JP2012068251A

JP2012068251A - 原子機能（ａｔｏｍｉｃ−ｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｇ）装置を較正する方法

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Publication number: JP2012068251A
Application number: JP2011209828A
Authority: JP
Inventors: Le Purdue Matthew; ルプラドマシュー; Leger Jean-Michel; レジェジャン−ミシェル
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2012-04-05
Also published as: US20120062221A1; FR2964476A1; EP2426563B1; EP2426563A1; FR2964476B1; US8917091B2

Abstract

【課題】光ビームの光ポンピングを用い、電磁コイルを備える原子機能装置を較正する方法を提供する。
【解決手段】光ポンピングされるヘリウムを充填したセル４を通過する光ビーム２を備える装置を較正する方法であって、本方法は、原子時計、磁力計、又はジャイロスコープ等の装置の電磁コイル６、７、８の自動較正を、コイルに電流を順次注入して、コイルのそれぞれの伝達係数（磁場／電流）及びそれらが形成する実角度を非常に高精度に計算するために誘起した磁場を測定することにより、実行することを可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明の主題は、原子機能装置、すなわち光ビームの光ポンピングを用い、電磁コイルも備える原子機能装置を較正する方法であり、この装置は、原子時計、磁力計、又はジャイロスコープであり得る。

電磁コイルは、磁気測定の実施又は人工磁場の生成のために、このような装置において様々な方法で用いられる。正確な結果を得るために、コイルの非常に精密な制御が必要であることが多い。コイルの較正には、伝達関数、すなわちコイルを通る電流に応じてコイルに誘起される磁場の割合と、基準方向に対するこの磁場の方向とが含まれる。

コイルにより誘起される磁場の特性を較正するのに付加的な装置を用いない、したがって自動較正を実行する較正法を、ここでは提案する。

包括的な形態では、本発明は、３つの電磁コイルと、ガス状媒体を光ポンピングする光ビームとを備える装置を較正する方法であって、コイルのゲイン係数及びコイル間の角度を求めることを含み、装置は、
測定媒体を充填したセルと、
測定媒体を光ポンピングする光ビームと、
それぞれがセルに対して軸方向に磁場を発生する３つの電磁コイルと、
を備えることを特徴とし、
本方法は、
各コイルに少なくとも１つの電流（ｉ_ｘ、ｉ_ｙ、ｉ_ｚ）を順次注入するステップと、
コイルのそれぞれが発生した磁場を測定するステップと、
各コイルのゲイン係数（Ｔ）を求めるステップと、
上記電流の組み合わせ（ｉ_ｘｉ_ｙ；−ｉ_ｘｉ_ｙ；−ｉ_ｘ−ｉ_ｙ；ｉ_ｚ−ｉ_ｙ）の少なくとも２つの異なる状態に従って、各コイル対のコイルに電流を、例えば対の一方のコイルに２つの電流及び対の他方のコイルに少なくとも１つの電流を、同時注入するステップと、
上記電流の組み合わせにより発生した磁場を測定するステップと、
コイル間の少なくとも１つの角度（α、θ、γ）を求めるステップと、
を含むことを特徴とする、方法に関する。

本発明のこの包括的な形態は、周辺磁場を無視するか、遮蔽により停止するか、又は人工磁場若しくは逆磁場の生成により補償する場合に適用可能である。磁場を補償する方法は、
２つの直交する振動磁場を発生させるステップと、
コイルのそれぞれにより本質的な静磁場を発生させるステップと、
コイルのそれぞれについて発生させた上記本質的な静磁場の磁場調整により、周辺磁場を補償するステップと、
を含むことができる。

磁場が無視可能でない場合、この方法は、ゲイン係数を求めるために各コイルに２つの電流を順次注入するステップと、上記電流の組み合わせの４つの異なる状態に従って、各コイル対のコイルに電流を、例えば対のコイルのそれぞれに２つの電流を、同時注入するステップと、を含む。

有利には、磁場は、高周波の印加及びラーモア周波数でのガス状媒体の共鳴の探索により測定する。

次に、本発明を図に関連して種々の態様で詳細に説明する。

装置の全体図である。コイル間で測定した角度の定義である。

図１は、本発明の方法の実施の例である。この図１は、ビーム２を放出するレーザ１を備えるベクトル磁力計を示す。ビーム２は、直線偏光子３と、光ポンピングされるヘリウム４を充填したセル４とを順次通過する。フォトダイオード５は、セル４の中身により回復した光を集光する。装置は、３つの名目上直交する軸に磁場を供給する３つのコイル６、７、及び８と、高周波発生器９と、較正又は他の理由（周辺磁場補償、安定化磁場の生成等）のために、レーザ１と方法の要件に従ってコイル６、７、及び８を通る電流とを制御する電子カード１０とを備える。

周辺磁場を適当な強度及び方向の人工静磁場の印加により効果的に補正する装置又は方法は、仏国特許第２９２４８２６号明細書及び同第２９２４８２７号明細書といった文献に記載されており、上記文献は、その教示をここで繰り返すことができるため参照されたい。複数の電流が、異なる周波数でコイル６、７、及び８のそれぞれを交互に通り得る。高周波発生器９は、本発明において、同じくコイル６、７、及び８により、ラーモア周波数の電磁波を放出する。

以下の方程式系がここから導出される。

これにより、ｉ_ｘが既知であればＴ_ｘが直ちに求められる。

この較正フェーズ中の周辺磁場の変動の影響は、これらの交互測定を何度か繰り返すことにより弱めることができる。該当する場合、計算の精度を改善するために、周辺磁場の投影Ｂ_ｘのドリフトを推定することができる。

前述のように、他のコイル７及び８でも同じ方法が繰り返される。

３つのコイル６、７、及び８の直交性の差を求める方法を後述する。前述のように、コイル６、７、及び８が生成した人工磁場に対応するスカラー場の測定シーケンスを、ここでは必要な分解能での測定を可能にする信号振幅を保証するよう選択したコイル対の組み合わせを用いて進める。

続いて、以下の方程式系が得られ、

ここから、ｓｉｎαが直ちに導出される。

続いて、以下の方程式系が得られる。

式中、

及び

であり、
Θ及びΓ、そしてθ及びγが続いて順次導出されて、較正フェーズを閉じる。

本方法は、アルカリ又はヘリウムタイプのガスに適用することができる。偏光及び検出法は、コイルが与える磁場の方向に適応させなければならない。下記の表２に従って磁気測定条件を保証するために、それらが交互に磁場の方向に従って磁力計の異なる動作モードを有するならば、本方法を円偏光に適用することもできることに留意すべきである。最後に、本発明は、周辺磁場の振幅にも方向にも依存しないことを可能にする。

本方法は、これまで、比較的強い周辺磁場（方程式中、Ｂ_{ｘ，ｙ，ｚ}≠０）に入れた装置に関して説明してきた。これは、磁場が無視可能若しくはゼロであるか、遮蔽により停止されるか、又は上述の方法の１つにより補償されれば、簡略化される。この場合、Ｂ_{ｘ，ｙ，ｚ}≒０であり、さらに単一の電流（例えば、ｉ_ｘ及び−ｉ_ｘの代わりにｉ_ｘ又は−ｉ_ｘ）があれば、一対の方程式の系の代わりにＢ_+ｉx＝i_xＴ_ｘ等の方程式を単に解くことにより、関連のコイル、ここではコイル６のゲイン係数（Ｔ_ｘ）を求めるのに十分である。同様に、コイル間の角度は、方程式対の代わりに単一方程式により求めることができる。例えば、αを得るには（Ｂ_{ｉｘ＋ｉｙ}）^２−（Ｂ_{−ｉｘ＋ｉｙ}）^２＝４_ｉｘＴ_ｘ（−ｉ_ｙＴ_ｙ−ｉ_ｘ）で十分であり、すなわち、２つの組み合わせ状態ｉ_ｘｉ_ｙ；−ｉ_ｘｉ_ｙに従って、コイルの一方に電流ｉ_ｙを注入し、コイルの他方に２つの電流ｉ_ｘ、−ｉ_ｘを注入すれば十分である。同じことがθ及びγを求める際にも当てはまる。

表１は、各機能ブロックで用いることができる種々の技法を設定したものである。

この表の１行目は、実際は前述の例に相当する。レーザ１は、１０８３ｎｍの波長及び１ｍＷのパワーを有するＩｎＧａＡｓ型のダイオードとすることができる。セル４には、１ＴｏｒｒのＨｅ^４を充填する。これは、円筒形で、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）製であり、１０ｃｍ^３の体積を有する。２つの電極をこれに当接配置し、ヘリウムプラズマを生成する発生器９に接続する。高周波は、周波数を約２５ＭＨｚ、パワーを１００ｍＷとする。ベクトルコイル（vectorial coils）６、７、及び８は、低周波数Ｈ_ΩｃｏｓΩｔ及びＨ_ωｃｏｓωｔの２つの磁場も生成し、ここで、Ω／２π＝３ｋＨｚ、Ｂ_Ω＝５０ｎＴ、ω／２π＝２０ｋＨｚ、Ｂ_ω＝１０００ｎＴであり、周辺磁場Ｂの補償磁場も生成する。最後に、コイル６、７、及び８は、ラーモア周波数の高周波磁場も生成し、これは、光ポンピングされたガス状媒体に磁気共鳴を誘起する。正確な周波数は、測定対象の磁場の振幅に応じて変わる（ｆ＝Ｂ・γ／2π、式中、ｆは高周波磁場の周波数であり、γ／２π＝２８．０４Ｈｚ／ｎＴである）。

表２は、Ｍ_ｘ、Ｍ_ｚ、Ｂｅｌｌ＆Ｂｌｏｏｍ、及びＣＰＴという名称で当該技術分野において既知である４つの技法を示し、これらは、円偏光と共に本発明を利用することも可能にする。

Claims

測定媒体を充填したセルと、
前記測定媒体を光ポンピングする光ビームと、
それぞれが前記セルに対して軸方向に磁場を発生する３つの電磁コイル（６、７、８）と、
を備える、原子機能を有する測定装置を較正する方法であって、
前記コイルのそれぞれに少なくとも１つの電流（ｉ_ｘ、ｉ_ｙ、ｉ_ｚ）を順次注入するステップと、
前記コイルのそれぞれが発生した磁場を測定するステップと、
前記発生した磁場と前記注入した電流との比である各コイルのゲイン係数（Ｔ）を求めるステップと、
前記コイルを対に分けるステップと、
前記電流の組み合わせ（ｉ_ｘｉ_ｙ；−ｉ_ｘｉ_ｙ；−ｉ_ｘ−ｉ_ｙ；ｉ_ｚ−ｉ_ｙ）の少なくとも２つの異なる状態に従って、各コイル対のコイルに電流を、例えば前記対の一方のコイルに２つの電流、前記対の他方のコイルに少なくとも１つの電流を、同時注入するステップと、
周辺磁場を無視、遮蔽により停止、又は補償して、前記電流の組み合わせにより発生した磁場を測定するステップと、
前記コイル間の少なくとも１つの角度（α、θ、γ）を、前記測定した磁場、前記ゲイン係数、及び前記注入した電流に従って求めるステップと、
を含むことを特徴とする、方法。
請求項１に記載の方法において、異なる値の２つの電流（ｉ_ｘ、−ｉ_ｘ）を順次注入するステップと、前記コイルと共直線的な磁場の２つの対応する測定値を減算するステップとを含む、方法。
測定媒体を充填したセルと、
前記測定媒体を光ポンピングする光ビームと、
それぞれが前記セルに対して軸方向に磁場を発生する３つの電磁コイル（６、７、８）と、
を備える、原子機能を有する測定装置を較正する方法であって、
前記コイルのそれぞれに少なくとも１つの電流（ｉ_ｘ、ｉ_ｙ、ｉ_ｚ）を順次注入するステップと、
前記コイルのそれぞれが発生した磁場を測定するステップと、
前記発生した磁場と、各コイルに対する２つの電流の順次注入による前記注入した電流との比である、各コイルのゲイン係数（Ｔ）を求めるステップと、
前記コイルを対に分けるステップと、
前記電流の組み合わせの少なくとも４つの異なる状態に従って、各コイル対のコイルに電流を、例えば前記対の一方のコイルに２つの電流を、同時注入するステップと、
前記電流の組み合わせにより発生した磁場を測定するステップと、
前記コイル間の少なくとも１つの角度（α、θ、γ）を、前記測定した磁場、前記ゲイン係数、及び前記注入した電流に従って求めるステップと、
を含むことを特徴とする、方法。
請求項１又は２に記載の方法において、前記周辺磁場を補償するステップは、
前記コイルのそれぞれが発生した磁場の方向及び強度を調整するために２つの直交振動磁場を発生させるステップと、
前記コイルのそれぞれにより本質的な静地場を発生させるステップと、
前記コイルのそれぞれについて発生させた前記本質的な静地場を調整することにより、該本質的な静地場により前記周辺磁場を補償するステップと、
を含む、方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法において、各コイルが発生した磁場の測定を順次繰り返すステップを提供する、方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置を較正する方法において、磁場を、高周波の印加及びラーモア周波数でのガス状媒体の共鳴の探索により測定することを特徴とする、方法。