DE2422194A1 - PROCEDURE FOR ELIMINATING SETTING ERRORS IN MAGNETOMETERS AND PERFORMING THE PROCEDURE SUITABLE MAGNETOMETER - Google Patents
PROCEDURE FOR ELIMINATING SETTING ERRORS IN MAGNETOMETERS AND PERFORMING THE PROCEDURE SUITABLE MAGNETOMETERInfo
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Description
0A-IRNTANW1UT 0 A - IRNTANW 1 UT
"AIhN TANVYAL1 h 9/ 90 IQ/"AIhN TANVYAL 1 h 9/90 IQ /
DR. CLAUS REINiLANDER DIPL.-ING. KLAUS 3ERNHARiTT ^DR. CLAUS REINiLANDER DIPL.-ING. KLAUS 3ERNHARiTT ^
D-8 München 60 · Orthstraße 12 ■ Telefon 832024/5 Telex 5212744 · Telegramme InterpatentD-8 Munich 60 · Orthstrasse 12 ■ Telephone 832024/5 Telex 5212744 · Telegram Interpatent
. 3. Mai 1974. May 3, 1974
V1 P377 D VARIAN Associates, Palo Alto, CaI.,USA,V1 P377 D VARIAN Associates, Palo Alto, CaI., USA,
Verfahren zum Eliminieren von Einstellfehlern in Magnetometern, und zur Durchführung des Verfahrens geeignetes MagnetometerMethod for eliminating setting errors in magnetometers, and for carrying out the method suitable magnetometer
Priorität: 17. Mai 1973 ■ - U.S.A. - Ser. No. 361 081Priority: May 17, 1973 ■ - U.S.A. - Ser. No. 361 081
Zusammenfassungsummary
In einem optisch gepumpten, kreuzgekoppelten, selbstschwingenden Doppelzellen-Magnetometer werden orientierungsabhängige Phasenverschiebungen, d. h. Einstellfehler, dadurch reduziert, daß die Selbstschwingungsfrequenz phasenmoduliert wird, um eine entsprechende Amplitudenmodulation in der Zeeman-Resonanz jeder der beiden Zellen hervorzurufen. Diese Amplitudenmodulation der Zeeman-Resonanz ist abhängig von der entsprechenden Neigung der betreffenden, einander überlappenden Zeeman-Resonanzlinien bei der Selbstschwingungsfrequenz. Die beiden Zeeman-Resonanz-Amplitudenmodulations-Signale werden.verglichen, um ein Differenz-Abweichungssignal abzuleiten, das dazu verwendet wird, die Phasenverschiebung der Selbstschwingungsfrequenz so nachzustellen, daß sie einerIn an optically pumped, cross-coupled, self-oscillating Double cell magnetometers are orientation-dependent phase shifts, i. H. Adjustment errors, thereby reduced, that the self-oscillation frequency is phase modulated to a corresponding amplitude modulation in the Zeeman resonance in each of the two cells. This amplitude modulation of the Zeeman resonance is dependent on the corresponding inclination of the relevant, overlapping Zeeman resonance lines at the self-oscillating frequency. The two Zeeman resonance amplitude modulation signals are compared to derive a differential deviation signal which is used to determine the phase shift to adjust the self-oscillation frequency so that it is a
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Überlappungsfrequenz der beiden Zeeman-Resonanzlinien entspricht, bei der beide Zeeman-Linien die gleiche Neigung haben, so daß automatisch Einstellfehler minimiert werden.Overlap frequency of the two Zeeman resonance lines corresponds to where both Zeeman lines have the same inclination so that setting errors are automatically minimized.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Erfindung betrifft allgemein optisch gepumpte Magnetometer und insbesondere ein verbessertes selbstschwingendes Magnetometer mit automatischer Phasenkorrektur.The invention relates generally to optically pumped magnetometers and, more particularly, to an improved self-oscillating one Magnetometer with automatic phase correction.
Optisch gepumpte, kreuzgekoppelte, selbstschwingende Doppelzellen-Magnetometer sind bekannt. In einem solchen System schwingt das Magnetometer selbst bei einer Frequenz, die einer Überlappung der beiden Zeeman-Resonanzlinien der beiden optisch gepumpten Zellen entspricht. Für den Fall, daß die elektrischen Zeeman-Resonanz-Signale rund um die geschlossene Schwingungsschleife Phasenverschiebungen null haben, entspricht die Selbstschwingungsfrequenz einem Überlappungspunkt der beiden Zeeraan-Resonanzlinien, an dem jede Linie die gleiche Neigung hat. Falls die Phasenverschiebung um die geschlossene elektrische Schwingungsschleife nicht null ist, liegt jedoch die Selbstschwingungsfrequenz näher zur Mitte der einen der Zeeman-Resonanzlinien als der der anderen, und daraus ergibt sich ein Fehler in der Selbstschwingungs-. frequenz und damit ein Fehler für die Messung des Magnetfeldes.Optically pumped, cross-coupled, self-oscillating double cell magnetometers are known. In such a system, the magnetometer itself vibrates at a frequency equal to corresponds to an overlap of the two Zeeman resonance lines of the two optically pumped cells. In case that the electrical Zeeman resonance signals around the closed Oscillating loop phase shifts have zero, the self-oscillation frequency corresponds to an overlap point of the two Zeeraan resonance lines, at which each line has the same tendency. If the phase shift around the closed electrical oscillation loop is not zero however, the self-oscillation frequency is closer to the center of one of the Zeeman resonance lines than that of the other, and this results in an error in the self-vibratory. frequency and thus an error for the measurement of the magnetic field.
Phasenverschiebungen können in die elektrische Schwingungsschleife durch geringfügige optische Fehlausrichtungen in einer der Zellen oder durch Fehlausrichtung der HF-Spule eingeführt werden. Die Ausrichtungsfehler ergeben sich aus der Unmöglich-Phase shifts can occur in the electrical oscillating loop due to minor optical misalignments in one of cells or misalignment of the RF coil. The misalignment results from the impossibility
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keit, die optischen und HF-Achsen perfekt parallel .zu machen, sowie Inhomogenitäten in der HF-Feld-Richtung und Unvollkommenheiten in den optischen Komponenten, die die Symmetrie um die optische Achse reduzieren. Ein kreuzgekoppeltes, selbstschwingendes, optisch gepumptes Doppelzellen-Magnetometer ist in der US-Patentschrift 3 256 500 "beschrieben.ability to have the optical and HF axes perfectly parallel make, as well as inhomogeneities in the RF field direction and imperfections in the optical components, which reduce the symmetry about the optical axis. A cross-coupled, self-oscillating, optically pumped one Dual cell magnetometer is described in U.S. Patent No. 3,256,500 ".
Trotz der Ausrichtprobleme werden selbstschwingende, optisch· .gepumpte Magnetometer oft gegenüber optisch gepumpten Magnetometern mit Wobbelung vorgezogen, weil die ersteren von Hause aus geringeres Rauschen haben, sie schneller auf schnelle Feldänderungen ansprechen und aie sich schnell von einer Betriebsunterbrechung erholen.Despite the alignment problems, self-oscillating, optically pumped magnetometers are often compared to optically pumped ones Magnetometers with wobble are preferred because the former inherently have less noise and they are faster Respond to rapid field changes and aie quickly recover from an interruption in business.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Durch die Erfindung soll ein verbessertes optisch gepumptes, selbstschwingendes Magnetometer verfügbar gemacht v/erden, und insbesondere eine Einrichtung, mit der automatisch alle unerwünschten elektronisch und optisch hervorgerufenen Phasenverschiebungen subtrahiert.werden, um einen minimalen Einstellfehler zu erhalten.The invention aims to make available an improved optically pumped, self-oscillating magnetometer, and in particular a device with which automatically all undesired electronically and optically induced phase shifts subtracted. to obtain a minimal adjustment error.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die Selbstschwingungsfrequenz* frequenz- oder phasenmoduliert, um Ausgänge abzuleiten, die den jeweiligen Neigungen der Zeeman-Resonanzlinien in jeder der Zellen bei der Selbstschwingungsfrequenz entsprechen. Diese Ausgänge werden miteinander verglichen, so daß ein Abweichungssignal entsteht, mit dem die Phase der Selbst-According to a feature of the invention, the self-oscillating frequency * frequency or phase modulated to derive outputs, the respective slopes of the Zeeman resonance lines correspond in each of the cells at the self-oscillating frequency. These outputs are compared with each other, so that a deviation signal is generated with which the phase of the self-
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schvingungsfrequenz derart gesteuert wird, daß bei der Selbstschwingungsfrequenz beide überlappende Zeeinan-Resonanzlinien die gleiche Neigung haben, so daß der Einsteilfehler (heading error) minimiert wird.oscillation frequency is controlled in such a way that at the self-oscillation frequency both overlapping Zeeinan resonance lines have the same inclination, so that the heading error is minimized.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung werden die Amplitudenmodulationen der beiden detektierten Zeeman-Resonanzsignale, die durch die Phasenmodulation der Selbstresonanzfrequenz hervorgerufen sind, miteinander verglichen, um ein Differenzsignal mit der Modulationsfrequenz zu bilden. Diese Differenzfrequenz wird phasenmäßig mit einer Probe der Modulationsfrequenz verglichen, um ein Gleichstro m-Abweichungssignel zu bilden, das dazu verwendet wird, die Phasenlage der Selbstschwingungsfrequenz zu steuern, so daß die Selbstschwingungsfrequenz automatisch auf einen Wert gesteuert wird, der gleichen Neigungen der Zeeman-Resonaiizlinien entspricht.According to another feature of the invention, the amplitude modulations of the two detected Zeeman resonance signals, which are caused by the phase modulation of the self-resonance frequency, compared with each other, to form a difference signal with the modulation frequency. This difference frequency becomes in phase with a sample the modulation frequency compared to a DC offset signal to form, which is used to control the phase position of the self-oscillating frequency, so that the Self-oscillation frequency is automatically controlled to a value of the same inclinations of the Zeeman resonance lines is equivalent to.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:Further features and advantages of the invention emerge from the following description in conjunction with the drawing; show it:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines selbstschwingenden, optischen gepumpten Magnetometers mit Merkmalen der Erfindung;Fig. 1 is a schematic block diagram of a self-oscillating, optical pumped magnetometers incorporating features of the invention;
Fig. 2 graphisch die Larmor-Signalamplitude (Zeeman-Rcsonanzlinien-Amplitude),aufgetragen über der Frequenz der beiden Zeeman-Resonanzlinien für die jeweiligen Zellen des Doppelzellen-Magnetometers nach Fig. 1; und2 graphically shows the Larmor signal amplitude (Zeeman resonance line amplitude) over the frequency of the two Zeeman resonance lines for the respective cells of the double cell magnetometer of Fig. 1; and
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Fig. 3 graphisch die Selbstschwingungsfrequenz, aufgetragen über der Phasenverschiebung, die durch die elektronischen und optischen Fehlausrichtungen im Magnetometer system nach Fig. 1 eingeführt wird.Fig. 3 graphically the self-oscillation frequency, plotted over the phase shift caused by the electronic and optical misalignments in the magnetometer system of Fig. 1 is introduced.
In Fig. 1 ist einkreuzgekoppeltes, selbstschwingendes, optisch gepumptes Doppelzellen-Magnetometer mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Der Aufbau ist grundsätzlich der gleiche wie in der US-PS 3 256 500 beschrieben.In Fig. 1 is a cross-coupled, self-oscillating, optically pumped double cell magnetometer with features of the invention shown. The structure is basically the same as described in U.S. Patent No. 3,256,500.
Kurz gesagt, weist das Magnetometer einen elektrodenlose Entladungslampe T auf, die mit HF von einem Anregungsoszillator 2 angeregt wird. Der Entladungslampenkolben 1 ist gefüllt mit natürlichem Rubidiumdampf, der mit einem Zündmedium wie Kryptongas gemischt ist. Die Lampe ist näher in US-PS 3 109 960 beschrieben. Das optische Pumplicht, das aus der Lampe austritt, wird in zwei Richtungen durch zwei Absorptionszellen 3 bzw. 4 geschickt. Jeder der beiden entgegengesetzt gerichteten Lichtstrahlen durchläuft nacheinander eine Kollimatorlinse 5 und ein Interferenzfilter 6, das die D2-Linie von 7800 AE unterdrückt, aber die D1-Linie bei 7948 AE durchläßt, so daß das optische Pumpen in den Absorptionszellen 3 und 4 verbessert wird. Ein Zirkularpolarisator 7 ist vor jeder der Absorptionszellen vorgesehen, um eine unterschiedliche Unterniveau-Absorption in den Zellen 3 und 4 zu bewirken, um diese optisch zu pumpen.In short, the magnetometer has an electrodeless discharge lamp T which is excited with RF from an excitation oscillator 2. The discharge lamp bulb 1 is filled with natural rubidium vapor which is mixed with an ignition medium such as krypton gas. The lamp is described in more detail in US Pat. No. 3,110,960. The optical pump light emerging from the lamp is sent in two directions through two absorption cells 3 and 4, respectively. Each of the two oppositely directed light beams successively passes through a collimator lens 5 and an interference filter 6, which suppresses the D 2 line of 7800 AU, but allows the D 1 line to pass through at 7948 AU, so that the optical pumping in the absorption cells 3 and 4 is improved will. A circular polarizer 7 is provided in front of each of the absorption cells in order to effect a different sublevel absorption in the cells 3 and 4 in order to optically pump them.
Die Absorptionszellen 3 und 4 enthalten Rubidiumdampf, der vorzugsweise isotopenmäßig hinsichtlich entweder Rubidium oder Rubidium 87 angereichert ist, und mit einem Puffergas gemischt ist, beispielsweise Neon, um desorientierende Wand-The absorption cells 3 and 4 contain rubidium vapor, which is preferably isotopic with respect to either rubidium or rubidium 87, and mixed with a buffer gas, e.g. neon, to prevent disorienting wall
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kollisionen zu reduzieren, so daß lange Relaxationszeiten und entsprechend enge Linienbreiten hervorgerufen werden, wie sie für hohe Empfindlichkeit erforderlich sind. Im Falle von Rubidium 85 wird der polarisierte und gefilterte Lichtstrom mit einer Präzeasionsfrequenz (Zeeman-Resonanzfrequenz) von etwa 4,66 Zyklen pro Gamma des gemessenen Magnetfeldes moduliert, und im Falle von Rubidium 87 beträgt die Präzessionsfrequenz etwa 7,00 Zyklen pro Gamma (1 Gamma = 10~*^Gauss). Beispielsweise beträgt im durchschnittlichen Erdfeld von 0,5 Gauss die Präzessionsfrequenz von Rubidium 85 etwa 233 kHz.reduce collisions so that long relaxation times and correspondingly narrow line widths are caused, as required for high sensitivity. In the case of Rubidium 85, the light flux is polarized and filtered with a precession frequency (Zeeman resonance frequency) of about 4.66 cycles per gamma of the measured magnetic field modulated, and in the case of Rubidium 87, the precession frequency is about 7.00 cycles per gamma (1 gamma = 10 ~ * ^ gauss). For example, in the average earth field of 0.5 Gauss the precession frequency of Rubidium 85 is about 233 kHz.
Dieser intensitätsmodulierter Lichtstrahl wird nach dem Durchtritt durch die entsprechenden Absorptionszellen 3 oder 4 mit einer Fokusäerlinse 8 auf eine entsprechende Fotozelle 9 fokussiert. Die Intensitätsmodulation des auf die Fotodetektorzelle 9 auftreffenden Lichtes wird mit den Fotozellen 9 in ein wechselndes elektrisches Signal der gleichen Frequenz umgewandelt. Diese elektrischen Wechselsignale werden jeweils in Verstärkern 11 bzw. 12 verstärkt und in kreuzgekoppelter Beziehung zu den Absorptionszellen 4 bzw. 3 zurückgekoppelt, und zwar über entgegengesetzt gewickelte, koaxiale HF-Spulen 13 in Form eines magnetischen Viechseifeld·«, Dieses hochfrequente Magnetfeld hält eine erzwungene Präzession der Rubidiumatome aufrecht, so daß eine sich selbst unterhaltende Schwingung bei einer Frequenz hervorgerufen wird, die proportional der Stärke des gemessenen unidirektionalen Magnetfeldes ist. Zwischen den Verstärkern 11 und 12 und der entsprechenden HF-Spule 13 sind .Begrenzer 14 vorgesehen, um die Amplitude des kreuzweise rückgekoppelten elektrischen Signals zu begrenzen.This intensity-modulated light beam is after passing through through the corresponding absorption cells 3 or 4 with a focus lens 8 focused on a corresponding photocell 9. The intensity modulation of the light impinging on the photodetector cell 9 is integrated with the photocells 9 alternating electrical signal of the same frequency converted. These alternating electrical signals are each in Amplifiers 11 and 12 are amplified and fed back in a cross-coupled relationship to the absorption cells 4 and 3, respectively, and Although via oppositely wound, coaxial RF coils 13 in the form of a magnetic Viechseifeld · «, this high-frequency Magnetic field maintains a forced precession of the rubidium atoms so that a self-sustaining vibration is maintained a frequency which is proportional to the strength of the measured unidirectional magnetic field. Between Amplifiers 11 and 12 and the corresponding RF coil 13 are .Blimer 14 provided to the amplitude of the cross-fed back electrical signal limit.
Eine Probe der Selbstschwingungsfrequenz wird am Ausgang des Verstärkers 11 abgenommen und einer Ablesung 20 zugeführt, beispielsweise einem Zähler oder dgl., um einen Ausgang proportional der Intensität des Magnetfeldes zu erhalten.A sample of the self-oscillation frequency is taken from the output of the amplifier 11 and fed to a reading 20, for example a counter or the like. To obtain an output proportional to the intensity of the magnetic field.
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In Fig. 2 sind die Umhüllenden' 17 bzw. 18 der Zeeman- oder Larmor-Resonanzlinie der Quantensysteme (Rubidiumatome) in Zellen 3 bzw. 4 dargestellt. Das Magnetometer schwingt bei einer Selbstschwingungsfrequenz entsprechend einer Überlappung der Umhüllenden 17 und 18 der beiden Zellen 3 bzw. 4. Für den Spezialfall, in dem die elektronische und/oder optische Phasenverschiebung um die geschlossene Schwingungsschleife null ist, liegt die Selbstschwingungsfrequenz bei Oq, wo beide Linien 17 und 18 die gleiche absolute Neigung haben. Durch die große Schwierigkeit, eine präzise hochfrequenzmäßige und optische Ausrichtung der beiden Absorptionszellen 3 und 4 zu erhalten, beträgt die Phasenverschiebung um die Schleife im allgemeinen nicht null, und deshalb liegt die Selbstschwingungsfrequenz an einem Punkt wie beispielsweise \> ', wo die Neigung der beiden Umhüllenden 17 und 18 nicht gleich ist. Da die unerwünschten Phasenverschiebungen in der Schwingungsschleife von der Orientierung der Zellen 3 und 4 im zu messenden Magnetfeld abhängt, ergibt sich, also ein unerwünschter Einstellfehler, und es ist erwünscht, diesen zu eliminieren.In FIG. 2, the envelopes 17 and 18 of the Zeeman or Larmor resonance line of the quantum systems (rubidium atoms) in cells 3 and 4 are shown. The magnetometer oscillates at a self-oscillation frequency corresponding to an overlap of the envelopes 17 and 18 of the two cells 3 and 4. For the special case in which the electronic and / or optical phase shift around the closed oscillation loop is zero, the self-oscillation frequency is at Oq, where both Lines 17 and 18 have the same absolute slope. Due to the great difficulty in obtaining a precise high-frequency and optical alignment of the two absorption cells 3 and 4, the phase shift around the loop is generally not zero, and therefore the self-oscillation frequency is at a point such as \> 'where the inclination of the two Envelopes 17 and 18 are not the same. Since the undesired phase shifts in the oscillation loop depends on the orientation of the cells 3 and 4 in the magnetic field to be measured, there is thus an undesirable adjustment error and it is desirable to eliminate this.
In Fig. 3 ist graphisch der Zusammenhang zwischen ν' -wu (Einstellfehler) und der Phasenverschiebung um die Schwingungsschieife dargestellt. Der Einstellfehler ist als Kurve 19 in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung dargestellt.In Fig. 3 is graphically the relationship between ν '-wu (Setting error) and the phase shift around the oscillation loop. The setting error is as a curve 19 shown as a function of the phase shift.
In Fig. 2 ist zu erkennen, daß eine der Selbstschwingungsfrequenz· . v" überlagerte Frequenz-(Phasen-)Modulation Amplitudenmodulationssignale in jeder der de'tektierten Zeeman-Resonanz-Linien-Signale hervorruft. Die Amplituden der Intensitätsmodulationssignale sind proportional der Neigung der jeweiligen Zeeman-Resonanzlinien-Umhüllenden bei der Selbstschwingungsfrequenz. Erfindungsgemäß werden also die Inten-In Fig. 2 it can be seen that one of the self-oscillation frequency . v "superimposed frequency (phase) modulation amplitude modulation signals in each of the defected Zeeman resonance line signals evokes. The amplitudes of the intensity modulation signals are proportional to the slope of the respective Zeeman resonance line envelopes at the self-oscillation frequency. According to the invention, therefore, the
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sitätsmodulationssignale miteinander verglichen, um ein Difisrenzsignal zu bilden, und das Differenzsignal wird dazu verwendet, die Phasenverschiebung um die geschlossene .Schwingungsschleife einzustellen, so daß die gesamte Phasenverschiebung, die um die Schwingungsschleife herum auftritt, d. h. die, die durch die optischen und elektronischen Fehlausrichtungen hervorgerufen wird, durch eine elektronische Phasenverschiebung ausgelöscht wird, die in die Schleife eingeführt wird, so daß die Selbstschwingungsfrequenz auf eine Frequenz entsprechend \) Q korrigiert wird, so daß unerwünschte Einstellfehler durch elektronische und optische Fehlausrichtung im wesentlichen minimiert werden.Sitätmodulationssignale compared to each other to form a difference signal, and the difference signal is used to adjust the phase shift around the closed .Schwingungsschleife so that all of the phase shift that occurs around the oscillation loop, ie that caused by the optical and electronic misalignments is canceled by an electronic phase shift introduced into the loop so that the self-oscillating frequency is corrected to a frequency corresponding to \) Q so that undesirable adjustment errors from electronic and optical misalignment are substantially minimized.
Der automatische Phasenkorrektur teil der Schaltung ist in Fig. 1 unterhalb der'unterbrochenen Linie 21 dargestellt. Ein spannungsvariabler Phasenschieber 22 liegt in Reihe mit der geschlossenen Zeeman-Resonanz-Schwingungsschleife, indem der Phasenschieber zwischen Verstärker 12 und Begrenzer 14 geschaltet ist. Ein niederfrequenter Bezugsoszillator 23, dessen Frequenz kleiner ist als jede der Bandbreiten für halbe Leistung der Zeeman-Resonanz-Umhüllenden, liefert ein Modulationssignal von beispielsweise 30 Hz in den Phasenschieber 22, um die Phase (Frequenz) des Selbstschwingungssignals in der geschlossenen elektrischen Schleife zu modulieren.The automatic phase correction part of the circuit is shown in FIG. 1 below the broken line 21. A voltage variable phase shifter 22 is in series with the closed Zeeman resonance oscillation loop by the phase shifter is connected between amplifier 12 and limiter 14. A low-frequency reference oscillator 23, whose frequency is less than each of the bandwidths for half power of the Zeeman resonance envelope, provides a modulation signal of, for example, 30 Hz into the phase shifter 22 to the phase (frequency) of the self-oscillating signal to modulate in the closed electrical loop.
Diese Phasenmodulation ruft eine entsprechende Frequenzmodulation der Selbstschwingungsfrequenz hervor, die ihrerseits eine entsprechende Amplitudenmodulation jedes der Zeeman-Resonanz-Signale hervorruft, die in den Detektoren 9 detektiert wird, wie durch die Signale 24 und 25 in Fig. 2 dargestellt ist. Diese amplitudenmodulierten Signale 24 und 25 werden vomThis phase modulation causes a corresponding frequency modulation of the self-oscillation frequency, which in turn a corresponding amplitude modulation of each of the Zeeman resonance signals which is detected in the detectors 9, as shown by the signals 24 and 25 in FIG is. These amplitude-modulated signals 24 and 25 are from
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Ausgang der Verstärker 11 bzw. 12 abgenommen und dem Eingang der jeweiligen Amplitudenmodulationsdetektoren 26 und 27 zugeführt, um die entsprechenden Modulationskomponenten 24 und 25 vom Selbstschwingungssignal zu trennen. Die detektierten Amplitudenmodulationssignale 24 und 25 werden einem Summierverstärker 28 zugeführt, wo sie mit 180° Phasenversetzung summiert werden, um einen Differenzaμsgang bei der Modulationsfrequenz des Bezugsoszillators 23 zu erhalten.Output of the amplifier 11 and 12 removed and the input of the respective amplitude modulation detectors 26 and 27 are supplied to the respective modulation components 24 and 25 from the self-oscillation signal separate. The detected amplitude modulation signals 24 and 25 are fed to a summing amplifier 28, where they are summed up with 180 ° phase shift to produce a differential response at the modulation frequency of the Obtain reference oscillator 23.
Der .Differenzsignalausgang des Summierverstärkers 28 wird einem Eingang eines Phasendetektors 29 zugeführt, um phasenmäßig gegen das Modulationssignal vom Bezugso'szillatorThe difference signal output of the summing amplifier 28 is fed to an input of a phase detector 29 in order to phase against the modulation signal from the reference oscillator
23 gleichgerichtet zu werden, so daß ein Gleichstrom-Abweichungssignal gebildet wird, dessen Amplitude der Größe der Frequenzdifferenz zwischen der Selbstschwingungsfrequenz v" und der gewünschten Selbsts.chwingungsfrequenz ^0 entspricht, und ein Vorzeichen (Phase) entweder + oder - hat, je nach dem, ob V1 über oder unter der gewünschten Frequenz null liegt.23 to be rectified, so that a direct current deviation signal is formed, the amplitude of which corresponds to the magnitude of the frequency difference between the self-oscillation frequency v "and the desired self-oscillation frequency ^ 0 , and a sign (phase) either + or -, depending on the whether V 1 is above or below the desired frequency zero.
Das Abweichungssignal wird einem Integrator 31 zugeführt, der das Abweichungssignal integriert, um eine ansteigende Spannung zu bilden, die dem Phasenschieber 22 zugeführt wird, so daß die Phase des Selbstschwingungssignals in einer Richtung verschoben wird, die durch die Polarität der Abweichungsspannung vorgegeben ist, bis die gewünschte Phasenverschiebung im Rest der Schleife subtrahiert ist. Zu diesem Zeitpunkt ist O1 gleich ■» Q ,und die beiden IntensitatsmodulationssignaleThe deviation signal is fed to an integrator 31 which integrates the deviation signal to form a rising voltage which is fed to the phase shifter 22 so that the phase of the self-oscillation signal is shifted in a direction determined by the polarity of the deviation voltage until the desired phase shift in the rest of the loop is subtracted. At this point in time, O 1 equals ■ »Q , and the two intensity modulation signals
24 und 25 haben gleiche Amplituden, und ihre Summe wird zu null, so daß keine weitere Verschiebung der elektronischen Phase in der geschlossenen Zeeman-Resonanz-Schleife erfolgt.24 and 25 have equal amplitudes and their sum becomes zero, so that there is no further shift of the electronic phase in the closed Zeeman resonance loop.
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\Ιθώώ. zunächst eine anfängliche Phasenverschiebung oder Einstellung des Phasenschiebers 22 von 0° angenommen wird, erfordert das Magnetometer nur einige Millisekunden, um Schwingungen bei einer Frequenz zu starten, die nur um den restlichen Einstellfehler plus dem Resultat kleiner elektronischer Phasenverschiebungen fehlerhaft sind. Der Teil des Frequenzfehlers, der durch elektronische Phasenverschiebungen und Fehlausrichtungseffekte hervorgerufen wird, wird zu einem späteren Zeitpunkt korrigiert, der durch die Zeitkonstante der Korrekturschleife bestimmt ist. Da die Korrekturschleife nur mit einer Geschwindigkeit reagieren muß, die der Drehzahl des Magnetometers vergleichbar ist, kann die Bandbreite der Schleife auf einen Bruchteil eines Hz beschränkt werden, um die Einführung von Rauschen zu minimieren. Abweichend von Magnetometern mit Wobbelung reduziert eine Schmalbandigkeit der Korrektur die Ansprechzeit des Magnetometers auf schnelle Feldänderungen nicht. \ Ιθώώ. an initial phase shift or setting of the phase shifter 22 of 0 ° is initially assumed, the magnetometer only requires a few milliseconds to start oscillations at a frequency which is only defective by the remaining setting error plus the result of small electronic phase shifts. The part of the frequency error caused by electronic phase shifts and misalignment effects is corrected at a later point in time which is determined by the time constant of the correction loop. Since the correction loop need only react at a speed comparable to the speed of the magnetometer, the bandwidth of the loop can be limited to a fraction of a Hz in order to minimize the introduction of noise. In contrast to magnetometers with wobble, narrow-band correction does not reduce the response time of the magnetometer to rapid field changes.
Ein unerwünschtes Merkmal der beschriebenen Phasenkorrekturschleife ist die Frequenzmodulation, die in die Selbstschwingungsfrequenz eingeführt wird, die in der Ablesung 20 abgelesen wird. Wenn eine direkte analoge Aufzeichnung als Ablesung 20 verwendet wird, kann ein Tiefpaßfilter verwendet werden, um die Modulationsfrequenz zu sperren, so daß die Ablesung nicht auf die Modulationsfrequenz anspricht. Wenn ein Frequenzzähler verwendet wird, kann der niederfrequente Bezugsoszillator 23 durch Signale vom Zähler ersetzt werden, das Signal vom Zähler würde in einem solchen Falle eine geeignete Harmonische der Reziproken der Gatterperiode sein, die innerhalb des Zählers verwendet wird. Auf diese Weise tritt eine ganzzahlige Anzahl von PhasenmodulationszyklenAn undesirable feature of the phase correction loop described is the frequency modulation that translates into the self-oscillating frequency which is read in reading 20. If a direct analog record as a reading 20 is used, a low pass filter can be used to block the modulation frequency so that the Reading does not respond to the modulation frequency. If a frequency counter is used, the low frequency Reference oscillator 23 can be replaced by signals from the counter; the signal from the counter would be a suitable one in such a case Be the harmonics of the reciprocal of the gate period used within the counter. In this way occurs an integer number of phase modulation cycles
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während der Zählung auf, so daß die unerwünschte Frequenzmodulation der Selbstschwingungsfrequenz im Wähler 20 auf null gemittelt wird. Wenn eine Periodenmessung der Larmor-Frequenz gemacht wird, kann die gleiche Mittelwertbildung dadurch erreicht werden, daß ein heruntergeteiltes Larmor-Signal dazu verwendet wird, den Bezugsoszillator 23 zu ersetzen. Für eine typische Periodenmessung wird die Zählung tatsächlich für eine große Anzahl von Signalperioden durchgeführt. Die Gesamtzählung hängt vom Zeitintervall zwischen dem ersten und letzten Nulldurchgang des Signals ab. Wenn eine ganzzahlige Anzahl von Frequenzmodulationszyklen während dieses Zählintervalls auftritt, beeinflußt die Modulation den relativen Zeitabstand des ersten und letzten Nulldurchganges nicht.during the count on, so that the unwanted frequency modulation the self-oscillation frequency is averaged to zero in the selector 20. If a period measurement the Larmor frequency is made, the same averaging can be achieved by dividing a Larmor signal is used to replace the reference oscillator 23. For a typical period measurement the count is actually carried out for a large number of signal periods. The total count depends on the time interval between the first and last zero crossing of the signal. If an integer Number of frequency modulation cycles during this counting interval occurs, the modulation affects the relative time interval between the first and last Zero crossing not.
Der Zeeman-Resonanz-Dampf (Quantensysteme) braucht nicht auf Rubidiumdampf beschränkt zu sein, sondern kann andere Resonatoren wie Cs, K und andere Quantensystem-Resonatoren umfassen, die magnetfeldabhängige Quantenübergänge zeigen.The Zeeman resonance vapor (quantum systems) does not need to be limited to rubidium vapor but can include other resonators such as Cs, K and other quantum system resonators which show magnetic field dependent quantum transitions.
409849/0295409849/0295
Claims (1)
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