RU127486U1

RU127486U1 - QUANTUM Mz - MAGNETOMETER

Info

Publication number: RU127486U1
Application number: RU2012154469/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Семёнов; Сергей Викторович Ермак; Алексей Анатольевич Баранов; Роман Владимирович Смолин
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-04-27

Abstract

1. Квантовый M- магнитометр, содержащий оптический тракт, включающий источник накачки и расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляризатора, две камеры поглощения, два фотодетектора, две радиочастотные катушки, охватывающие соответствующие камеры поглощения, два модулятора, сумматор частоты, два радиочастотных генератора со схемами автоподстройки частоты (АПЧ) этих генераторов, первые выходы которых подключены к входу соответствующих модуляторов, а вторые - к входам сумматора частоты, звуковой генератор, выходы которого подключены к первым входам схем АПЧ, отличающийся тем, что перпендикулярно первому оптическому тракту установлен второй оптический тракт, включающий расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляризатора, две камеры поглощения с парами щелочного металла, два фотодетектора, две радиочастотные катушки, охватывающие соответствующие камеры поглощения, дополнительно введены два сумматора амплитуды сигналов и четыре преобразователя напряжения, фотодетекторы первого и второго оптических трактов через преобразователи напряжения попарно соединены с соответствующими сумматорами амплитуды сигналов, радиочастотные катушки первого и второго оптических трактов попарно соединены, их оси параллельны и ориентированы перпендикулярно осям оптических трактов, а выходы сумматоров амплитуды сигналов присоединены соответственно к вторым входам схем АПЧ.2. Квантовый M- магнитометр по п.1, отличающийся тем, что источник накачки выполнен в виде лазера, настроенного на один из оптических переходов атомов рабоч�1. A quantum M magnetometer containing an optical path including a pump source and two circular polarizers, two absorption chambers, two photodetectors, two radio frequency coils covering the corresponding absorption chambers, two modulators, a frequency adder, two located on the same axis symmetrically with respect to the pump source RF generators with frequency-locked loops (AFC) of these generators, the first outputs of which are connected to the input of the respective modulators, and the second to the inputs of the frequency adder, sound a new generator, the outputs of which are connected to the first inputs of the AFC, characterized in that, perpendicular to the first optical path, a second optical path is installed, including two circular polarizers, two absorption chambers with alkali metal vapors, two photodetectors, two located on the same axis symmetrically with respect to the pump source radiofrequency coils covering the respective absorption chambers, two signal amplitude combiners and four voltage converters, photodetectors of the first and second optical paths through voltage converters are paired with the respective signal amplitude adders, the radio frequency coils of the first and second optical paths are paired, their axes are parallel and oriented perpendicular to the axes of the optical paths, and the outputs of the signal amplitude adders are connected respectively to the second inputs of the AFC.2 . The quantum M magnetometer according to claim 1, characterized in that the pump source is made in the form of a laser tuned to one of the optical transitions of the working atoms

Description

Полезная модель относится к технике квантовых устройств и может быть использована в геологоразведке, сейсмологической службе, магнитокардиографии, а также в системах скрытого дистанционного обнаружения магнитных объектов.The utility model relates to the technique of quantum devices and can be used in geological exploration, seismological service, magnetocardiography, as well as in systems of hidden remote detection of magnetic objects.

К аналогам полезной модели относятся квантовые магнитометры M_z типа, в которых контролируется разность населенностей атомов рабочего вещества под действием резонансного радиочастотного поля. [Н.М.Померанцев, В.М.Рыжков, Г.В.Скроцкий, Физические основы квантовой магнитометрии, Из-во Наука, М. 1972, стр.284]. В магнитометрах M_z типа используется периодическое прохождение магнитного резонанса, для чего измеряемое магнитное поле или частота радиочастотного поля модулируется с низкой звуковой частотой. На этой частоте осуществляется усиление и фазовое детектирование сигнала фотодетектора. Выход фазового детектора при медленном прохождении резонансных условий имеет вид дисперсионной кривой, причем в центре резонанса при совпадении частоты радиочастотного поля с резонансным значением сигнал фазового детектора равен нулю. Магнитометр M_z типа содержит последовательно расположенные на одной оси источник накачки, циркулярный поляроид, камеру поглощения, охваченную радиочастотной катушкой, и приемный фотодетектор. Выход приемного фотодетектора подключен к входу избирательного усилителя, выход которого присоединен к схеме автоматической подстройки частоты (АПЧ) радиочастотного генератора, включающей звуковой генератор и модулятор. Сигнал ошибки на выходе фазового детектора осуществляет подстройку частоты радиочастотного генератора под резонансное значение. При вариациях измеряемого поля на выходе фазового детектора появляется управляющее напряжение, используемое для подстройки частоты радиополя, измеряемой частотомеромAnalogs of the utility model include M _z type quantum magnetometers, in which the difference in the populations of atoms of the working substance under the influence of a resonant radio-frequency field is controlled. [N.M. Pomerantsev, V.M. Ryzhkov, G.V. Skrotsky, Physical Foundations of Quantum Magnetometry, Izvest. Nauka, M. 1972, p. 284]. Magnetometers M _z type use periodic passage of magnetic resonance, for which the measured magnetic field or the frequency of the radio frequency field is modulated with a low sound frequency. At this frequency, amplification and phase detection of the photodetector signal is carried out. The output of the phase detector during the slow passage of the resonance conditions has the form of a dispersion curve, and in the center of the resonance, when the frequency of the radio frequency field coincides with the resonance value, the signal of the phase detector is zero. An M _z type magnetometer contains a pump source, a circular polaroid, an absorption chamber enclosed by a radio frequency coil, and a receiving photodetector sequentially located on the same axis. The output of the receiving photodetector is connected to the input of the selective amplifier, the output of which is connected to the automatic frequency control circuit (AFC) of the radio-frequency generator, including a sound generator and a modulator. An error signal at the output of the phase detector adjusts the frequency of the radio frequency generator to the resonant value. With variations in the measured field, a control voltage appears at the output of the phase detector, which is used to adjust the frequency of the radio field measured by the frequency meter

Недостатком аналогов являются ориентационные сдвиги частоты магнитометра при изменении угла между его оптической осью и вектором магнитного поля. В результате точность измерительного устройства снижается и не превышает единиц нТл.A drawback of analogues is the orientation shifts of the magnetometer frequency when the angle between its optical axis and the magnetic field vector changes. As a result, the accuracy of the measuring device decreases and does not exceed units of NT.

Ближайшим аналогом (прототипом) заявленной полезной модели является квантовый M_z - магнитометр, содержащий оптический тракт, включающий источник накачки и расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляризатора, две камеры поглощения, два фотодетектора, две радиочастотных катушки, охватывающие камеры поглощения, звуковой генератор, два радиочастотных генератора со схемами автоподстройки частоты (АПЧ) этих генераторов, два модулятора, импульсный генератор и сумматор частоты, при этом схемы АПЧ радиочастотных генераторов подключены первыми входами к выходу соответствующего приемного фотодетектора, вторыми входами к выходам звукового генератора, первыми выходами - к входу соответствующего радиочастотного генератора, выход импульсного генератора подключен к первым входам модуляторов, а радиочастотные генераторы подключены первыми выходами через модуляторы к радиочастотным катушкам и вторыми выходами к входам сумматора [А.С.SU №1655212, МПК G01V 3/14, опубликовано 10,06.1996] В прототипе имеет место уменьшение ориентационной зависимости регистрируемой частоты путем компенсации ориентационного сдвига при оптической накачке рабочих камер поглощения циркулярнополяризованным светом разного знака. Подобная компенсация автоматически обеспечивается путем суммирования частот радиочастотных генераторов в сумматоре частоты и выделения полусуммы частот радиочастотных генераторов, которая не подвержена ориентационной зависимости магнитометра.The closest analogue (prototype) of the claimed utility model is a quantum M _z magnetometer containing an optical path including a pump source and two circular polarizers, two absorption chambers, two photodetectors, two radio frequency coils covering the absorption chambers located on the same axis symmetrically with respect to the pump source, a sound generator, two radio-frequency generators with automatic frequency control (AFC) schemes for these generators, two modulators, a pulse generator and a frequency adder, while the AP circuit RF generators are connected by the first inputs to the output of the corresponding receiving photodetector, the second inputs to the outputs of the sound generator, the first outputs are connected to the input of the corresponding RF generator, the output of the pulse generator is connected to the first inputs of the modulators, and the RF generators are connected by the first outputs through modulators to the RF coils and second outputs to the inputs of the adder [A.C.SU No. 1655212, IPC G01V 3/14, published 10.06.1996] In the prototype, there is a decrease in orientation dependence recorded by frequency shift compensation orientational optically pumped absorption working chambers circularly polarized light of opposite sign. Such compensation is automatically ensured by summing the frequencies of the radio frequency generators in the frequency adder and allocating a half-sum of the frequencies of the radio frequency generators, which is not subject to the orientation dependence of the magnetometer.

Недостатками прототипа является наличие мертвых зон, которые вызваны зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла φ между измеряемым полем и оптической осью магнитометра по закону (cos φ)⁴, что приводит к обнулению сигнала магнитометра при углах φ, равных 270° или 90°.The disadvantages of the prototype is the presence of dead zones, which are caused by the dependence of the amplitude of the magnetometer signal on the angle φ between the measured field and the optical axis of the magnetometer according to the law (cos φ) ⁴ , which leads to zeroing the magnetometer signal at angles φ equal to 270 ° or 90 °.

Задачей полезной модели является разработка квантового M_z магнитометра без мертвых зон с уменьшенной ориентационной погрешностью измерений частоты путем увеличения разрешающей способности измерительного устройства и обеспечения независимости амплитуды сигнала магнитометра от ориентации магнитометра в пространстве.The objective of the utility model is to develop a quantum M _z magnetometer without dead zones with a reduced orientation error of frequency measurements by increasing the resolution of the measuring device and ensuring the independence of the amplitude of the magnetometer signal from the magnetometer orientation in space.

Поставленная задача достигается тем, что в известном квантовом M_z - магнитометре, содержащим оптический тракт, включающий источник накачки и расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляризатора, две камеры поглощения, два фотодетектора, две радиочастотные катушки, охватывающие соответствующие камеры поглощения, два модулятора, сумматор частоты, два радиочастотных генератора со схемами автоподстройки частоты (АПЧ) этих генераторов, первые выходы которых подключены к входу соответствующих модуляторов, а вторые - к входам сумматора частоты, звуковой генератор, выходы которого подключены к первым входам схем АПЧ. Перпендикулярно первому оптическому тракту установлен второй оптический тракт, включающий расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки два циркулярных поляризатора, две камеры поглощения с парами щелочного металла, два фотодетектора, две радиочастотные катушки, охватывающие соответствующие камеры поглощения. В магнитометр введены два сумматора амплитуды сигналов и четыре преобразователя напряжения. Фотодетекторы первого и второго оптических трактов через преобразователи напряжения попарно соединены с соответствующими сумматорами амплитуды сигналов, радиочастотные катушки первого и второго оптических трактов попарно соединены, их оси параллельны и ориентированы перпендикулярно осям оптических трактов, а выходы сумматоров амплитуды сигналов присоединены соответственно ко вторым входам схем АПЧ.The problem is achieved in that in the known quantum M _z magnetometer containing an optical path including a pump source and located on the same axis symmetrically with respect to the pump source, two circular polarizers, two absorption chambers, two photodetectors, two radiofrequency coils covering the corresponding absorption chambers, two modulators, a frequency combiner, two radio frequency generators with automatic frequency control (AFC) circuits for these generators, the first outputs of which are connected to the input of the corresponding odulyatorov and the latter - to the inputs of the adder frequency, sound generator, the outputs of which are connected to first inputs of AFC schemes. Perpendicular to the first optical path, a second optical path is installed, including two circular polarizers located on the same axis symmetrically with respect to the pump source, two absorption chambers with alkali metal vapors, two photodetectors, two radio frequency coils covering the corresponding absorption chambers. Two signal amplitude combiners and four voltage converters are introduced into the magnetometer. The photodetectors of the first and second optical paths are connected in pairs through voltage converters to the respective signal amplitude adders, the radio frequency coils of the first and second optical paths are paired, their axes are parallel and oriented perpendicular to the axes of the optical paths, and the outputs of the signal amplitude adders are connected to the second inputs of the AFC schemes, respectively.

Источник накачки может быть выполнен в виде лазера, настроенного на один из оптических переходов атомов рабочего вещества магнитометра.The pump source can be made in the form of a laser tuned to one of the optical transitions of the atoms of the working substance of the magnetometer.

Размещение оптических трактов под углом 90 градусов позволяет детектировать сигналы радиооптического резонанса на выходе приемных фотодетекторов с функциональной зависимостью амплитуды сигнала от угла φ, равной (cos φ)⁴ для первого оптического тракта и (sin φ)⁴ для второго оптического тракта, которые поступают на вход преобразователей напряжений. На выходе преобразователей напряжений формируются сигналы с функциональной зависимостью амплитуды сигнала от угла φ, равной соответственно (cos φ)² и (sin φ)² и поступающие на вход сумматоров напряжения. При этом суммарный сигнал с выхода каждого из сумматоров равен постоянному по амплитуде значению и не зависит от угла φ, что дает возможность обеспечить отсутствие мертвых зон квантового магнитометра.Placing the optical paths at an angle of 90 degrees allows you to detect radio-optical resonance signals at the output of the receiving photodetectors with a functional dependence of the signal amplitude on the angle φ equal to (cos φ) ⁴ for the first optical path and (sin φ) ⁴ for the second optical path that are input voltage converters. At the output of the voltage converters, signals are formed with a functional dependence of the signal amplitude on the angle φ equal to (cos φ) ² and (sin φ) ² , respectively, and supplied to the input of the voltage combiners. In this case, the total signal from the output of each of the adders is equal to a constant value in amplitude and does not depend on the angle φ, which makes it possible to ensure the absence of dead zones of a quantum magnetometer.

В случае лазерной накачки ее высокая селективность позволяет исключить часть магнитных подуровней одного из сверхтонких состояний, поскольку ширина линии лазерного излучения на порядок меньше энергетического зазора между состояниями сверхтонкой структуры. При этом ширина резонансной линии определяется шириной контура лишь одного из сверхтонких состояний F либо F+1, где интервал между соседними зеемановскими компонентами линии поглощения в геомагнитном поле более чем на порядок меньше, чем это наблюдается при использовании спектральных ламп. Соответственно на порядок выше оказывается и разрешающая способность магнитометра, определяемая как минимальное приращение измеряемого поля, которое может быть зафиксировано измерительным устройством..In the case of laser pumping, its high selectivity makes it possible to exclude some of the magnetic sublevels of one of the hyperfine states, since the line width of the laser radiation is an order of magnitude smaller than the energy gap between the states of the hyperfine structure. In this case, the width of the resonance line is determined by the width of the contour of only one of the hyperfine states F or F + 1, where the interval between adjacent Zeeman components of the absorption line in the geomagnetic field is more than an order of magnitude smaller than what is observed when using spectral lamps. Correspondingly, the resolution of the magnetometer turns out to be an order of magnitude higher, defined as the minimum increment of the measured field, which can be recorded by the measuring device ..

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг.), на котором изображена: блок-схема квантового M_z - магнитометра без мертвых зонThe essence of the utility model is illustrated by graphic material (Fig.), Which shows: a block diagram of a quantum M _z magnetometer without dead zones

Магнитометр (фиг.) включает источник накачки 1, выполненный в виде лазера, настроенного на один из оптических переходов атомов рабочего вещества, и два оптических тракта, расположенные симметрично относительно источника 1 и перпендикулярно друг другу. Первый оптический тракт содержит расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки 1 циркулярные поляризаторы 2 и 3, камеры поглощения 4 и 5, фотодетекторы 6 и 7, радиочастотные катушки 8 и 9, охватывающие соответствующие камеры поглощения 4 и 5. Второй оптический тракт содержит расположенные на одной оси симметрично относительно источника накачки 1 циркулярные поляризаторы 10 и 11, камеры поглощения 12 и 13, фото детекторы 14 и 15, радиочастотные катушки 16 и 17, охватывающие соответствующие камеры поглощения 12 и 13.The magnetometer (Fig.) Includes a pump source 1, made in the form of a laser tuned to one of the optical transitions of the atoms of the working substance, and two optical paths located symmetrically with respect to the source 1 and perpendicular to each other. The first optical path contains circular polarizers 2 and 3 located on the same axis symmetrically with respect to the pump source 1, absorption chambers 4 and 5, photodetectors 6 and 7, radio frequency coils 8 and 9, covering the corresponding absorption chambers 4 and 5. The second optical path contains one axis symmetrically with respect to the pump source 1, circular polarizers 10 and 11, absorption chambers 12 and 13, photo detectors 14 and 15, radio frequency coils 16 and 17, covering the corresponding absorption chambers 12 and 13.

Одна пара фотодетекторов 6 и 14 соответственно первого и второго оптических трактов через соответствующие преобразователи напряжений 18 и 19 соединены с сумматором амплитуды сигналов 22, а другая пара фото детекторов 7 и 15 первого и второго оптических трактов через соответствующие преобразователи напряжений 20 и 21 соединены с сумматором амплитуды 23. Выходы звукового генератора 26 подключены к первым входам схем АПЧ 24 и 25, вторые входы которых соответственно присоединены к выходам сумматоров 22 и 23 амплитуды сигналов. Радиочастотные катушки 8 и 16, 9 и 17 первого и второго оптических трактов попарно соединены, при этом оси катушек 8, 9, 16, 17 параллельны и ориентированы перпендикулярно осям оптических трактов. Выходы схем АПЧ 24 и 25 соответственно подключены к входам радиочастотных генераторов 27 и 28, первые выходы которых соответственно подключены к входам модуляторов 29 и 30, а вторые - к входам сумматора частоты 31. Выходы модуляторов 29 и 30 соответственно присоединены к радиочастотным катушкам 8 и 9.One pair of photodetectors 6 and 14, respectively, of the first and second optical paths through the respective voltage converters 18 and 19 are connected to the signal amplitude adder 22, and another pair of photo detectors 7 and 15 of the first and second optical paths are connected through the corresponding voltage converters 20 and 21 to the amplitude adder 23. The outputs of the sound generator 26 are connected to the first inputs of the AFC 24 and 25, the second inputs of which are respectively connected to the outputs of the adders 22 and 23 of the signal amplitude. The radio frequency coils 8 and 16, 9 and 17 of the first and second optical paths are connected in pairs, while the axes of the coils 8, 9, 16, 17 are parallel and oriented perpendicular to the axes of the optical paths. The outputs of the AFC 24 and 25, respectively, are connected to the inputs of the RF generators 27 and 28, the first outputs of which are respectively connected to the inputs of the modulators 29 and 30, and the second to the inputs of the frequency adder 31. The outputs of the modulators 29 and 30 are respectively connected to the RF coils 8 and 9 .

Преобразователи напряжения 18, 19, 21, 22 могут быть выполнены по схеме умножения для извлечения квадратного корня [У.Титце, К.Шенк, Полупроводниковая схемотехника, Перевод с немецкого под редакцией А.Г.Алексенко, М. Мир, 1982 г., стр 167, рис.11.47]. При использовании этой схемы напряжение на выходе преобразователя пропорционально корню квадратному от входного напряжения.Voltage converters 18, 19, 21, 22 can be performed according to the multiplication scheme for square root extraction [W. Titze, K. Schenk, Semiconductor circuitry, German translation, edited by A.G. Aleksenko, M. Mir, 1982, p. 167, fig. 11.47]. When using this circuit, the voltage at the converter output is proportional to the square root of the input voltage.

Квантовый M_z магнитометр работает следующим образом.Quantum M _z magnetometer operates as follows.

Магнитометр устанавливается так, чтобы оси камер 4, 5, 12, 13 поглощения были ориентированы в плоскости, параллельной плоскости ZX вектора измеряемого магнитного поля (фиг.). Излучение источника 1 накачки поступает через циркулярные поляроиды 2, 3, 10, 11 в соответствующие камеры 4, 5, 12, 13 поглощения.The magnetometer is installed so that the axis of the absorption chambers 4, 5, 12, 13 are oriented in a plane parallel to the plane ZX of the vector of the measured magnetic field (Fig.). The radiation from the pump source 1 enters through the circular polaroids 2, 3, 10, 11 into the corresponding absorption chambers 4, 5, 12, 13.

Предварительно поляроиды 2 и 10 настраивают таким образом, что на их выходе формируется свет накачки с вращением плоскости поляризации по часовой стрелке, а поляроиды 3 и 11 так, что формируется свет накачки с вращением плоскости поляризации против часовой стрелки.Preliminarily, polaroids 2 and 10 are adjusted in such a way that pump light is generated at their output with a clockwise rotation of the polarization plane, and polaroids 3 and 11 so that pump light is formed with counterclockwise rotation of the polarization plane.

В результате в камерах 4 и 12 осуществляется накачка щелочных атомов на подуровень m_F=F, в камерах 5 и 13 - на уровень m_F=-F. С выхода камер 4, 5, 12, 13 поглощения излучение поступает на вход соответствующих приемных фото детекторов 6, 7, 14 и 15, сигнал с которых поступает соответственно на вход преобразователей 18, 20, 19 и 21 с частотой модуляции звукового генератора 26. При этом на вход преобразователей 18 и 19 поступает сигнал переменного напряжения, амплитуда которого зависит от угла φ между направлением света накачки и вектором измеряемого магнитного поля по закону A(cos φ)⁴, где А - фиксированное значение амплитуды входного сигнала. На выходе преобразователей 18 и 19 формируется сигнал переменного напряжения, амплитуда которого зависит от угла φ по закону A^1/2(cos φ)². На вход преобразователей 20 и 21 поступает сигнал переменного напряжения, амплитуда которого зависит от угла φ по закону A(sin φ)⁴ На выходе преобразователей 20 и 21 формируется сигнал переменного напряжения, амплитуда которого зависит от угла φ по закону A^1/2(sin φ)². В сумматорах 22 и 23 осуществляется суммирование сигналов, поступающих на их входы с соответствующих выходов преобразователей 18, 19 и 20, 21, при этом на выходе сумматоров 22 и 23 формируется переменное напряжение, амплитуда которого не зависит от угла φ и пропорциональна постоянной величине А^1/2.As a result, in chambers 4 and 12, alkaline atoms are pumped to the sublevel m _F = F, in chambers 5 and 13, to the level m _F = -F. From the output of the absorption chambers 4, 5, 12, 13, the radiation enters the input of the corresponding receiving photo detectors 6, 7, 14, and 15, the signal from which goes respectively to the input of the transducers 18, 20, 19, and 21 with a modulation frequency of the sound generator 26. When In this case, an alternating voltage signal is supplied to the input of converters 18 and 19, the amplitude of which depends on the angle φ between the direction of the pump light and the vector of the measured magnetic field according to the law A (cos φ) ⁴ , where A is a fixed value of the amplitude of the input signal. At the output of the converters 18 and 19, an alternating voltage signal is formed, the amplitude of which depends on the angle φ according to the law A ^1/2 (cos φ) ² . The input of the converters 20 and 21 receives an alternating voltage signal, the amplitude of which depends on the angle φ according to the law A (sin φ) ⁴ At the output of the converters 20 and 21, an alternating voltage signal is generated, the amplitude of which depends on the angle φ according to the law A ^1/2 (sin φ) ² . In the adders 22 and 23, the summation of the signals supplied to their inputs from the corresponding outputs of the converters 18, 19 and 20, 21 is carried out, while an alternating voltage is generated at the output of the adders 22 and 23, the amplitude of which does not depend on the angle φ and is proportional to the constant value A ^{1 / 2} .

Далее сигналы с выхода сумматоров 22 и 23 поступают соответственно на первый вход схем АПЧ 24 и 25, управляющее напряжение которых осуществляет перестройку радиочастотных генераторов 27 и 28 в окрестности резонансных значений ω₁ и ω₂ соответствующих центрам линии поглощения при оптической накачке циркулярнополяризованным излучением противоположных знаков. Частоты этих генераторов 27 и 28 модулируются с низкой звуковой частотой звукового генератора, сигнал с которого поступает на второй вход схем АПЧ 24 и 25. Управляющее напряжение с выхода схем АПЧ 24 и 25 в виде сигнала ошибки осуществляет подстройку частоты генераторов 27 и 28 (ω₁ и ω₂) под резонансное значение, соответствующее двум противоположным знакам (по часовой и против часовой стрелке) циркулярной поляризации света накачки. На этих частотах с помощью модуляторов 29 и 30, подключенных к радиочастотным катушкам 8 и 9, соединенным соответственно с катушками 16, 17, индуцируются магнитодипольные переходы в атомах рабочего вещества камер поглощения 4, 5, 12, 13. Внешнее магнитное поле, и его вариации регистрируются магнитометром по показаниям сумматора частоты 31, фиксирующего полу сумму частот ω₁ и ω₂, которая вследствие различия знаков ориентационной зависимости частоты магнитометра не зависит от его ориентации в пространстве.Further, the signals from the output of the adders 22 and 23 are respectively supplied to the first input of the AFC 24 and 25, the control voltage of which carries out the tuning of the radio-frequency generators 27 and 28 in the vicinity of the resonance values of ω ₁ and ω ₂ corresponding to the centers of the absorption line during optical pumping by circularly polarized radiation of opposite signs. The frequencies of these generators 27 and 28 are modulated with a low sound frequency of the sound generator, the signal from which is fed to the second input of the AFC 24 and 25 circuits. The control voltage from the output of the AFC 24 and 25 circuits in the form of an error signal adjusts the frequency of the generators 27 and 28 (ω ₁ and ω ₂ ) under the resonance value corresponding to two opposite signs (clockwise and counterclockwise) of the circular polarization of the pump light. At these frequencies, using modulators 29 and 30 connected to radio frequency coils 8 and 9, connected respectively to coils 16, 17, magnetodipole transitions in the atoms of the working substance of absorption chambers 4, 5, 12, 13 are induced. External magnetic field, and its variations recorded by a magnetometer according to the readings of a frequency adder 31, fixing the floor the sum of the frequencies ω ₁ and ω ₂ , which, due to the difference in signs of the orientation dependence of the frequency of the magnetometer does not depend on its orientation in space.

Отсутствие мертвых зон в заявляемом магнитометре связано с независимостью от угла φ на выходе сумматоров 22, 23 амплитуды сигналов, поступающих с выхода преобразователей 18-21 напряжения с указанными выше функциональными зависимостями от этого угла. При этом, для любых углов φ сигнал, управляющий схемами АПЧ 24 и 25, сохраняет постоянное значение и не обнуляется как в прототипе. Это обуславливает отсутствие мертвых зон магнитометра при произвольном расположении вектора измеряемого поля в плоскости ZX.The absence of dead zones in the inventive magnetometer is associated with independence from the angle φ at the output of the adders 22, 23 of the amplitude of the signals coming from the output of the voltage converters 18-21 with the above functional dependences on this angle. At the same time, for any angles φ, the signal that controls the AFC 24 and 25, remains constant and is not reset to zero as in the prototype. This leads to the absence of dead zones of the magnetometer with an arbitrary location of the vector of the measured field in the ZX plane.

Как следует из описания работы магнитометра, положительный эффект достигается при такой ориентации измерительного устройства, при которой оси камер поглощения ориентированы в плоскости, параллельной плоскости вектора измеряемого магнитного поля. В случае произвольной ориентации магнитометра в пространстве для достижения положительного эффекта необходимо использовать комбинацию из трех рассмотренных схем магнитометра с общей системой регистрации измеряемого поля и лазером накачки.As follows from the description of the magnetometer, a positive effect is achieved with the orientation of the measuring device in which the axes of the absorption chambers are oriented in a plane parallel to the plane of the vector of the measured magnetic field. In the case of arbitrary orientation of the magnetometer in space, to achieve a positive effect, it is necessary to use a combination of the three considered magnetometer circuits with a common system for registering the measured field and a pump laser.

Таким образом, заявляемая полезная модель магнитометра позволяет реализовать измерительное устройство с повышенной разрешающей способностью и уменьшенной ориентационной погрешностью измерений частоты вследствие независимости амплитуды сигнала на выходе приемных фотодетекторов от ориентации магнитометра в пространстве.Thus, the inventive utility model of the magnetometer allows you to implement a measuring device with high resolution and reduced orientation error of frequency measurements due to the independence of the amplitude of the signal at the output of the receiving photodetectors from the orientation of the magnetometer in space.

Claims

1. Quantum M _z — magnetometer containing an optical path including a pump source and two circular polarizers, two absorption chambers, two photodetectors, two radio frequency coils covering the corresponding absorption chambers, two modulators, a frequency adder, located on the same axis symmetrically with the pump source two radio-frequency generators with frequency-locked loops (AFC) of these generators, the first outputs of which are connected to the input of the respective modulators, and the second to the inputs of the frequency adder, sound a generator, the outputs of which are connected to the first inputs of the AFC, characterized in that a second optical path is installed perpendicular to the first optical path, including two circular polarizers, two absorption chambers with alkali metal vapors, two photodetectors, two located on the same axis symmetrically with respect to the pump source radiofrequency coils covering the corresponding absorption chambers, two signal amplitude combiners and four voltage converters, photodetectors the first- and second optical paths by pairs of voltage converters are connected to respective adders amplitude signals, radio frequency coils of the first and second optical paths are connected in pairs, with their axes parallel and oriented perpendicularly to the axes of the optical paths, and outputs the amplitude signal adders are connected respectively to the second inputs of the AFC circuit.

2. Quantum M _z - magnetometer according to claim 1, characterized in that the pump source is made in the form of a laser tuned to one of the optical transitions of the atoms of the working substance of the magnetometer.