RU140875U1

RU140875U1 - QUANTUM MZ MAGNETOMETER

Info

Publication number: RU140875U1
Application number: RU2013159096/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Семёнов; Сергей Викторович Ермак
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-05-20

Abstract

Квантовый M- магнитометр, содержащий радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник циркулярно поляризованного излучения накачки, камеру поглощения с атомами щелочного металла, охваченную радиочастотной катушкой, и фотодетектор, подключенный к входу схемы автоподстройки радиочастотного генератора, отличающийся тем, что в него введены дополнительный радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, вход которой подключен к выходу фотодетектора, соленоид с источником питания, схема преобразования частоты, соединенная с радиочастотным генератором и дополнительным радиочастотным генератором, коммутирующее устройство, соединенное с источником питания соленоида, выходами радиочастотного генератора, дополнительного радиочастотного генератора и схем их автоподстройки, выходы коммутирующего устройства подключены к радиочастотной катушке и соленоиду, а камера поглощения с радиочастотной катушкой помещены в соленоид, расположенный так, что его ось параллельна оси оптического тракта.A quantum M magnetometer containing a radio-frequency generator with a self-tuning circuit, an optical path including a circularly polarized pump radiation source located on the same axis, an absorption chamber with alkali metal atoms covered by a radio-frequency coil, and a photo detector connected to the input of the auto-tuning circuit of the radio-frequency generator, characterized in that it introduced an additional radio frequency generator with a self-tuning circuit, the input of which is connected to the output of the photodetector, a solenoid with a source lump of power, a frequency conversion circuit connected to a radio frequency generator and an additional radio frequency generator, a switching device connected to a solenoid power source, outputs of a radio frequency generator, an additional radio frequency generator and their auto-tuning circuits, the outputs of the switching device are connected to a radio frequency coil and a solenoid, and the absorption chamber with a radio frequency coil are placed in a solenoid located so that its axis is parallel to the axis of the optical path.

Description

Полезная модель относится к технике измерений характеристик магнитного поля Земли 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 measuring the characteristics of the Earth's magnetic field and can be used in geological exploration, seismological service, magnetocardiography, as well as in systems for hidden remote detection of magnetic objects.

К аналогам полезной модели относятся квантовые магнитометры M_Xтипа с оптической накачкой, в которых контролируется прецессия поперечной компоненты намагниченности атомов рабочего вещества под действием резонансного радиочастотного поля [Александров Е.Б., Бонч-Бруевич В.А., Якобсон Н.Н. Магнитометры на основе оптической накачки атомов - состояние и перспективы разработок. Оптический журнал, 1993, №11, стр. 17-30]. Подобные устройства содержат в своем составе магниточувствительный датчик, подключенный к усилителю сигнала прецессии, синхронный детектор, управляемый радиочастотный генератор и частотомер. Недостатком аналогов является низкая точность и наличие мертвых зон, обусловленных зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла α между измеряемым полем и оптической осью по закону (sinαcosα)².Analogs of the utility model include optical-pumped quantum magnetometers of the M _X type, in which the precession of the transverse component of the magnetization of the atoms of the working substance under the influence of a resonant radio-frequency field is monitored [Alexandrov EB, Bonch-Bruevich VA, Yakobson NN Magnetometers based on optical atomic pumping - state and development prospects. Optical Journal, 1993, No. 11, pp. 17-30]. Such devices include a magnetically sensitive sensor connected to a precession signal amplifier, a synchronous detector, a controlled radio frequency generator, and a frequency meter. The disadvantage of analogues is low accuracy and the presence of dead zones due to the dependence of the amplitude of the magnetometer signal on the angle α between the measured field and the optical axis according to the law (sinαcosα) ² .

К аналогам полезной модели относятся также самогенерирующие парощелочные устройства с оптической накачкой [Александров Е.Б., Вершовский А.К. Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии. УФН, Том 179, №6, стр. 605-637]. Подобное устройство состоит из датчика, усилителя обратной связи. Датчик включает в себя спектральную лампу накачки, колбу с парами щелочного металла, поляризационный фильтр, катушки, генерирующие радиочастотное магнитное поле, и фотодиод.Analogs of the utility model also include self-generating optically pumped steam-alkaline devices [Aleksandrov EB, Vershovskiy AK Modern radio-optical methods of quantum magnetometry. UFN, Volume 179, No. 6, pp. 605-637]. A similar device consists of a sensor, a feedback amplifier. The sensor includes a spectral pump lamp, a flask with alkali metal vapors, a polarizing filter, coils generating a radio frequency magnetic field, and a photodiode.

Недостатком аналогов является низкая точность и наличие мертвых зон, обусловленных зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла α между измеряемым полем и оптической осью по закону (sinαcosα)². В соответствии с указанной зависимостью наличие мертвой зоны связано с онулением сигнала измерительного устройства при стремлении угла α к нулю и 90°.The disadvantage of analogues is low accuracy and the presence of dead zones due to the dependence of the amplitude of the magnetometer signal on the angle α between the measured field and the optical axis according to the law (sinαcosα) ² . In accordance with the indicated dependence, the presence of a dead zone is associated with the signal of the measuring device dimming when the angle α tends to zero and 90 °.

Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является магнитометр M_Z типа с оптической накачкой [Померанцев Н.М., Рыжков В.М., Скроцкий Г.В. Физические основы квантовой магнитометрии. - М.: Из-во Наука, 1972, стр. 384], содержащий радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник циркулярно поляризованного излучения накачки, камеру поглощения с атомами щелочного металла, охваченную радиочастотной катушкой, и фотодетектор. Схема автоподстройки радиочастотного генератора содержит избирательный усилитель, модулятор, звуковой генератор, фазовый детектор, первый вход которого соединен с выходом избирательного усилителя, а второй с первым выходом звукового генератора, второй выход которого подключен к первому входу модулятора, вход избирательного усилителя является входом схемы автоподстройки, а выход фазового детектора - выходом схемы автоподстройки. Сигнал ошибки на выходе фазового детектора является выходным сигналом схемы автоподстройки радиочастотного генератора, и этот сигнал осуществляет перестройку его частоты под резонансное значение, измеряемое частотомером. В геомагнитном поле для большинства щелочных атомов спектр поглощения неразрешен и примерно на порядок шире в сравнении с шириной линии разрешенного спектра. При работе на неразрешенном контуре линии поглощения, форма которого ассиметрична, средневзвешенная резонансная частота существенно зависит от угла между направлением света накачки и измеряемым магнитным полем.The closest analogue of the claimed utility model is an M _Z type magnetometer with optical pumping [Pomerantsev NM, Ryzhkov VM, Skrotsky GV Physical foundations of quantum magnetometry. - M .: Izd. Nauka, 1972, p. 384], containing a radio-frequency generator with a self-tuning circuit, an optical path, including a circularly polarized pump radiation source located on the same axis, an absorption chamber with alkali metal atoms covered by a radio frequency coil, and a photo detector . The auto-tuning circuit of the radio-frequency generator contains a selective amplifier, modulator, sound generator, phase detector, the first input of which is connected to the output of the selective amplifier, and the second with the first output of the sound generator, the second output of which is connected to the first input of the modulator, the input of the selective amplifier is the input of the auto-tuning circuit, and the output of the phase detector is the output of the auto-tuning circuit. The error signal at the output of the phase detector is the output signal of the auto-tuning circuit of the radio-frequency generator, and this signal realizes the tuning of its frequency to the resonant value measured by the frequency meter. In the geomagnetic field, for most alkaline atoms, the absorption spectrum is unresolved and is approximately an order of magnitude wider than the line width of the allowed spectrum. When working on an unresolved absorption line contour, the shape of which is asymmetric, the weighted average resonant frequency substantially depends on the angle between the direction of the pump light and the measured magnetic field.

Недостатком прототипа является его низкая точность из-за относительно широкой линии поглощения, связанной с неразрешенным контуром зеемановского спектра атомов щелочного металла, что приводит к ориентационным погрешностям магнитометра, и наличием мертвых зон, обусловленных зависимостью амплитуды сигнала магнитометра от угла α между измеряемым полем и оптической осью по закону (cosα)⁴. К недостаткам прототипа относится также его принципиальная неспособность определять направление в пространстве вектора измеряемого магнитного поля, что снижает функциональные возможности устройства.The disadvantage of the prototype is its low accuracy due to the relatively wide absorption line associated with the unresolved contour of the Zeeman spectrum of alkali metal atoms, which leads to orientation errors of the magnetometer and the presence of dead zones due to the dependence of the amplitude of the magnetometer on the angle α between the measured field and the optical axis according to the law (cosα) ⁴ . The disadvantages of the prototype also relates to its fundamental inability to determine the direction in space of the vector of the measured magnetic field, which reduces the functionality of the device.

Задачей полезной модели является разработка M_Z магнитометра с высокой точностью за счет уменьшения ориентационной погрешности измерений частоты и расширением функциональных возможностей, а именно, возможностью определения ориентации измеряемого магнитного поля относительно оптической оси магнитометра путем введения дополнительного магнитного поля.The objective of the utility model is to develop an M _Z magnetometer with high accuracy by reducing the orientation error of frequency measurements and expanding functionality, namely, the ability to determine the orientation of the measured magnetic field relative to the optical axis of the magnetometer by introducing an additional magnetic field.

Поставленная задача достигается тем, что в известном M_Zмагнитометре, содержащем радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник циркулярно поляризованного излучения накачки, камеру поглощения с атомами щелочного металла, охваченную радиочастотной катушкой, и фотодетектор, подключенный к входу схемы автоподстройки радиочастотного генератора, введены дополнительный радиочастотный генератор со схемой автоподстройки, вход которой подключен к выходу фотодетектора, соленоид с источником питания, схема преобразования частоты, соединенная с радиочастотным генератором и дополнительным радиочастотным генератором, коммутирующее устройство, соединенное с источником питания соленоида, выходами радиочастотного генератора, дополнительного радиочастотного генератора и схем их автоподстройки, выходы коммутирующего устройства подключены к радиочастотной катушке и соленоиду, а камера поглощения с радиочастотной катушкой помещены в соленоид, расположенный так, что его ось параллельна оси оптического тракта.The task is achieved by the fact that in the known M _Z magnetometer containing a radio frequency generator with a self-tuning circuit, an optical path including a circularly polarized pump radiation source located on the same axis, an absorption chamber with alkali metal atoms covered by a radio frequency coil, and a photo detector connected to the input auto-tuning circuits of a radio-frequency generator, an additional radio-frequency generator with an auto-tuning circuit, the input of which is connected to the photodetector output, is introduced, with a lenoid with a power source, a frequency conversion circuit connected to a radio frequency generator and an additional radio frequency generator, a switching device connected to a solenoid power source, outputs of a radio frequency generator, an additional radio frequency generator and their auto-tuning circuits, the outputs of the switching device are connected to a radio frequency coil and a solenoid, and an absorption chamber with a radio frequency coil is placed in a solenoid located so that its axis is parallel to the axis of the optical path but.

Введение соленоида, создающее сильное стабилизированное магнитное поле, в котором много резонансный спектр поглощения оптически ориентированных атомов щелочного металла полностью разрешен, позволяет использовать для работы магнитометра линию поглощения со значительно меньшей шириной. Уменьшение ширины линии приводит к увеличению точности магнитометра и исключению ориентационной погрешности определения резонансной частоты. В заявляемом устройстве вследствие симметрии линии поглощения ориентационная погрешность принципиально отсутствует. При этом резонансная частота заявляемого магнитометра пропорциональна модулю суммарного вектора напряженности магнитного поля, образованного вектором напряженности H₀ магнитного поля соленоида и вектором напряженности H_изм измеряемого магнитного поля, направленного под заранее неизвестным углом а по отношению к оптической оси магнитометра. Для определения этого угла и измерения напряженности H_изм в заявленном магнитометре использовано коммутирующее устройство, осуществляющее периодическое переключение направления тока в соленоиде, и схема автоподстройки частоты дополнительного радиочастотного генератора. По значениям частоты радиочастотных генераторов, управляемых схемами автоподстройки, схема преобразования частоты осуществляет определение не только напряженности измеряемого магнитного поля, но и его ориентации относительно оптической оси магнитометра. Указанное размещение соленоида, ось которого параллельна оси оптического тракта, обеспечивает максимум резонансного сигнала, амплитуда которого, как отмечалось выше, зависит от угла α между направлением магнитного поля и оптической осью магнитометра по закону (cosα)⁴. Для обеспечения высокой точности заявляемого магнитометра необходимо, чтобы напряженность Н₀ магнитного поля соленоида намного превышала величину напряженности H_изм измеряемого (например, геомагнитного) поля. При выполнении этого условия, зеемановский спектр поглощения полностью разрешен, а амплитуда сигнала магнитометра практически не зависит от направления вектора H_изм, так как направление суммарного вектора, образованного векторами H_изм и H₀, в основном, определяется магнитным полем соленоида. При ином размещении соленоида увеличивается погрешность вследствие ориентационной зависимости амплитуды сигнала магнитометра. Например, если ось соленоида ориентирована под углом 90 градусов к оптической оси магнитометра, то устройство практически не будет функционировать, так как амплитуда сигнала, снимаемого с выхода приемного фотодетектора, будет на уровне шумов.The introduction of a solenoid, which creates a strong stabilized magnetic field in which the multi-resonance absorption spectrum of optically oriented alkali metal atoms is completely resolved, makes it possible to use an absorption line with a much smaller width for the magnetometer. A decrease in the line width leads to an increase in the accuracy of the magnetometer and the exclusion of the orientational error in determining the resonance frequency. In the inventive device, due to the symmetry of the absorption line, the orientation error is fundamentally absent. In this case, the resonant frequency of the inventive magnetometer is proportional to the modulus of the total vector of the magnetic field strength formed by the vector of the magnetic field strength H ₀ of the solenoid and the vector of the magnetic field H _{meas of the} measured magnetic field directed at an unknown angle a relative to the optical axis of the magnetometer. To determine this angle and measure the voltage H _ISM in the claimed magnetometer, a switching device is used that periodically switches the direction of the current in the solenoid, and an automatic frequency control circuit of an additional radio-frequency generator. From the frequency values of the radio-frequency generators controlled by the auto-tuning circuits, the frequency conversion circuit determines not only the strength of the measured magnetic field, but also its orientation relative to the optical axis of the magnetometer. The indicated arrangement of the solenoid, whose axis is parallel to the axis of the optical path, provides the maximum resonance signal, the amplitude of which, as noted above, depends on the angle α between the direction of the magnetic field and the optical axis of the magnetometer according to the law (cosα) ⁴ . To ensure high accuracy claimed magnetometer is necessary that the intensity of magnetic field H ₀ of the solenoid is much greater than the value of the measured intensity H _edited (e.g., geomagnetic) field. Under this condition, the Zeeman absorption spectrum is completely resolved, and the amplitude of the magnetometer signal is practically independent of the direction of the vector H _ISM , since the direction of the total vector formed by the vectors H _ISM and H ₀ is mainly determined by the magnetic field of the solenoid. With a different arrangement of the solenoid, the error increases due to the orientation dependence of the amplitude of the magnetometer signal. For example, if the axis of the solenoid is oriented at an angle of 90 degrees to the optical axis of the magnetometer, the device will practically not function, since the amplitude of the signal recorded from the output of the receiving photodetector will be at the noise level.

Введение дополнительного радиочастотного генератора со схемой автоподстройки позволяет с помощью коммутирующего устройства осуществлять работу магнитометра при изменении направления магнитного поля в соленоиде с прямого на обратное. Схемы автоподстройки генератора и дополнительного генератора настраивают на различные частоты при прямом и обратном включении магнитного поля соленоида для достижения независимой перестройки частот радиочастотных генераторов, что позволяет расширить функциональную возможность магнитометра - получить информацию не только об измеряемом магнитном поле, но и его ориентации по отношению к оптической оси измерительного устройства.The introduction of an additional radio-frequency generator with a self-tuning circuit allows using a switching device to operate the magnetometer when the direction of the magnetic field in the solenoid changes from direct to reverse. Auto-tuning schemes of the generator and the additional generator are tuned to different frequencies when the magnetic field of the solenoid is turned on and back to achieve independent tuning of the frequencies of the radio-frequency generators, which allows you to expand the functionality of the magnetometer - to obtain information not only about the measured magnetic field, but also its orientation with respect to the optical axis measuring device.

Указанные свойства заявленного магнитометра могут быть использованы при разработке ориентометров, применяемых, в частности, в космической навигации и фиксирующих некоторое направление в пространстве относительно инерциальной системы отсчета. [Померанцев Н.М., Рыжков В.М., Скроцкий Г.В. Физические основы квантовой магнитометрии. - М.: Из-во Наука, 1972, стр. 384]The indicated properties of the claimed magnetometer can be used in the development of orientometers used, in particular, in space navigation and fixing a certain direction in space relative to an inertial reference system. [Pomerantsev N.M., Ryzhkov V.M., Skrotsky G.V. Physical foundations of quantum magnetometry. - M.: From Science, 1972, p. 384]

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг.), на котором изображена схема предлагаемой полезной модели квантового M_Z - магнитометра, где 1 - радиочастотный генератор; 2 - схема автоподстройки радиочастотного генератора 1; 3 - источник циркулярно поляризованного излучения накачки; 4 - камера поглощения с атомами щелочного металла; 5 - радиочастотная катушка; 6 - фотодетектор; 7 - схема преобразования частоты; 8 - коммутирующее устройство; 9 - соленоид; 10 - источник питания соленоида; 11 - дополнительный радиочастотный генератор; 12 - схема автоподстройки дополнительного радиочастотного генератора 11.The essence of the utility model is illustrated by graphic material (Fig.), Which shows a diagram of the proposed utility model of a quantum M _Z magnetometer, where 1 is a radio frequency generator; 2 is a self-tuning circuit of a radio frequency generator 1; 3 - a source of circularly polarized pump radiation; 4 - absorption chamber with alkali metal atoms; 5 - radio frequency coil; 6 - photodetector; 7 is a frequency conversion diagram; 8 - switching device; 9 - a solenoid; 10 - power source of the solenoid; 11 - an additional radio frequency generator; 12 is a self-tuning circuit of an additional RF generator 11.

Магнитометр (фиг.) содержит радиочастотный генератор 1 со схемой 2 автоподстройки, оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник 3 циркулярно поляризованного излучения накачки, камеру 4 поглощения с атомами щелочного металла, охваченную радиочастотной катушкой 5, и фото детектор 6, подключенный к входу схемы 2 автоподстройки. Дополнительно введены схема 7 преобразования частоты, коммутирующее устройство 8, соленоид 9 с источником питания 10, дополнительный радиочастотный генератор 11 со схемой 12 автоподстройки, вход которой подключен к выходу фотодетектора 6. Схема 7 преобразования частоты соединена с радиочастотными генераторами 1 и 11. Коммутирующее устройство 8 соединено с источником питания 3 соленоида 9, выходами радиочастотного генератора 1, дополнительного радиочастотного генератора 11 и выходами схем 2, 12 автоподстройки. Выходы коммутирующего устройства 8 подключены соответственно к радиочастотной катушке 5 и соленоиду 9. Камера 4 поглощения с радиочастотной катушкой 5 помещены в соленоид 9, расположенный так, что его ось параллельна оси оптического тракта.The magnetometer (Fig.) Contains a radio-frequency generator 1 with a self-tuning circuit 2, an optical path including a circularly polarized pump radiation source 3 located on the same axis, an absorption chamber 4 with alkali metal atoms covered by a radio frequency coil 5, and a photo detector 6 connected to the input Auto-tuning schemes 2. Additionally introduced a frequency conversion circuit 7, a switching device 8, a solenoid 9 with a power source 10, an additional radio frequency generator 11 with an auto-tuning circuit 12, the input of which is connected to the output of the photodetector 6. A frequency conversion circuit 7 is connected to the radio frequency generators 1 and 11. The switching device 8 connected to a power supply 3 of the solenoid 9, the outputs of the radio frequency generator 1, an additional radio frequency generator 11 and the outputs of the auto-tuning circuits 2, 12. The outputs of the switching device 8 are connected respectively to the radio frequency coil 5 and the solenoid 9. The absorption chamber 4 with the radio frequency coil 5 is placed in the solenoid 9, located so that its axis is parallel to the axis of the optical path.

В качестве схемы 7 преобразования частоты возможно использовать стандартный контроллер.As the frequency conversion circuit 7, it is possible to use a standard controller.

В качестве коммутирующего устройства может быть использован микроконтроллер, например, Silabs C8051F120 и схема электронного переключателя, например, описанного в работе [Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника. Перевод с немецкого под редакцией Алексенко А.Г. - М.: Мир, 1982 г., стр 276]As a switching device, a microcontroller, for example, Silabs C8051F120, and an electronic switch circuit, for example, described in [Titze U., Schenk K., Semiconductor circuitry. Translation from German edited by A. Aleksenko - M.: Mir, 1982, p. 276]

В качестве источника питания соленоида можно использовать высокостабильный источник тока на базе опорного источника напряжения, например, Burr-Braun REF02.As a power source of the solenoid, you can use a highly stable current source based on a reference voltage source, for example, Burr-Braun REF02.

В качестве соленоида может быть использована многослойная катушка, создающая постоянное магнитное поле в зоне размещения камеры поглощения требуемой напряженности и однородности. Так, например, для измерения геомагнитного поля заявляемым устройством на атомах цезия для достижения высокой точности необходимо, чтобы напряженность магнитного поля в соленоиде была на порядок больше напряженности геомагнитного поля при его относительной однородности в пределах камеры поглощения не хуже 10^-5, что несложно обеспечить. При этих условиях достигается сужение линии радиооптического резонанса за счет разрешения зеемановского спектра поглощения и уменьшение ориентационной погрешности устройства.As a solenoid, a multilayer coil can be used, which creates a constant magnetic field in the area of the absorption chamber of the required intensity and uniformity. So, for example, to measure the geomagnetic field of the inventive device on cesium atoms to achieve high accuracy, it is necessary that the magnetic field strength in the solenoid be an order of magnitude greater than the geomagnetic field strength with its relative uniformity within the absorption chamber not worse than 10 ^-5 , which is easy to provide. Under these conditions, a narrowing of the line of radio-optical resonance is achieved due to the resolution of the Zeeman absorption spectrum and a decrease in the orientation error of the device.

Схемы 2 и 12 автоподстройки радиочастотных генераторов могут быть построены по известному стандарту, используемому в технике квантовой магнитометрии, и содержать избирательный усилитель, модулятор, звуковой генератор и фазовый детектор. Входом схем автоподстройки является вход избирательного усилителя, а выходом - выход фазового детектора. [Померанцев Н.М., Рыжков В.М., Скроцкий Г.В. Физические основы квантовой магнитометрии. - М.: Из-во Наука, 1972, стр. 384]. Избирательный усилитель обеспечивает работу схем автоподстройки на определенной частоте, задаваемой звуковым генератором, и не пропускает сигналы с частотами, отличными от частоты этого звукового генератора.Auto-tuning circuits 2 and 12 of radio-frequency generators can be constructed according to the well-known standard used in the technique of quantum magnetometry, and contain a selective amplifier, modulator, sound generator and phase detector. The input of the auto-tuning circuits is the input of the selective amplifier, and the output is the output of the phase detector. [Pomerantsev N.M., Ryzhkov V.M., Skrotsky G.V. Physical foundations of quantum magnetometry. - M.: From Science, 1972, p. 384]. The selective amplifier provides automatic tuning circuits at a specific frequency specified by the sound generator, and does not pass signals with frequencies different from the frequency of this sound generator.

Квантовый магнитометр работает следующим образом.A quantum magnetometer operates as follows.

Циркулярно поляризованное излучение источника 3 накачки поступает в камеру 4 и осуществляет поляризацию атомов щелочного металла. С выхода камеры 4 свет поступает на вход приемного фотодетектора 6, сигнал с которого поступает далее на входы схем 2 и 12 автоподстройки. Работа схем 2 и 12 автоподстройки основана на методике синхронного детектирования резонансного сигнала магнитометра, согласно которому частота радиочастотных генераторов 1 и 11 модулируется с низкой звуковой частотой. При этом в условиях радиооптического резонанса прозрачность камеры 4 поглощения будет изменяться синхронно с частотой модуляции и это изменение фиксируется приемным фото детектором 6, подключенным к схемам 2, 12 автоподстройки частоты соответствующих радиочастотных генераторов 1 и 11. Управляющее напряжение на выходе этих схем 2, 12 осуществляет периодическую подстройку частоты соответствующих радиочастотных генераторов 1 и 11 под резонансное значение, соответствующее измеряемому магнитному полю. Схемы 2, 12 настраивают на разные частоты модуляции так, что каждая из этих схем пропускает только одну их этих частот модуляции, что позволяет разделить сигнал радиоопического резонанса, снимаемый общим приемным фотодетектором 6 по двум схемам автоподстройки и добиться того, что каждая схема автоподстройки работает только на одной из двух частот модуляции.The circularly polarized radiation of the pump source 3 enters the chamber 4 and polarizes the alkali metal atoms. From the output of the camera 4, the light enters the input of the receiving photodetector 6, the signal from which goes further to the inputs of the automatic tuning circuits 2 and 12. The operation of auto-tuning circuits 2 and 12 is based on the method of synchronously detecting the resonant signal of a magnetometer, according to which the frequency of the RF generators 1 and 11 is modulated with a low sound frequency. In this case, under conditions of radio-optical resonance, the transparency of the absorption chamber 4 will change synchronously with the modulation frequency and this change will be recorded by a receiving photo detector 6 connected to the automatic frequency control circuits 2, 12 of the corresponding RF generators 1 and 11. The control voltage at the output of these circuits 2, 12 is periodic tuning of the frequency of the corresponding RF generators 1 and 11 to the resonant value corresponding to the measured magnetic field. Circuits 2, 12 are tuned to different modulation frequencies so that each of these circuits passes only one of these modulation frequencies, which allows you to separate the radio-optical resonance signal recorded by the common receiving photodetector 6 into two auto-tuning circuits and to ensure that each auto-tuning circuit only works at one of two modulation frequencies.

Таким образом, в силу различия частот модуляции достигается автономная работа схем автоподстройки 2 и 12 без их взаимного влияния. Сигналы с первых выходов схем автоподстройки 2 и 12 управляют частотой соответствующих радиочастотных генераторов 1 и 11, частота которых модулируется на различных звуковых частотах модуляции. Со вторых выходов схем автоподстройки 2 и 12 частотномодулированные сигналы поступают соответственно на входы коммутирующего устройства 8, сигнал с одного из выходов которого создает в радиочастотной катушке 5 переменное магнитное поле либо на частоте радиочастотного генератора 1, либо на частоте дополнительного радиочастотного генератора 11 в зависимости от направления магнитного поля в соленоиде 9, питаемого от источника питания 10. Переключение направления магнитного поля в соленоиде 9 осуществляется через другой выход коммутирующего устройства 8 синхронно с переключением частоты переменного магнитного поля радиочастотной катушки 5. Переменное магнитное поле радиочастотной катушки 5 индуцирует магнитодипольные переходы в оптически ориентированных атомах щелочного металла в камере 4. При этом прозрачность камеры 4 изменяется синхронно с частотой модуляции частоты радиочастотного генератора 1, либо частоты дополнительного радиочастотного генератора 11 в зависимости от периода подключения схем автоподстройки 2 и 12, соответствующего двум направлениям магнитного поля в соленоиде 9. Изменение прозрачности камеры 4 фиксируется приемным фотодетектором 6 в виде входного резонансного сигнала магнитометра. Этот сигнал поступает на вход схем автоподстройки 2 и 12, которые осуществляют перестройку частоты радиочастотных генераторов 1 и 11 до резонансных значений, соответствующих двум значениям суммарного вектора напряженности магнитного поля, образованного векторами напряженности H_изм измеряемого магнитного поля и напряженности Н₀ магнитного поля, создаваемого соленоидом 9 при его прямом и обратном включении (или инверсии направления тока).Thus, due to the difference in modulation frequencies, autonomous operation of auto-tuning circuits 2 and 12 is achieved without their mutual influence. The signals from the first outputs of the auto-tuning circuits 2 and 12 control the frequency of the corresponding RF generators 1 and 11, the frequency of which is modulated at different modulation audio frequencies. From the second outputs of the auto-tuning circuits 2 and 12, the frequency-modulated signals are respectively supplied to the inputs of the switching device 8, the signal from one of the outputs of which generates an alternating magnetic field in the RF coil 5 either at the frequency of the RF generator 1 or at the frequency of the additional RF generator 11, depending on the direction magnetic field in the solenoid 9, powered by a power source 10. Switching the direction of the magnetic field in the solenoid 9 is through another output of the switching devices 8 synchronously with switching the frequency of the alternating magnetic field of the RF coil 5. The alternating magnetic field of the RF coil 5 induces magnetic dipole transitions in optically oriented alkali metal atoms in the chamber 4. In this case, the transparency of the chamber 4 changes synchronously with the frequency modulation frequency of the radio frequency generator 1, or the frequency of the additional RF generator 11, depending on the connection period of the auto-tuning circuits 2 and 12, corresponding to two directions of the magnetic field in the solenoid 9. The change in the transparency of the camera 4 is recorded by the receiving photodetector 6 in the form of an input resonant signal of the magnetometer. This signal is input circuits Locked 2 and 12, which carry out rearrangement frequency RF generators 1 and 11 to resonance values corresponding to two values of the summary vector of the magnetic field formed by the vectors intensity H _edited measured magnetic field strength _H0 of the magnetic field generated by the solenoid 9 with its direct and reverse inclusion (or inversion of the current direction).

В общем случае вектора напряженности H_изм и H₀ образуют между собой неизвестный заранее угол. Для исключения этого параметра и определения значения напряженности H_изм магнитного поля в заявляемом магнитометре предусмотрена инверсия вектора напряженности H₀, при которой косинус угла в геометрической сумме векторов напряженности H_изм измеряемого магнитного поля и напряженности H₀ меняет знак, что в свою очередь приводит к изменению указанной геометрической суммы и соответственному изменению резонансной частоты магнитометра. Это позволяет после соответствующей обработки сигналов радиочастотных генераторов 1 и 11 в схеме преобразования частоты 7 выделить информацию о величине напряженности H_изм измеряемого магнитного поля. Значения частоты радиочастотных генераторов 1 и 11, можно определить из следующих равенствIn the general case, the intensity vectors H _ISM and H ₀ form an angle unknown to each other in advance. To eliminate this parameter and determine the value of the magnetic field strength H _ISM in the inventive magnetometer, an inversion of the intensity vector H ₀ is provided, in which the cosine of the angle in the geometric sum of the vectors of intensity H _{ISM of the} measured magnetic field and intensity H ₀ changes sign, which in turn leads to a change the indicated geometric sum and the corresponding change in the resonant frequency of the magnetometer. This allows, after the corresponding processing of the signals of the RF generators 1 and 11, in the frequency conversion circuit 7 to extract information about the magnitude of the intensity H _meas . The frequency values of the RF generators 1 and 11 can be determined from the following equalities

где ω₁ - частота радиочастотного генератора 1;where ω ₁ is the frequency of the radio frequency generator 1;

ω₂ - частота радиочастотного генератора 11;ω ₂ - the frequency of the radio frequency generator 11;

γ - гиромагнитное отношение атомов рабочего вещества;γ is the gyromagnetic ratio of the atoms of the working substance;

H₀ - величина напряженности магнитного поля, создаваемого соленоидом 9;H ₀ - the magnitude of the magnetic field generated by the solenoid 9;

H_изм - величина напряженности измеряемого магнитного поля;H _ISM - the magnitude of the measured magnetic field;

α - угол, образованный между вектором напряженности H₀ магнитного поля соленоида, совпадающий с оптической осью магнитометра, и вектором напряженности H_изм измеряемого магнитного поля.α is the angle formed between the vector of the magnetic field strength H ₀ of the solenoid, coinciding with the optical axis of the magnetometer, and the vector of the magnetic field H _{meas of the} measured magnetic field.

В соответствии с (1) и (2) сумма квадратов частот, определенных по формулам (1) и (2) не зависит от косинуса угла α, что позволяет по их измеренным значениям и известному значению H₀ определить величину напряженности H_изм магнитного поля. С другой стороны, зная величину H_измпо разности этих частот несложно определить косинус угла α, что также может быть выполнено с помощью схемы преобразования частоты 7.In accordance with (1) and (2), the sum of the squares of the frequencies determined by formulas (1) and (2) does not depend on the cosine of the angle α, which allows us to determine the magnitude of the intensity H _{ism of the} magnetic field from their measured values and the known value of H ₀ . On the other hand, knowing the value of H _meas from the difference of these frequencies, it is easy to determine the cosine of the angle α, which can also be done using the frequency conversion circuit 7.

Для обеспечения высокой точности заявляемого магнитометра необходимо, чтобы магнитное поле соленоида 9 намного превышало величину измеряемого (например, геомагнитного) поля. В геомагнитном поле ширина резонансной линии большинства парощелочных магнитометров неразрешена (результат перекрытия многих соседних линий) и весьма широкая (для разных изотопов порядка нескольких килогерц). В однородных магнитных полях, напряженность которых в десятки раз больше напряженности геомагнитного поля для тех же изотопов ширина разрешенной (отдельной) линии составляет от сотен до десятков герц, то есть более чем на порядок уже, зеемановский спектр поглощения полностью разрешен, а амплитуда сигнала магнитометра практически не зависит от угла α, что соответственно приводит к более точному измерению центра линии на частотной шкале.To ensure high accuracy of the inventive magnetometer, it is necessary that the magnetic field of the solenoid 9 is much higher than the measured (for example, geomagnetic) field. In a geomagnetic field, the width of the resonance line of most steam-alkaline magnetometers is unresolved (the result of overlapping many neighboring lines) and very wide (for different isotopes of the order of several kilohertz). In homogeneous magnetic fields, the intensity of which is ten times greater than the geomagnetic field for the same isotopes, the width of the resolved (separate) line is from hundreds to tens of hertz, that is, more than an order of magnitude narrower, the Zeeman absorption spectrum is completely resolved, and the amplitude of the magnetometer signal is practically independent of the angle α, which accordingly leads to a more accurate measurement of the center of the line on the frequency scale.

Так, например, при превышении H₀ над H_изм в десять раз при изменении угла α на 90° максимальное уменьшение амплитуды сигнала магнитометра вследствие его ориентационной зависимости (пропорциональной косинусу четвертой степени от угла между магнитным полем и лучом света накачки) составляет 2%, в то время как в аналогах при угле 90° сигнал магнитометра равен нулю. Если увеличить напряженность поля соленоида еще на порядок, то уменьшение амплитуды сигнала заявляемого магнитометра составит всего лишь 0,02%. При этом предполагается, что напряженность магнитного поля, создаваемого соленоидом 9 заранее известна и поле абсолютно стабильно. Стабильность этого поля может быть обеспечена известными способами, описанными, например, в работе [Александров Е.Б., Балабас М.В., Вершовский А.К., Пазгалев А.С. Экспериментальная демонстрация разрешающей способности квантового магнитометра с оптической накачкой. Журнал Технической Физики, 2004, том 74, вып. 6, стр. 119]So, for example, when H ₀ exceeds H _IS ten times when the angle α is changed by 90 °, the maximum decrease in the amplitude of the magnetometer signal due to its orientation dependence (proportional to the fourth degree cosine of the angle between the magnetic field and the pump light beam) is 2%, while in analogs at a 90 ° angle, the magnetometer signal is zero. If you increase the field strength of the solenoid by another order of magnitude, then the decrease in the signal amplitude of the inventive magnetometer will be only 0.02%. It is assumed that the magnetic field generated by the solenoid 9 is known in advance and the field is absolutely stable. The stability of this field can be ensured by well-known methods described, for example, in [Aleksandrov EB, Balabas MV, Vershovskiy AK, Pazgalev AS An experimental demonstration of the resolution of an optical pumped quantum magnetometer. Journal of Technical Physics, 2004, Volume 74, Issue. 6, p. 119]

Повышение точности заявляемого магнитометра по сравнению с аналогами обусловлен сужением ширины резонансной линии (примерно на порядок по сравнению с шириной линии в магнитных полях геомагнитного диапазона) в сильном стабилизированном магнитном поле соленоида 9. При этом подобное устройство принципиально не имеет мертвых зон и способно функционировать при любой ориентации измеряемого поля в магнитном пространстве.The increased accuracy of the inventive magnetometer in comparison with analogs is due to the narrowing of the width of the resonance line (about an order of magnitude compared to the line width in the magnetic fields of the geomagnetic range) in a strong stabilized magnetic field of the solenoid 9. Moreover, such a device basically has no dead zones and is able to function for any orientation of the measured field in magnetic space.

Claims

Quantum M _Z is a magnetometer containing a radio-frequency generator with a self-tuning circuit, an optical path, including a circularly polarized pump radiation source located on the same axis, an absorption chamber with alkali metal atoms covered by a radio-frequency coil, and a photo detector connected to the input of the auto-tuning circuit of a radio-frequency generator, characterized the fact that an additional radio-frequency generator with an auto-tuning circuit is introduced into it, the input of which is connected to the output of the photodetector, a solenoid with a source a power supply circuit, a frequency conversion circuit connected to a radio frequency generator and an additional radio frequency generator, a switching device connected to a solenoid power source, outputs of a radio frequency generator, an additional radio frequency generator and their auto-tuning circuits, the outputs of the switching device are connected to a radio frequency coil and a solenoid, and an absorption chamber with a radio frequency coil are placed in a solenoid located so that its axis is parallel to the axis of the optical path.