulenpaares senkrechte Richtung hat) kompensiert -20 »erden, einem weiteren Spulenpaar in Helmhüll/-Stellung in bezug auf die Zelle, das dieselbe Achse wie diese-, gegebene Spulenpaar hat, mit einem Wechsel·.·romgenerator, der in diesem weiteren Spulenpaa." ein magnetisches, zum stetigen Restfeld kollineares Wechselfeld erzeugt, einer Lichtquelle, die ein Bündel zirkulär polarisierten Lichtes mit zu dem gewählten alkalischen Metall passend gewählter Wellenlänge senkrecht zum magnetischen Restfeld und zum magnetischen Wechselfeld auf die Zelle richtet, einem Photomultiplier, der das von der Zelle ausgesandte Licht empfängt, einem Bandpaßfilter, das mit dem Fhotomultiplier verbunden und dessen Durchlaßband auf die Frequenz der Wechselstromquelle abgestimmt ist, einem Synchrondemodulator, der das Aiisgangssign;<l des Filters und das Signal der Wechseistromquelle empfärgt, und einem Meßinstrument, das die Amplitude des von dem Synchrondemodulator gelieferten Signals mißt, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselstromquelle in der Größer Ordnung von 50 bis 1000 Hz liegt, daß das Verhältnis der Amplitude des Wechsel eldes zu dem Quotienten der Winkelfrequenz dieses Feldes durch den gyromagnetisehen Faktor des dampfförmigen Materials etwa 1,2 beträgt und daß dieses Material ein alkalisches Metaü in isotopischer Form oder Helium ist.
2. Magretometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle auf der Innenseite mit mit Wasserstoff angelagertem Paraffin ausgekleidet ist.
3. Magnetometer nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle auf der Innenseite mit deuterisiertem Paraffin ausgekleidet ist.
4. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das alkalische Metall ⁸⁷Rb ist und die Wechselstromquelle derart geregelt ist, daß ein Wechselstrommagnetfeld der Schwingungsweite 0,7 Milligauß entsteht.
5. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das alkalische Meiall ⁸⁵Rb ist und die Wechselstromquelle derart geregelt ist, daß ein Wechselstrommagnetfeld der Schwingungsweite 1 Milligauß entsteht.
6. Magnetomeier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das alkalische Metall ¹³³Cs ist und die Wechselstromquelle derart geregelt ist, daß ein Wechselstrommagnetfeld der Schwingungsweite 1,4 Milligauß entsteht.
7. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das alkalische Metall ^Ϊ9Κ ist und die Wechselstromquelle derart geregelt ist, daß ein Wechselstrommagnetfeld der Schwingungsweite 0,7 Milligauß entsteht.
8. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das alkalische Metall ²³Na ist und die Wechselstromquelle derart geregelt ist, daß ein Wechselstrommagnetfeld der Schwingungsweite 0,7 Milligauß entsteht.
9. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zelle Helium ⁴He im Zustande 2³Sj enthalten ist und die Wechselstromquelle derart geregelt ist, daß ein Wechselstrommagnetfeld der Schwingungsweite 0,35 Milligauß entsteht.