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Pumplichtmagnetometer mit einer einen Alkalidampf
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enthaltenden Zelle
Pumplichtmagnetometer mit einer
einen Alkalidampf enthaltenden Zelle Die Erfindung geht aus von einem Pumplichtmagnetometer
nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Ein derartiges Pumplichtmagnetometer ist aus der DE-OS 20 10 334 bekannt,
bei der Magnetfelder durch Einstrahlung polarisierten Resonanzlichtes in einen atomaren
Alkalidampf gemessen werden. Dabei werden durch das optische Pumpen Zeemann-Niveaus
der atomaren Zustände unterschiedlich bevölkert. Die Absorption von optischer Strahlung
der Pumpfrequenz bewirkt eine Ansammlung von Atomen in einem bestimmten Zustand,
von wo sie nicht mehr angeregt werden können. Daher stehen für den Pumpprozeß nicht
mehr so viele absorbierende Atome zur Verfügung, so daß der Transmissionsgrad des
Alkalidampfes größer wird. Durch Einstrahlung eines Magnetfeldes mit den Zeemann-Resonanzfreguenzen
wird diese
Änderung der Durchlässigkeit infolge der unterschiedlichen
Besetzung der Zeemann-Niveaus wieder aufgehoben. Mit Hilfe der Messung dieser Resonanzfrequenzen
ist eine präzise Bestimmung des Magnetfeldes möglich.
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Bei der bekannten Anordnung wird als Pumplichtquelle eine Spektrallampe
verwendet, die die Spektrallinien D1 und D2 aussendet. Diese beiden Linien addieren
ihre Wirkungen zwar bezüglich des optischen Pumpens, aber beim optischen Nachweis
der Strahlungsübergänge treten entgegengesetzte Wirkungen auf. Daher muß eine der
Spektrallinien eliminiert werden.
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Dies geschieht mit einem Interferenzfilter, das zwischen Empfänger
und Gas zelle angeordnet ist. Da das Interferenzfilter einen kleinen Transmissionsgrad
aufweist, wird die Empfindlichkeit der Anordnung herabgesetzt. Außerdem ist ein
Interferenzfilter in der Herstellung sehr teuer. Durch die Verwendung einer Spektrallampe
mit verhältnismäßig hoher Leistungsaufnahme wird der Aufbau eines Pumplichtmagnetometers
sehr platzaufwendig. Weiterhin weisen die Spektrallampen nur geringe spektrale Energiedichte
auf, die durch die Dopplerverbreiterung der zum optischen Pumpen benötigten Spektrallinie
durch die hohe Temperatur und die damit verbundene große Geschwindigkeit der strahlenden
Atome des leuchtenden Plasmas weiter -eingeschränkt wird. Die Spektrallampen sind
schlecht fokussierbar, da die Abstrahlfläche des Plasmavolumen groß ist und aus
Gründen der Energiebilanz und der Linienverbreiterung nicht beliebig verkleinert
werden kann.
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Zur Erzeugung eines optimalen Dampfdruckes ist eine hohe Betriebstemperatur
mit all den bekannten Nachteilen notwendig (bei Rubidium ca. 135 0C). Die Spektrallampen
weisen eine hohe Verlustleistung und eine geringe Lebensdauer (c1000 h) auf.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Pumplichtmagnetometer zu schaffen,
das nur einen kleinen Aufbau, einen verbesserten Wirkungsgrad und eine längere Lebensdauer
aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 und des Nebenanspruchs 3 im Zusammenhang mit dem Oberbegriff gelöst.
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Die Verwendung eines Halbleiterlasers oder einer Lumineszenzdiode
erlaubt in Verbindung mit der geringen Leistungsaufnahme die Konstruktion eines
sehr kleinen Gerätes.
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-Laser-und Lumineszenzdiode haben eine hohe spektrale Energiedichte
wegen der Konzentration der optischen Ausgangsleistung in einem schmalen Wellenlängenbereich
(beim Laser ungefähr 3 nm und bei der Lumineszenzdiode ungefähr 20 nm). Durch die
annähernd punktförmige Strahlungsquelle weisen Laser und Lumineszenzdiode eine gute
Fokussierbarkeit auf, wobei sie aufgrund ihrer Strahl- bzw.
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Lichtstärkeverteilung in einem kleinen Raumwinkel abstrahlen. Da der
Wellenlängenbereich der Strahlung sehr klein ist, sind keine Filter, insbesondere
keine teuren Interferenzfilter notwendig. Laser und Lumineszenzdiode
weisen
eine geringe Betriebstemperatur (ungefähr 40°C) und zu ihrem Betrieb ist ein nur
niederfrequenter Wechselstrom erforderlich.
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Die Lebensdauer ist sehr hoch, die des Lasers beträgt > 10000
h, die der Lumineszenzdiode 7 50000 h. Ein weiterer Vorteil ist, daß sowohl Laser
als auch Lumineszenzdiode preisgünstiger sind als eine Spektrallampe.
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Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß durch
die geometrische Anordnung der Stromzuführung zu der Lichtquelle Störmagnetfelder
ausgeschaltet werden. Da bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Pumplichtquelle
eine wesentlich größere modulierte optische Strahlungsleistung auf den Empfänger
fällt und als elektrisches Signal zur Verfügung steht, kann der aktive Verstärker,
der ebenfalls magnetische Störfelder erzeugt und deshalb stets in einiger Entfernung
zum eigentlichen Magnetfeldsensor betrieben wird, in noch größerem Abstand zum Sensor
angeordnet werden, und es kann auf eine doppelte Abschirmung des Signalpfades zur
Sensorelektronik verzichtet werden. Dies bringt den besonderen Vorteil mit sich,
daß für geophysikalische Untersuchungen bei Prospektion, zum Beispiel in der Lagerstättenerkundung
oder in der Archäometrie, mehrere äquidistant angeordnete Sensoren als sogen.
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Array an demselben Gehäuse mit multipler Elektronik betrieben werden
kann und sich damit die Möglichkeit ergibt, eine Vielzahl räumlich getrennter Messungen
gleichzeitig vorzunehmen,
wodurch im selben Zeitraum ueber ein
größeres Gebiet gemessen werden kann.
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Das erfindungsgemäße Pumplichtmagnetometer ist in'der Zeichnung dargestellt,
und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die
erfindungsgemäße Pumplichtquelle in Hybridschaltung mit Versorgungsteil; Fig. 2
ein erstes Ausführungsbeispiel für die Schaltung eines Pumplichtmagnetometers; und
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Schaltung eines Pumplichtmagnetometers.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Hybridschaltung ist auf einem Kupferkühlkörper
1 eine als Laser oder Lumineszenzdiode ausgebildete Halbleiterdiode angeordnet.
Auf ein Keramiksubstrat 3 sind vier Gleichrichter 4,5,6,7 als Brückengleichrichter
geschaltet vorgesehen, wobei die Anschlüsse zur Wechselstromquelle über die Leiterbahnen
8 und 9 vorgenommen werden.
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Die Leiter bahnen sind in der Zeichnung nicht vollständig dargestellt,
da die Hybridschaltung mehrere Schichten aufweist. In die Rückführungszweige von
der Halbleiterdiode 2 zu den entsprechenden Gleichrichtern 4,5 bzw. 6,7 sind Symmetrieswiderstände
10, 11 geschaltet.
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Da mit der Magnetometeranordnung ein äußeres Magnetfeld gemessen
werden soll, dürfen keineGleichanteile magnetischerstörfelder auftreten. Damit das
durch den Gleichstrombetrieb der Halbleiterdioden entstehende magnetische Feld nicht
störend in Erscheinung tritt, wird die Lumineszenzdiode bzw. der Laser mit einem
gleichgerichteten Wechselstrom geeigneter Frequenz betrieben. Dazu ist entsprechend
Fig. 1 unmittelbar gegenüber der auf dem Kühlkörper 1 angeordneten Laser- bzw. Lumineszenzdiode
2 der schnelle Brückengleichrichter 4,5,6,7 geringer Abmessung angebracht, der die
Lumineszenz- bzw. Laserdiode über den Gleichspannungsbrückenzweig so speist, daß
sich die durch Hin- und Rückstrom entstehenden Magnetfelder aufheben. Bei sehr hohen
Anforderungen an die Genauigkeit der Magnetfeldmeßeinrichtung kann ein Feinabgleich
durch Ändern der Stromverteilung durch Lasertrimmen oder Sandstrahlen der in den
Rückführungszweigen enthaltenen Symmetrierwiderständen 10,11 vorgenommen werden,
so daß magnetisch neutraler Betrieb erreicht werden kann.
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Da sich die von der Lumineszenz- bzw. Laserdiode abgegebene Strahlung
sehr gut fokussieren läßt, kann die Resonanzzelle in so großem Abstand zur Pumplichtquelle
angeordnet werden, daß das Fernfeld des im Brückenzweig der Gleichrichterbrücke
4, 5, 6, 7 möglicherweise nicht exakt kompensierten Dipolfeldes des Laser- bzw.
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Lumineszenzdioden-Versorgungsstromes, das proportional zur dritten
Potenz der Entfernung abnimmt, beliebig klein gemacht werden kann,
ohne
eine störende Verringerung des Photostromes hinnehmen zu müssen.
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Die Anordnung nach Fig. 1 läßt sich als Hybridschaltkreis oder als
Dünnfilmschaltkreis mit integriertem Laserchip auf einem Kühlkörper aufbauen.
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In Fig. 2 und 3 sind zwei schaltungsmäßige Ausgestaltungen des Pumplichtmagnetometers
dargestellt. Dabei sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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Die Pumplichtguelle entsprechend Fig. 1 ist mit 20 bezeichnet. Zum
Fokussieren der Strahlung ist eine Linse 21 vorgesehen, der ein Zirkularpolarisator
22 nachgeschaltet ist. In dem Strahlengang sind weiterhin eine einen Alkalidampf
enthaltende Resonanz zelle 23 und eine weitere Linse 24 angeordnet.
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Ein licht- bzw. strahlungsempfindlicher Empfänger 25, der zum Beispiel
als Photoelement ausgebildet sein kann, empfängt die Strahlung und wandelt sie in
ein elektrisches Signal um. Die Richtung des zu messenden magnetischen Feldes, die
mit den Pfeilen 26 angedeutet ist, verläuft parallel zur optischen Achse der Anordnung.
Die Einstrahlung eines Hochfrequenzfeldes H1 (t) senkrecht zu dem zu messenden magnetischen
Feld Ho erfolgt über eine senkrecht zur Resonanzzelle 23 und damit senkrecht zu
Ho angeordnete Spule 27, die von einem spannungsgesteuerten Oszillator 28 gespeist
wird. Der Empfänger 25 ist an einen Verstärker 29, der als Lock in Verstärker ausgebildet
ist, angeschlossen, dessen Ausgang
mit dem spannunSsgesteuerten
Oszillator 28 in Verbindung steht. Weiterhin ist ein Modulator 30 vorgesehen, der
den Verstärker 29 und den Oszillator 28 ansteuert.
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Wenn die Resonanz zelle 23 als Rubidium-oder Caesiumgaszelle ausgebildet
ist, strahlt die Pumplichtquelle 20 vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 780 nm,
794,8, 852,1 nm oder 894,4 nm ab. Die Strahlung wird von der Linse 21 fokussiert
und durch den Zirkularpolarisator 22 vorzugsweise rechts zirkular polarisiert. Die
Resonanz zelle wird durch Einstrahlung des Resonanz lichtes optisch gepumpt, das
heißt, es erfolgt eine Umverteilung der Besetzungszahlen von Energieniveaus des
in der Zelle 23 enthaltenen atomaren Quantensystems durch Absorption der Strahlung.
Gleichzeitig wird das Hochfrequenzfeld H1 senkrecht zu dem zu messenden Feld Ho
über die Spule 27 eingestrahlt. Wenn die Frequenz des Hochfrequenzfeldes der Energiedifferenz
der Zeemann-Niveaus entspricht, wird die Magnetisierung aufgehoben, es entsteht
eine Wiedergleichbesetzung der betreffenden Unterniveaus und damit eine Transmissionsgradänderung
des Pumplichtes. Der Empfänger 25 mißt die von der Resonanzzelle 23 durchgelassene
Strahlung und wandelt sie in ein elektrisches Signal um. Die auftretende Transmissionsgradänderung
wird also vom Empfänger 25 wahrgenommen. Durch Nachführen der Frequenz des Oszillators
28 auf das Minimum der vom Empfänger 25 empfangenen Strahlung über ein vom Ausgangssignal
gewonnenes
Regelsignal wird bei Magnetfeldänderungen die automatische
Einstellung der Resonanz erreicht.
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Aus der Frequenz, bei der der Transmissionsgrad der Resonanzzelle
23 ein Minimum aufweist, läßt sich das entsprechende Magnetfeld bestimmen.
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Fig. 3 zeigt ein selbstschwingendes Magnetometer.
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Bei dieser Anordnung liegt das zu messende magnetische Feld Ho, wie
durch den Pfeil 33 angedeutet, schrägt zur optischen Achse. Die mit dem Empfänger
25 empfangene Strahlung wird in dem Verstärker 30 verstärkt und über einen 900-Phasenschieber
31 in der Phase verschoben und auf die Spule 32 gegeben. Die Anordnung schwingt
mit der Ubergangsfreguenz (Larmorfrequenz) und Magnetfeldänderungen werden direkt
in Frequenzänderungen umgesetzt.
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Das Pumplichtmagnetometer kann auch in einer Doppelzellenanordnung
aufgebaut sein. Dabei werden die beiden Strahlrichtungen eines Lasers zum optischen
Pumpen ausgenutzt, d.h., in jede seiner Abstrahlrichtungen ist eine Resonanz zelle
23 bzw. eine von Fig. 3 abgewandelte Anordnung vorgesehen. Diese Doppelzellenanordnung
hat den Vorteil, daß Einstellfehler minimiert werden, da kein 90° -Phasenschieber
notwendig ist, dessen Phasenverschiebung im allgemeinen frequenzabhängig ist und
damit eine Frequenzverschiebung des Larmorsignals hervorruft, wenn unterschiedliche
Magnetfelder gemessen werden. Zusätzlich werden asymmetrische Resonanzeffekte in
der Absorption aufgehoben, was größere Linearität bei der Messung verschiedener
Magnetfelder bedeutet.
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