RU2720055C1 - Multichannel diagnostic system - Google Patents

Multichannel diagnostic system Download PDF

Info

Publication number
RU2720055C1
RU2720055C1 RU2019109899A RU2019109899A RU2720055C1 RU 2720055 C1 RU2720055 C1 RU 2720055C1 RU 2019109899 A RU2019109899 A RU 2019109899A RU 2019109899 A RU2019109899 A RU 2019109899A RU 2720055 C1 RU2720055 C1 RU 2720055C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensors
radiation
frequency
optical
atomic
Prior art date
Application number
RU2019109899A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Евгеньевич Осадчий
Антон Константинович Вершовский
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Лазерлаб" (ООО "Лазерлаб")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Лазерлаб" (ООО "Лазерлаб") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Лазерлаб" (ООО "Лазерлаб")
Priority to RU2019109899A priority Critical patent/RU2720055C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2720055C1 publication Critical patent/RU2720055C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/24Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/26Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Abstract

FIELD: registration of electromagnetic fields.
SUBSTANCE: multichannel diagnostic system includes a laser source of linearly polarized radiation of optical pumping with an optical multichannel splitter of pumping radiation; radiofrequency field generator; radio-frequency field coil; at least two atomic magnetometric sensors, each of which includes a polarization-supporting optical fibre for transmitting pumping radiation; a sensitive element comprising a circular polarization of pumping radiation; a working cell, a non-magnetic heater, a photodetector, a photocurrent amplifier; synchronous detector; and an integrator controlling the low-frequency pumping radiation modulator, and a multichannel signal processing and recording circuit. Atomic magnetometric sensors are installed so that angle between any two said sensors does not exceed 20°, and their orientation relative to direction of magnetic field vector provides maximum sensitivity for given type of sensors, wherein all sensors are in common radio-frequency field. Optical pumping circuit of each of said sensors includes pumping power control and light shift of magnetic resonance frequency low-frequency modulator, installed either directly after optical multichannel splitter before transmitting radiation optical fibre, or at the input of sensitive element after radiation transmitting optical fibre.
EFFECT: technical result consists in improvement of efficiency of diagnostic system due to increased accuracy of detection.
4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области медицины и нейронауке и предназначено для неинвазивной регистрации электромагнитных полей, порождаемых активностью головного мозга человека, с последующей локализацией активных областей на коре головного мозга для диагностики широкого спектра неврологических расстройств и исследования принципов функционирования головного мозга человека.The invention relates to medicine and neuroscience, and is intended for non-invasive registration of electromagnetic fields generated by activity of the human brain, with subsequent localization of active areas on the cerebral cortex for the diagnosis of a wide range of neurological disorders and the study of the principles of functioning of the human brain.

В настоящее время актуальной задачей является исследование, интерпретация и моделирование принципов работы головного мозга с последующим использованием в целях диагностики и выработки методов лечения и превентивной терапии нейродегенаративных заболеваний. Решение перечисленных задач невозможно без методик функциональной нейровизуализации, уникальным представителем которых является магнитоэнцефалография (МЭГ). МЭГ позволяет неинвазивно, т.е. без нарушения целостности тканей, регистрировать электрическую активность головного мозга с временным разрешением порядка единиц миллисекунд и субсантиметровым пространственным разрешением. В настоящее время МЭГ как единственная методика, позволяющая неинвазивно и с приемлемой точностью выполнить локализацию нестационарных нейрональных источников, является де-факто золотым стандартом неинвазивной диагностики эпилепсии в клиниках, располагающих доступом к этому оборудованию. Кроме того, МЭГ активно применяется в фармакологической индустрии для оценки влияния препаратов на функциональное состояние центральной нервной системы, и позволяет в отличие от функциональной МРТ (фМРТ) исследовать тонкую пространственно-временную структуру вызванных препаратами изменений электрической активности головного мозга, как желаемых, так и побочныхCurrently, the urgent task is to study, interpret and model the principles of the brain with subsequent use for the diagnosis and development of treatment methods and preventive therapy of neurodegenerative diseases. The solution of these problems is impossible without functional neuroimaging techniques, the unique representative of which is magnetoencephalography (MEG). MEG allows non-invasively, i.e. without violating the integrity of the tissues, register the electrical activity of the brain with a temporal resolution of the order of units of milliseconds and a sub-centimeter spatial resolution. Currently, the MEG as the only technique that allows non-invasively and with reasonable accuracy to localize non-stationary neuronal sources is the de facto gold standard for non-invasive diagnostics of epilepsy in clinics with access to this equipment. In addition, MEG is actively used in the pharmacological industry to assess the effect of drugs on the functional state of the central nervous system, and, in contrast to functional MRI (fMRI), allows to study the fine spatio-temporal structure of changes in the electrical activity of the brain caused by drugs, both desired and secondary

В настоящее время, в целом, существует две тенденции развития методики неинвазивного нейрокартирования, основанного на биомагнитометрической информации. В основе первой - построение многоканальных систем на основе атомарных магнитометров, работающих в режиме, свободном от спинобменного уширения (SERF (Spin Exchange Relaxation Free)). Второе и более традиционное направление - использование сверхпроводящих квантовых интерферометров (SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)).Также, были выявлены ближайшие технологии, но не относящиеся к датчикам SERF или SQUID.Currently, in general, there are two trends in the development of non-invasive neuro-mapping techniques based on biomagnetometric information. The first is based on the construction of multichannel systems based on atomic magnetometers operating in a mode free from spin exchange broadening (SERF (Spin Exchange Relaxation Free)). The second and more traditional direction is the use of superconducting quantum interferometers (SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Also, the nearest technologies have been identified, but not related to SERF or SQUID sensors.

Однако, существенным недостатком используемых в современных многоканальных магнитоэнцефалографах СКВИДов (от Сверхпроводящий КВантовый Интерференционный Датчик), работающих в условиях сверхнизких (гелиевых) температур, является отсутствие возможности их приближения к объекту исследования на расстояние, меньшее толщины стенки сосуда Дьюара (~3 см). Невозможность адаптации геометрии сосуда Дьюара к форме и размеру головы испытуемого ведет к еще большему росту и неравномерности распределения расстояния датчик-мозг и существенным потерям в соотношении сигнал-шум при регистрации активности нейрональных источников. Кроме того, СКВИД-системы могут эксплуатироваться лишь в дорогостоящих магнитоэкранированных помещениях, стоимость которых составляет начинается от 400 тысяч долларов США, и требуют еженедельной дозаправки дорогостоящим жидкий гелием, что делает эксплуатацию таких систем неприемлемо затратной для абсолютного большинства клинических учреждений.However, a significant drawback of SQUIDs used in modern multichannel magnetoencephalographs (from the Superconducting Quantum Interference Sensor) operating at ultra-low (helium) temperatures is the inability to bring them closer to the object of study at a distance shorter than the wall thickness of the Dewar vessel (~ 3 cm). The inability to adapt the geometry of the Dewar vessel to the shape and size of the subject’s head leads to even greater growth and uneven distribution of the sensor-brain distance and significant losses in the signal-to-noise ratio when registering the activity of neuronal sources. In addition, SQUID systems can only be used in expensive magnetically shielded rooms, the cost of which starts at 400 thousand US dollars, and require weekly refueling with expensive liquid helium, which makes the operation of such systems unacceptably expensive for the vast majority of clinical institutions.

Применение технологий квантовой оптики к магнитометрии привело к созданию новых перспективных схем, сравнимых по чувствительности со СКВИД системами и даже превосходящих последние. Высокая чувствительность (~3-10 фТл/√Гц), малые размеры, способность работать в широком диапазоне внешних магнитных полей, вплоть до земного, отсутствие необходимости глубокого охлаждения (для их работы достаточно обеспечить относительно небольшой нагрев) открывают возможности применения этих устройств для неинвазивной (без нарушения целостности тканей) регистрации электрической активности биологических объектов, в том числе и головного мозга.The application of quantum optics technologies to magnetometry has led to the creation of new promising schemes that are comparable in sensitivity to SQUID systems and even surpass the latter. High sensitivity (~ 3-10 fTl / √Hz), small size, the ability to work in a wide range of external magnetic fields, up to the earth, the lack of need for deep cooling (for their operation it is enough to provide relatively little heat) open up the possibility of using these devices for non-invasive (without violating the integrity of tissues) registration of the electrical activity of biological objects, including the brain.

Построение интегрированных многоканальных магнитоэнцефалографических систем с адаптирующейся геометрией массива атомарных магнитометрических датчиков (АМД) позволит достичь нового качественного уровня неинвазивной функциональной нейровизуализации. Полученная технология повысит точность предоперационного картирования и позволит перейти на качественно новый уровень при решении задач выявления очагов эпилептической активности, обеспечив возможность более детальной дифференциальной диагностики и планирования оперативного вмешательства при лечении фармако-резистентной эпилепсии.The construction of integrated multichannel magnetoencephalographic systems with adaptive geometry of an array of atomic magnetometric sensors (AMD) will allow us to achieve a new qualitative level of non-invasive functional neuroimaging. The resulting technology will increase the accuracy of preoperative mapping and will allow to reach a qualitatively new level in solving problems of identifying foci of epileptic activity, providing the possibility of more detailed differential diagnosis and planning of surgical intervention in the treatment of pharmacologically resistant epilepsy.

Атомные магнитометры с максимальной чувствительностью работают в так называемом SERF режиме (Spin Exchange Relaxation Free) и, следовательно, требуют сверхслабых по модулю внешних магнитных полей, с высочайшей степенью пространственной равномерности, что в настоящее время достигается за счет использования магнитоизолирующих камер в сочетании с дополнительными компенсирующими катушками, распололженными в непосредсвенной близости от испытуемого. С целью преодоления этого препятствия нами было проведено исследование, в результате которого был разработан лабораторный макет AM, способный работать в ненулевых полях (10-100 мкТл) и обеспечивающий сравнимую со СКВИД предельную чувствительность.Atomic magnetometers with maximum sensitivity operate in the so-called SERF (Spin Exchange Relaxation Free) mode and, therefore, require ultra-weak external magnetic fields with the highest degree of spatial uniformity, which is currently achieved through the use of magnetically insulating cameras in combination with additional compensating coils located in close proximity to the subject. In order to overcome this obstacle, we conducted a study, as a result of which a laboratory prototype AM was developed, capable of working in nonzero fields (10-100 μT) and providing ultimate sensitivity comparable to SQUID.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является известное решение по патенту Германии магнитометра с оптической накачкой, который позволяет использовать его в массивах датчиков, в которых не происходит взаимного влияния отдельного магнитометра, и способа работы устройства, включающего массив магнитометров с оптической накачкой. (Заявка Германии №102013004385, МПК G01R 33/032; G01R 33/26, опубл. 19.09.2013).Closest to the claimed invention is the well-known German patented solution of an optically pumped magnetometer, which allows its use in arrays of sensors in which there is no mutual influence of a separate magnetometer, and the method of operation of the device, including an array of magnetically pumped magnetometers. (German application No. 102013004385, IPC G01R 33/032; G01R 33/26, published on 09/19/2013).

Недостатками известного решения являются его сложность и дороговизна, поскольку его реализация требует использования в каждом канале дорогостоящего и требующего тонкой юстировки акустооптического (АОМ) или электрооптического (ЕОМ) модулятора (обозначенного в патенте IM), обеспечивающего 100% модуляцию на ларморовской частоте, составляющей десятки или сотни килогерц.The disadvantages of the known solution are its complexity and high cost, since its implementation requires the use in each channel of expensive and requiring fine adjustment of the acousto-optical (AOM) or electro-optical (EOM) modulator (indicated in the IM patent), providing 100% modulation at a Larmor frequency of tens or hundreds of kilohertz.

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков известных устройств и систем и создание многоканальной диагностической системы для магнитоэнцефалографа (МЭГ) нового поколения, позволяющего неинвазивно регистрировать электрическую активность головного мозга человека с недоступной ранее пространственной и временной точностью. Новая технология измерения сверхслабых магнитных полей, не требующая применения криогенного оборудования, существенно удешевит прибор, сделает его доступным широкому кругу клинических и исследовательских учреждений и обеспечит превосходство в задачах диагностики неврологических расстройств и в когнитивных исследованиях.The objective of the claimed invention is to eliminate the disadvantages of known devices and systems and create a multi-channel diagnostic system for a new generation magnetoencephalograph (MEG), which allows non-invasively recording the electrical activity of the human brain with previously unavailable spatial and temporal accuracy. A new technology for measuring ultra-weak magnetic fields, which does not require the use of cryogenic equipment, will significantly reduce the cost of the device, make it accessible to a wide range of clinical and research institutions and provide superiority in the tasks of diagnosing neurological disorders and in cognitive research.

Таким образом, техническим результатом является повышение эффективности диагностической системы за счет увеличения точности детектирования и обеспечение возможности работы атомарного магнитометрического датчика в составе многоканальной диагностической системы без создания помех в работе близкорасположенных аналогичных датчиков.Thus, the technical result is to increase the efficiency of the diagnostic system by increasing the accuracy of detection and providing the possibility of operation of an atomic magnetometric sensor as part of a multichannel diagnostic system without interfering with the operation of nearby similar sensors.

Технический результат достигается за счет того, что в многоканальной диагностической системе, включающей лазерный источник линейно поляризованного излучения оптической накачки с оптическим многоканальным разветвителем излучения накачки; генератор радиочастотного поля; катушку радиочастотного поля; по меньшей мере два атомарных магнитометрических датчика, каждый из которых включает в себя поддерживающее поляризацию оптоволокно для передачи излучения накачки; чувствительный элемент, включающий циркулярный поляризатор излучения накачки; рабочую ячейку, немагнитный нагреватель, фотоприемник, усилитель фототока; синхронные детекторы; и интеграторы, управляющие низкочастотными модуляторами излучения накачки (по числу датчиков), и многоканальную схему обработки и записи сигналов, атомарные магнитометрические датчики установлены таким образом, что угол между любыми двумя упомянутыми датчиками не превышает 20°, а их ориентация по отношению к направлению вектора магнитного поля обеспечивает максимальную для данного типа датчиков чувствительность, причем все датчики находятся в общем радиочастотном поле, а схема оптической накачки каждого упомянутого датчика включает управляющий мощностью накачки и световым сдвигом частоты магнитного резонанса низкочастотный модулятор, установленный либо непосредственно после оптического многоканального разветвителя перед передающим излучение оптоволокном, либо на входе чувствительного элемента после передающего излучение оптоволокна.The technical result is achieved due to the fact that in a multi-channel diagnostic system, including a laser source of linearly polarized optical pump radiation with an optical multi-channel splitter of pump radiation; RF field generator; RF coil; at least two atomic magnetometric sensors, each of which includes polarization-supporting optical fiber for transmitting pump radiation; a sensitive element comprising a circular polarizer for pump radiation; working cell, non-magnetic heater, photodetector, photocurrent amplifier; synchronous detectors; and integrators controlling low-frequency modulators of pump radiation (according to the number of sensors), and a multi-channel signal processing and recording circuit, atomic magnetometric sensors are installed so that the angle between any two of these sensors does not exceed 20 °, and their orientation with respect to the direction of the magnetic vector field provides the maximum sensitivity for this type of sensor, and all sensors are in a common radio frequency field, and the optical pump circuit of each of these sensors includes directs pump light power and the frequency shift of the magnetic resonance low frequency modulator mounted either directly after the multi-channel optical splitter optical fiber before the transmission light, or a sensor input radiation after transmitting fiber.

Кроме того, низкочастотный модулятор может быть, в частности, жидкокристаллическим.In addition, the low-frequency modulator may be, in particular, liquid crystal.

Также, система включает лазерный источник линейно поляризованного излучения детектирования с оптическим многоканальным разветвителем излучения детектирования, атомарный магнитометрический датчик включает в себя поддерживающее поляризацию оптоволокно для передачи излучения детектирования, а чувствительный элемент включает балансный детектор изменения угла поляризации излучения детектирования;The system also includes a linearly polarized detection radiation laser source with an optical multi-channel detection radiation splitter, an atomic magnetometric sensor includes polarization-supporting optical fiber for transmitting detection radiation, and a sensitive element includes a balanced detector for changing the polarization angle of detection radiation;

Кроме того, чувствительный элемент включает катушку радиочастотного поля.In addition, the sensing element includes a coil of the radio frequency field.

Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, состоит в исключении помех в работе близкорасположенных аналогичных датчиков, что достигается за счет следующих решений:The technical result, the achievement of which is ensured by the implementation of the entire set of essential features of the claimed invention, consists in eliminating interference in the operation of similar sensors located nearby, which is achieved by the following solutions:

1) использование общего для всех датчиков резонансного радиочастотного (РЧ) поля, имеющего постоянную частоту, либо привязанного по частоте к магнитному полю, измеряемому одним или несколькими датчиками многоканальной диагностической системы;1) the use of a resonant radio-frequency (RF) field common to all sensors, having a constant frequency, or tied in frequency to a magnetic field, measured by one or more sensors of a multichannel diagnostic system;

2) динамическая компенсация сдвига центра линии магнитного резонанса (возникающего в каждом датчике вследствие вариаций локального поля, и пропорционального этим вариациям), осуществляемая посредством замыкания обратной связи для управления интенсивностью света накачки, и как следствие - величиной светового сдвига линии магнитного резонанса.2) dynamic compensation of the shift of the center of the magnetic resonance line (occurring in each sensor due to variations in the local field, and proportional to these variations), carried out by closing feedback to control the intensity of the pump light, and as a result, the magnitude of the light shift of the magnetic resonance line.

3) измерение величины вариаций магнитного поля производится посредством измерения вариаций мощности накачки; в случае использования низкочастотного (0-100 Гц) модулятора интенсивности (ЖКМ жидкокристаллического модулятора) измерение величины вариаций магнитного поля производится посредством измерения вариаций сигнала управления ЖКМ.3) the measurement of the magnitude of the magnetic field variations is made by measuring the variations in the pump power; in the case of using a low-frequency (0-100 Hz) intensity modulator (LCD liquid crystal modulator), the magnitude of the magnetic field variations is measured by measuring the variations of the LCD control signal.

Сущность заявляемого изобретения поясняется рисунками, гдеThe essence of the invention is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 представлена упрощенная блок-схема классического атомарного магнитометра (AM);in FIG. 1 is a simplified block diagram of a classical atomic magnetometer (AM);

на фиг. 2 схема известного атомарного магнитометрического датчика (АМД), работающего в составе МЭГ;in FIG. 2 is a diagram of a known atomic magnetometric sensor (AMD) operating in the MEG;

на фиг. 3 представлен пример схемы атомарного магнитометрического датчика (АМД), работающего в составе МЭГ, для заявленной диагностической системы.in FIG. 3 shows an example of an atomic magnetometric sensor (AMD) circuit operating as part of an MEG for the claimed diagnostic system.

Рисунки на фиг. 1-3 включают следующие позиции:The figures in FIG. 1-3 include the following items:

1 - источник накачки (лазер),1 - pump source (laser),

2 - циркулярный поляризатор,2 - circular polarizer,

3 - рабочая ячейка,3 - working cell,

4 - катушка РЧ поля,4 - RF field coil,

5 - фотоприемник с усилителем,5 - photodetector with amplifier,

6 - синхронный детектор,6 - synchronous detector,

7 - интегратор,7 - integrator

8 - генератор, управляемый напряжением,8 - voltage controlled oscillator,

9 - жидкокристаллический (ЖК) модулятор.9 - liquid crystal (LCD) modulator.

В описании авторы используют следующие понятия.In the description, the authors use the following concepts.

Магнитометрический датчик (МД) представляет собой устройство, предназначенное для измерения параметров магнитного поля или вариаций этих параметров.A magnetometric sensor (MD) is a device designed to measure magnetic field parameters or variations of these parameters.

Магнитометрический датчик, предназначенный для работы в составе магнитоэнцефалографических систем (МЭГ), должен быть способен измерять вариации модуля или компонент магнитного поля в полосе 2÷100 Гц и вариационной чувствительностью на уровне 10÷20 фТл/√Гц; требования по чувствительности для магнитокардиографических систем (МКГ) на порядок ниже.A magnetometric sensor designed to operate as part of a magnetoencephalographic system (MEG) must be capable of measuring variations in the module or component of the magnetic field in the band 2 ÷ 100 Hz and with a variational sensitivity of 10 ÷ 20 fTl / √Hz; sensitivity requirements for magnetocardiographic systems (MCH) are an order of magnitude lower.

Магнитометр представляет собой устройство, включающее в себя один или несколько МД, схемы управления и регистрации показаний.A magnetometer is a device that includes one or more MDs, control circuits, and recording readings.

Многоканальная диагностическая система (МДС) представляет собой совокупность нескольких МД, сенсоры которых расположены максимально близко к поверхности (в общем случае - криволинейной) исследуемого объекта. Назначение МДС - измерение локальных временных вариаций магнитного поля, генерируемых исследуемым объектом в местах расположения сенсоров, в определенной полосе частот с пространственным разрешением <1 см.A multichannel diagnostic system (MDS) is a collection of several MDs whose sensors are located as close to the surface (in the general case - curvilinear) of the studied object. The purpose of the MDS is to measure the local temporal variations of the magnetic field generated by the studied object in the locations of the sensors in a certain frequency band with a spatial resolution of <1 cm.

При использовании атомарных магнитометрических датчиков (АМД) в многоканальных диагностических системах, а именно в магнитоэнцефалографах (МЭГ) и магнитокардиографах (МКГ), важным условием является их способность работать в массиве из нескольких (в случае МЭГ - до двухсот) близкорасположенных датчиков, не создавая помех соседним датчикам. Именно такое расположение датчиков позволяет регистрировать пространственно высокочастотные гармоники магнитного поля, порождаемого нейрональными источниками, и обеспечивает таким образом высокое пространственное разрешение картирования функции головного мозга.When using atomic magnetometric sensors (AMD) in multichannel diagnostic systems, namely, magnetoencephalographs (MEG) and magnetocardiographs (MAG), an important condition is their ability to work in an array of several (in the case of MEG - up to two hundred) nearby sensors, without interfering adjacent sensors. It is this arrangement of sensors that allows you to register spatially high-frequency harmonics of the magnetic field generated by neuronal sources, and thus provides a high spatial resolution for mapping brain functions.

Классическая схема атомарного магнитометра (AM) непригодна для использования в многоканальных системах. Вследствие неоднородности магнитного поля в исследуемой области частоты РЧ поля разных атомарных магнитометрических датчиков (АМД) будут различаться. Поскольку радиочастотное (РЧ) поле, создаваемое вокруг ячейки АМД, невозможно локализовать в пространстве этой ячейки, оно будет воздействовать на соседние датчики, что неизбежно приведет к их взаимовлиянию.The classical scheme of an atomic magnetometer (AM) is unsuitable for use in multichannel systems. Due to the heterogeneity of the magnetic field in the studied frequency region, the RF fields of different atomic magnetometric sensors (AMD) will differ. Since the radio-frequency (RF) field created around the AMD cell cannot be localized in the space of this cell, it will affect neighboring sensors, which will inevitably lead to their mutual influence.

Принцип работы атомарного (или квантового) магнитометрического датчика (АМД) с оптической накачкой основан на способности магнитного момента атома прецессировать в магнитном поле, подобно волчку в гравитационном поле Земли.The principle of operation of an atomic (or quantum) magnetometric sensor (AMD) with optical pumping is based on the ability of an atomic magnetic moment to precess in a magnetic field, like a top in the Earth's gravitational field.

Частота ω0 прецессии магнитного момента (так называемая частота Лармора, или ларморовская частота) в первом приближении пропорциональна индукции магнитного поля В:

Figure 00000001
The frequency ω 0 of the precession of the magnetic moment (the so-called Larmor frequency, or Larmor frequency) in the first approximation is proportional to the magnetic field induction B:
Figure 00000001

где γ - гиромагнитное отношение, для атомов цезия (Cs) составляющее 2π⋅(3.5 Гц/нТл).where γ is the gyromagnetic ratio, for cesium atoms (Cs) it is 2π⋅ (3.5 Hz / nT).

Эта величина является константой, что определяет абсолютность показаний АМД. Впрочем, частота резонанса может дополнительно смещаться внешними факторами, такими, как взаимодействующее с атомами излучение накачки.This value is a constant, which determines the absoluteness of AMD readings. However, the resonance frequency can be additionally shifted by external factors, such as pump radiation interacting with atoms.

На фиг. 3 представлен пример схемы атомарного магнитометрического датчика (АМД), работающего в составе МЭГ, для которого реализуется заявленное изобретение. Атомарный магнитометрический датчик включает источник накачки (лазер) 1, циркулярный поляризатор 2, рабочую ячейку 3, катушку радиочастотного (РЧ) поля 4, фотоприемник 5 с усилителем, синхронный детектор 6, интегратор 7, генератор 8, управляемый напряжением, жидкокристаллический (ЖК) модулятор 9.In FIG. 3 shows an example of an atomic magnetometric sensor (AMD) circuit operating as part of an MEG for which the claimed invention is implemented. An atomic magnetometric sensor includes a pump source (laser) 1, a circular polarizer 2, a working cell 3, a coil of radio-frequency (RF) field 4, a photodetector 5 with an amplifier, a synchronous detector 6, an integrator 7, a voltage-controlled oscillator 8, a liquid crystal (LCD) modulator 9.

Чувствительным элементом АМД является прозрачная (стеклянная) ячейка 3, заполненная парамагнитными (как правило, щелочными) атомами в газовой фазе. Для предотвращения столкновения атомов со стенками ячейки в нее добавляется инертный газ, либо стенки ячейки изнутри покрываются специальным покрытием.The sensitive element of AMD is a transparent (glass) cell 3 filled with paramagnetic (usually alkaline) atoms in the gas phase. To prevent the collision of atoms with the cell walls, an inert gas is added to it, or the cell walls are coated with a special coating from the inside.

Работа АМД включает следующие этапы:AMD work includes the following steps:

1. Оптическая накачка продольным по отношению к измеряемому магнитному полю циркулярно поляризованным резонансным светом накачки - процесс, который выстраивает оси прецессии всех атомных магнитных моментов вдоль магнитного поля. В результате накачки все атомные моменты прецессируют вокруг одной оси, но со случайными фазами.1. Optical pumping by a circularly polarized resonant pumping light longitudinal with respect to the measured magnetic field is a process that builds the precession axis of all atomic magnetic moments along the magnetic field. As a result of pumping, all atomic moments precess around one axis, but with random phases.

2. Фазирование прецессии атомных магнитных моментов, то есть согласование фаз их прецессии с помощью резонансного (т.е. осциллирующего с частотой ω≈ω0) радиочастотного (РЧ) поля. В результате фазирования все атомные моменты прецессируют вокруг одной оси с частотой ω≈ω0 и одной и той же фазой, определяемой фазой радиополя; появляется ненулевая суммарная вращающаяся поперечная намагниченность среды.2. Phasing of the precession of atomic magnetic moments, that is, matching the phases of their precession with the help of a resonant (that is, oscillating with a frequency ω≈ω 0 ) radio-frequency (RF) field. As a result of phasing, all atomic moments precess around one axis with a frequency ω≈ω 0 and the same phase determined by the phase of the radio field; a nonzero total rotating transverse magnetization of the medium appears.

3. Оптическое детектирование вращающейся поперечной намагниченности среды поперечным светом детектирования. В зависимости от поляризации детектирующего луча и степени его отстройки от центра оптической линии поглощения, взаимодействие со вращающимися моментами будет приводить либо к модуляции интенсивности детектирующего луча на частоте ω≈ω0, либо к качанию его плоскости поляризации на той же частоте. Существуют упрощенные (однолучевые) схемы, в которых лучи накачки и детектирования объединены в один луч, направленный под 45° к магнитному полю. Алгоритм их работы не отличается от описанного выше. Также существуют вариации описанной выше схемы, в частности, магнитометры нулевого поля SERF, также использующие однолучевую схему, но регистрирующие сигнал не на ларморовской частоте, а на частоте внешнего модулирующего поля.3. Optical detection of rotating transverse magnetization of the medium by transverse light detection. Depending on the polarization of the detecting beam and the degree of its detuning from the center of the optical absorption line, interaction with rotating moments will either modulate the intensity of the detecting beam at a frequency ω≈ω 0 , or will cause its polarization plane to swing at the same frequency. There are simplified (single-beam) schemes in which the pump and detection beams are combined into a single beam directed at 45 ° to the magnetic field. The algorithm of their work does not differ from that described above. There are also variations of the above-described circuit, in particular, SERF zero-field magnetometers, which also use a single-beam circuit, but which record the signal not at the Larmor frequency, but at the frequency of the external modulating field.

Для измерения магнитного поля необходимо точно привязать частоту радиочастотного (РЧ) поля ω к ларморовской частоте ω0. После этого, зная ω0, вычисляют индукцию магнитного поля по формуле (1).To measure the magnetic field, it is necessary to precisely bind the frequency of the radio frequency (RF) field ω to the Larmor frequency ω 0 . After that, knowing ω 0 , the induction of the magnetic field is calculated by the formula (1).

Привязка осуществляется следующим образом: сигнал модуляции детектирующего луча (также называемый сигналом магнитного резонанса) на частоте ω детектируют синхронным детектором; в качестве опорного сигнала при детектировании используют РЧ поле.The binding is as follows: the modulation signal of the detecting beam (also called the magnetic resonance signal) at a frequency ω is detected by a synchronous detector; an RF field is used as a reference signal during detection.

При правильном выборе фазы детектирования сигнал ошибки, возникающий при отстройке частоты РЧ поля со от ω от ω0, имеет форму дисперсионной кривой:With the right choice of the detection phase, the error signal that occurs when the frequency of the RF field is tuned from ω to ω 0 has the form of a dispersion curve:

где

Figure 00000002
Where
Figure 00000002

Δω=ω-ω0 Δω = ω-ω 0

Ω - частота Раби резонансного РЧ поля, пропорциональная его амплитуде,Ω is the Rabi frequency of the resonant RF field, proportional to its amplitude,

Т1, Т2 - времена продольной и поперечной релаксации атомных моментов;T 1 , T 2 - the longitudinal and transverse relaxation times of atomic moments;

k - коэффициент, зависящий от параметров системы - интенсивности излучения накачки и детектирования, температуры и т.д.k is a coefficient depending on the parameters of the system - the intensity of the pump radiation and detection, temperature, etc.

Формула (2) описывает одну проекцию линии магнитного резонанса. В классической схеме AM обратная связь (ОС) замыкается по сигналу ошибки S(Δω). Сигнал ошибки используется для управления частотой РЧ поля (фиг. 1); ОС постоянно поддерживает равенство S(Δω)=0, обеспечивая тем самым выполнение условия Δω=0. Таким образом, в этой схеме частота РЧ поля ω всегда равна ларморовской частоте ω0, и пропорциональна модулю магнитного поля.Formula (2) describes one projection of the magnetic resonance line. In the classical AM circuit, feedback (OS) is closed by the error signal S (Δω). The error signal is used to control the frequency of the RF field (Fig. 1); The OS constantly maintains the equality S (Δω) = 0, thereby ensuring that the condition Δω = 0 is satisfied. Thus, in this scheme, the frequency of the RF field ω is always equal to the Larmor frequency ω 0 , and is proportional to the modulus of the magnetic field.

Для решения поставленной задачи авторами предлагается использовать свойство излучения накачки смещать частоту магнитного резонанса ω0 (так называемый световой сдвиг магнитного резонанса). Величина этого сдвига пропорциональна интенсивности излучения накачки. Величина светового сдвига особенно сильна в компактных схемах, использующих эффекты подавления спин-обменного уширения в нулевых полях (SERF), и в ненулевых полях в «вытянутых» состояниях (stretched state). В частности, в наиболее эффективных схемах оптической накачки с уровня (F-1/2) основного состояния и при опросе уровней (F+1/2) основного состояния типичные величины светового сдвига излучением накачки (приведенные к значениям магнитного поля) составляют десятки и сотни нТл. Это приводит к необходимости стабилизации интенсивности накачки на уровне 10-6÷10-7, что само по себе является нетривиальной технической задачей. Включив световой сдвиг в (2), переопределяют Δω:To solve this problem, the authors propose to use the property of pump radiation to shift the frequency of magnetic resonance ω 0 (the so-called light shift of magnetic resonance). The magnitude of this shift is proportional to the intensity of the pump radiation. The magnitude of the light shift is especially strong in compact circuits using the effects of suppression of spin-exchange broadening in zero fields (SERF), and in nonzero fields in the “extended” states (stretched state). In particular, in the most efficient optical pumping schemes from the ground state (F-1/2) level and when interrogating the ground state (F + 1/2) levels, the typical values of the light shift by pump radiation (reduced to the magnetic field) are tens and hundreds NT This leads to the need to stabilize the pump intensity at the level of 10 -6 ÷ 10 -7 , which in itself is a non-trivial technical task. By including the light shift in (2), redefine Δω:

Figure 00000003
Figure 00000003

гдеWhere

Δω - отстройка частоты, определена выше, под формулой (2)Δω - frequency offset, defined above, under the formula (2)

Ip - интенсивность излучения накачки,I p is the intensity of the pump radiation,

ksh - коэффициент светового сдвига, величина которого практически постоянна при данной ширине резонансной линии и частоте излучения накачки.k sh is the light shift coefficient, the value of which is almost constant at a given resonance line width and pump radiation frequency.

Из (2) и (3) следует, что до тех пор, пока изменение интенсивности накачки не начнет деструктивно влиять на чувствительность АМД, можно использовать управление величиной светового сдвига Ip⋅ksh для обнуления сигнала ошибки S(Δω). При этом обратная связь вместо частоты РЧ поля со будет управлять интенсивностью света накачки Ip (фиг. 3). Поскольку зависимость чувствительности АМД от Ip имеет оптимум, в котором производная чувствительности по Ip равна нулю, небольшие (в пределах ±10%) вариации интенсивности относительно оптимального значения не приведут к сколь-либо заметному снижению чувствительности АМД.From (2) and (3) it follows that until the change in the pump intensity begins to destructively affect the AMD sensitivity, one can use the control of the light shift I p ⋅k sh to zero the error signal S (Δω). In this case, the feedback instead of the frequency of the RF field ω will control the intensity of the pump light I p (Fig. 3). Since the dependence of the sensitivity of AMD on I p has an optimum in which the derivative of sensitivity with respect to I p is zero, small (within ± 10%) variations in intensity relative to the optimal value will not lead to any noticeable decrease in the sensitivity of AMD.

Поскольку пространственные и временные вариации магнитного поля в области многоканальной системы в магнитоэкранированном помещении не превышают ±10 нТл, а типичные световые сдвиги линии магнитного резонанса составляют ~10 нТл/мВт, данный способ особенно хорошо применим к высокочувствительным АМД с компактными (менее 1 см3) ячейками. Такие АМД используют интенсивности оптической накачки порядка 10 мВт на датчик, и изменение интенсивности света накачки в них на 10% (т.е. на 1 мВт) позволит уверенно компенсировать временные и пространственные вариации магнитного поля в области многоканальной системы, и при этом приведет к ухудшению чувствительности, не превышающему 2%.Since the spatial and temporal variations of the magnetic field in the region of a multichannel system in a magnetically shielded room do not exceed ± 10 nT, and typical light shifts of the magnetic resonance line are ~ 10 nT / mW, this method is particularly well applicable to highly sensitive AMD with compact (less than 1 cm 3 ) cells. Such AMDs use optical pump intensities of the order of 10 mW per sensor, and a 10% change in the pump light intensity (i.e., 1 mW) will allow us to reliably compensate for the temporal and spatial variations of the magnetic field in the region of the multichannel system, and in so doing will lead to deterioration in sensitivity not exceeding 2%.

Таким образом, при работе системы МЭГ все АМД работают в общем РЧ поле, частота которого одинакова для всех датчиков, и привязана к средней величине поля в исследуемом объеме (либо напротив - средняя величина поля привязана к частоте РЧ поля).Thus, during the operation of the MEG system, all AMD work in a common RF field, the frequency of which is the same for all sensors, and is tied to the average field value in the volume under study (or, on the contrary, the average field value is tied to the frequency of the RF field).

В отличие от известных решений обнуление сигнала ошибки S(Δω) в каждом датчике и удержание его на центре резонансной линии осуществляется посредством управления интенсивностью света накачки Ip. Величина вариаций магнитного поля определяется по величине вариаций мощности накачки.In contrast to the known solutions, zeroing the error signal S (Δω) in each sensor and keeping it at the center of the resonance line is carried out by controlling the pump light intensity I p . The magnitude of the magnetic field variations is determined by the magnitude of the variations in the pump power.

Заявленная система работает следующим образом.The claimed system operates as follows.

В многоканальной диагностической системе атомарные магнитометрические датчики устанавливают сколь угодно близко друг к другу таким образом, что угол между любыми двумя датчиками не превышает 20°, а их ориентация по отношению к направлению вектора магнитного поля обеспечивает максимальную для данного типа датчиков чувствительность. В частности, для атомарных магнитометров, работающих в двухлучевой схеме (двухлучевых датчиков) это означает, что направление луча накачки ориентировано параллельно магнитному полю, а для атомарных магнитометров, работающих в однолучевой схеме (однолучевых датчиков) направление луча накачки ориентировано под 45° к магнитному полю. Выбор угла между оптическими осями соседних датчиков меньше 20° обусловлен геометрией массива сенсоров, основания которых должны равномерно покрывать поверхность скальпа испытуемого и располагаться как можно ближе. Учитывая естественную кривизну поверхности скальпа и расстояние между сенсорами не превышающее 2 см, угол между осями сенсоров не превысит 20°.In a multi-channel diagnostic system, atomic magnetometric sensors are set arbitrarily close to each other so that the angle between any two sensors does not exceed 20 °, and their orientation with respect to the direction of the magnetic field vector provides the maximum sensitivity for this type of sensors. In particular, for atomic magnetometers operating in a two-beam circuit (double-beam sensors) this means that the direction of the pump beam is oriented parallel to the magnetic field, and for atomic magnetometers working in a single-beam circuit (single-beam sensors), the direction of the pump beam is oriented at 45 ° to the magnetic field . The choice of the angle between the optical axes of adjacent sensors is less than 20 ° due to the geometry of the array of sensors, the bases of which should uniformly cover the scalp of the subject and be located as close as possible. Given the natural curvature of the scalp surface and the distance between the sensors not exceeding 2 cm, the angle between the axes of the sensors will not exceed 20 °.

Резонансное лазерное излучение генерируют и, пропуская его последовательно через жидкокристаллический модулятор 9, циркулярный поляризатор 2, и параллельно направлению магнитного поля сквозь рабочую ячейку 3, осуществляют оптическую накачку атомных моментов светом с интенсивностью, обеспечивающей максимальную чувствительность датчика. Резонансное излучение и подстройка при помощи интенсивности оптического излучения обеспечивают максимальную чувствительность в соответствии с формулами (2) и (3) (Е.Б. Александров, А.К. Вершовский. Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии. - УФН, 2009, том 179, вып. 6, стр. 605-637).Resonant laser radiation is generated and, passing it sequentially through a liquid crystal modulator 9, a circular polarizer 2, and parallel to the direction of the magnetic field through the working cell 3, optical atomic moments are pumped with light with an intensity that ensures maximum sensor sensitivity. Resonant radiation and tuning using the intensity of optical radiation provide maximum sensitivity in accordance with formulas (2) and (3) (E.B. Aleksandrov, A.K. Vershovskiy. Modern radio-optical methods of quantum magnetometry. - UFN, 2009, Volume 179, vol. 6, pp. 605-637).

Во всех датчиках согласовывают фазы прецессии магнитных моментов с помощью общего для всех датчиков направленного перпендикулярно магнитному полю резонансного радиочастотного поля, таким образом, что все атомные моменты прецессируют вокруг направления локального поля с частотой ω, близкой к ларморовской частоте прецессии в данном локальном магнитном поле ω0 и одной и той же фазой, определяемой фазой радиочастотного поля. Генерируют второе лазерное излучение и осуществляют оптическое детектирование сигнала магнитного резонанса, пропуская это излучение через ячейку в направлении, перпендикулярном направлении магнитного поля.In all sensors, the phases of the precession of magnetic moments are coordinated using a resonant radio frequency field directed perpendicularly to the magnetic field, which is common for all sensors, so that all atomic moments precess around the direction of the local field with a frequency ω close to the Larmor frequency of the precession in a given local magnetic field ω 0 and the same phase determined by the phase of the radio frequency field. A second laser radiation is generated and optical detection of the magnetic resonance signal is carried out by passing this radiation through the cell in a direction perpendicular to the direction of the magnetic field.

На фотоприемнике детектируют интенсивность прошедшего сквозь ячейку каждого датчика детектирующего излучения и выделяют из результирующего сигнала составляющую, осциллирующую на частоте ларморовской прецессии. Детектируют выделенный сигнал на синхронном детекторе, используя в качестве опорного сигнал РЧ поля, и подбирая фазу синхронного детектирования таким образом, чтобы полученная в результате зависимость напряжения U от частотной отстройки ω-ω0 имела антисимметричную форму, такую, что в центре линии магнитного резонанса U ~ (ω-ω0); полоса частот синхронного детектирования при этом должна быть не меньше полосы частот многоканальной диагностической системы.At the photodetector, the intensity of the detection radiation transmitted through the cell of each sensor is detected and a component oscillating at the frequency of the Larmor precession is extracted from the resulting signal. The selected signal is detected on a synchronous detector, using the RF field signal as a reference, and selecting the phase of synchronous detection so that the resulting dependence of the voltage U on the frequency detuning ω-ω 0 has an antisymmetric shape such that in the center of the magnetic resonance line U ~ (ω-ω 0 ); the frequency band of synchronous detection in this case should be no less than the frequency band of the multichannel diagnostic system.

Выделенный сигнал U ~ (ω-ω0) используют для управления жидкокристаллическим модулятором таким образом, чтобы полный диапазон изменения интенсивности накачки составил ±10%. Измеряют напряжение на входе жидкокристаллического модулятора UМ. Подают на датчики калиброванные локальные магнитные поля В, измеряют зависимость напряжения UМ(B) и вычисляют линейный коэффициент зависимости при помощи подгонки линейной регрессионной модели методом наименьших квадратов. Пересчитывают измеренную величину UМ в величину индукции локального поля в соответствии с полученной на предыдущем шаге линейной регрессионной зависимостью.The extracted signal U ~ (ω-ω 0 ) is used to control the liquid crystal modulator so that the full range of variation in the pump intensity is ± 10%. The voltage at the input of the liquid crystal modulator U M is measured. Calibrated local magnetic fields B are supplied to the sensors, the voltage dependence U M (B) is measured, and the linear dependence coefficient is calculated by fitting the linear regression model using the least squares method. The measured value U M is recalculated into the magnitude of the local field induction in accordance with the linear regression dependence obtained in the previous step.

Реализация заявляемого способа дает возможность использования общего для всех датчиков резонансного радиочастотного (РЧ) поля, имеющего постоянную частоту, либо привязанного по частоте к магнитному полю, измеряемому одним или несколькими датчиками многоканальной диагностической системы, обеспечивается динамическая компенсация сдвига центра линии магнитного резонанса (возникающего в каждом датчике вследствие вариаций локального поля, и пропорционального этим вариациям), осуществляемой посредством замыкания обратной связи для управления интенсивностью света накачки, и как следствие - величиной светового сдвига линии магнитного резонанса. Измерение величины вариаций магнитного поля производится посредством измерения вариаций мощности накачки; в случае использования низкочастотного (0-100 Гц) модулятора интенсивности (ЖКМ - жидкокристаллического модулятора) измерение величины вариаций магнитного поля производится посредством измерения вариаций сигнала управления ЖКМ. Кроме того, таким образом естественным образом обеспечивается недостижимая ранее возможность работы атомарного магнитометрического датчика (АДМ) в составе многоканальной диагностической системы без создания помех в работе сколь угодно близкорасположенных аналогичных датчиков. Дополнительным преимуществом является возможность использования в каждом АМД не дорогого высокочастотного акустооптического модулятора (АОМ), а относительно дешевого жидкокристаллического (ЖК) модулятора, работающего в полосе частот 0÷100 Гц.Implementation of the proposed method makes it possible to use a resonant radio frequency (RF) field common to all sensors, having a constant frequency, or tied in frequency to a magnetic field measured by one or more sensors of a multichannel diagnostic system, dynamic compensation of the shift of the center of the magnetic resonance line (occurring in each sensor due to variations of the local field, and proportional to these variations) carried out by closing feedback for control the intensity of the pump light, and as a result, the magnitude of the light shift of the magnetic resonance line. The measurement of the magnitude of the magnetic field variations is made by measuring the variations in the pump power; in the case of using a low-frequency (0-100 Hz) intensity modulator (LCM - liquid crystal modulator), the magnitude of the magnetic field variations is measured by measuring the variations of the LCD control signal. In addition, in this way, the previously unattainable possibility of the atomic magnetometric sensor (ADM) as part of a multichannel diagnostic system without interfering with the operation of arbitrarily close similar sensors is naturally ensured. An additional advantage is the possibility of using in each AMD not an expensive high-frequency acousto-optical modulator (AOM), but a relatively cheap liquid crystal (LCD) modulator operating in the frequency band 0 ÷ 100 Hz.

Claims (12)

1. Многоканальная диагностическая система, включающая в себя 1. Multichannel diagnostic system, including лазерный источник линейно поляризованного излучения оптической накачки с оптическим многоканальным разветвителем излучения накачки;a laser source of linearly polarized optical pump radiation with an optical multi-channel splitter of pump radiation; генератор радиочастотного поля;RF field generator; катушку радиочастотного поля;RF coil; по меньшей мере два атомарных магнитометрических датчика, каждый из которых включает в себя поддерживающее поляризацию оптоволокно для передачи излучения накачки;at least two atomic magnetometric sensors, each of which includes polarization-supporting optical fiber for transmitting pump radiation; многоканальную схему обработки и записи сигналов, иa multi-channel signal processing and recording circuit, and чувствительный элемент, включающий циркулярный поляризатор излучения накачки; рабочую ячейку; немагнитный нагреватель; фотоприемник; усилитель фототока; синхронный детектор и интегратор, управляющий низкочастотным модулятором излучения накачки,a sensitive element comprising a circular polarizer for pump radiation; work cell; non-magnetic heater; photodetector; photocurrent amplifier; synchronous detector and integrator controlling the low-frequency pump radiation modulator, отличающаяся тем, чтоcharacterized in that атомарные магнитометрические датчики установлены таким образом, что угол между любыми двумя упомянутыми датчиками не превышает 20°, а их ориентация по отношению к направлению вектора магнитного поля обеспечивает максимальную для данного типа датчиков чувствительность, причем все датчики находятся в общем радиочастотном поле, а схема оптической накачки каждого упомянутого датчика включает управляющий мощностью накачки и световым сдвигом частоты магнитного резонанса низкочастотный модулятор, установленный либо непосредственно после оптического многоканального разветвителя перед передающим излучение оптоволокном, либо на входе чувствительного элемента после передающего излучение оптоволокна.atomic magnetometric sensors are installed in such a way that the angle between any two of these sensors does not exceed 20 °, and their orientation with respect to the direction of the magnetic field vector ensures the maximum sensitivity for this type of sensors, all sensors being in a common radio frequency field, and the optical pump circuit each of these sensors includes a low-frequency modulator that controls either the pump power and the light shift of the magnetic resonance frequency, either installed immediately after an optical multichannel splitter in front of the radiation transmitting optical fiber, or at the input of the sensing element after the radiation transmitting optical fiber. 2. Многоканальная диагностическая система по п. 1, отличающаяся тем, что низкочастотный модулятор является жидкокристаллическим.2. The multi-channel diagnostic system according to claim 1, characterized in that the low-frequency modulator is liquid crystal. 3. Многоканальная диагностическая система по п. 1, отличающаяся тем, что включает лазерный источник линейно поляризованного излучения детектирования с оптическим многоканальным разветвителем излучения детектирования, атомарный магнитометрический датчик включает в себя поддерживающее поляризацию оптоволокно для передачи излучения детектирования, а чувствительный элемент включает балансный детектор изменения угла поляризации излучения детектирования.3. The multi-channel diagnostic system according to claim 1, characterized in that it includes a laser source of linearly polarized detection radiation with an optical multi-channel splitter of detection radiation, an atomic magnetometric sensor includes a polarization-supporting fiber for transmitting detection radiation, and the sensitive element includes a balanced angle change detector polarization detection radiation. 4. Многоканальная диагностическая система по п. 1, отличающаяся тем, что чувствительный элемент включает катушку радиочастотного поля.4. The multichannel diagnostic system according to claim 1, characterized in that the sensitive element includes a coil of the radio frequency field.
RU2019109899A 2019-04-03 2019-04-03 Multichannel diagnostic system RU2720055C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019109899A RU2720055C1 (en) 2019-04-03 2019-04-03 Multichannel diagnostic system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019109899A RU2720055C1 (en) 2019-04-03 2019-04-03 Multichannel diagnostic system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2720055C1 true RU2720055C1 (en) 2020-04-23

Family

ID=70415694

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019109899A RU2720055C1 (en) 2019-04-03 2019-04-03 Multichannel diagnostic system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2720055C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230184553A1 (en) * 2021-12-15 2023-06-15 Northrop Grumman Systems Corporation Atomic sensor system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080106261A1 (en) * 2006-11-07 2008-05-08 Trustees Of Princeton University Subfemtotesla radio-frequency atomic magnetometer for nuclear quadrupole resonance detection
RU2438140C1 (en) * 2010-09-29 2011-12-27 Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" Method for quantum-interference determination of direction of magnetic field
DE102013004385A1 (en) * 2012-03-15 2013-09-19 lnstitut für Photonische Technologien e.V. Optical pumped magnetometer array has single laser light source that supplies light as the inputs of intensity modulators of several measurement channels
US8587304B2 (en) * 2007-09-05 2013-11-19 The Regents Of The University Of California Optical atomic magnetometer
US20160116553A1 (en) * 2014-10-24 2016-04-28 Korea Research Institute Of Standards And Science Atomic magnetometer and operating method of the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080106261A1 (en) * 2006-11-07 2008-05-08 Trustees Of Princeton University Subfemtotesla radio-frequency atomic magnetometer for nuclear quadrupole resonance detection
US8587304B2 (en) * 2007-09-05 2013-11-19 The Regents Of The University Of California Optical atomic magnetometer
RU2438140C1 (en) * 2010-09-29 2011-12-27 Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" Method for quantum-interference determination of direction of magnetic field
DE102013004385A1 (en) * 2012-03-15 2013-09-19 lnstitut für Photonische Technologien e.V. Optical pumped magnetometer array has single laser light source that supplies light as the inputs of intensity modulators of several measurement channels
US20160116553A1 (en) * 2014-10-24 2016-04-28 Korea Research Institute Of Standards And Science Atomic magnetometer and operating method of the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230184553A1 (en) * 2021-12-15 2023-06-15 Northrop Grumman Systems Corporation Atomic sensor system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9121889B2 (en) Method and apparatus for implementing EIT magnetometry
US7573264B2 (en) Atomic magnetic gradiometer for room temperature high sensitivity magnetic field detection
Bevilacqua et al. Multichannel optical atomic magnetometer operating in unshielded environment
KR101624482B1 (en) Atomic Magnetometer And Operating Method Of The Same
US20100308814A1 (en) System for high-resolution measurement of a magnetic field/gradient and its application to a magnetometer or gradiometer
Xu et al. Construction and applications of an atomic magnetic gradiometer based on nonlinear magneto-optical rotation
Groeger et al. Laser-pumped cesium magnetometers for high-resolution medical and fundamental research
Tayler et al. Miniature biplanar coils for alkali-metal-vapor magnetometry
Bevilacqua et al. Microtesla NMR J-coupling spectroscopy with an unshielded atomic magnetometer
Wilson et al. Ultrastable optical magnetometry
Savukov Spin exchange relaxation free (SERF) magnetometers
Zhivun et al. Dual-axis π-pulse magnetometer with suppressed spin-exchange relaxation
Colombo et al. Imaging magnetic nanoparticle distributions by atomic magnetometry-based susceptometry
CN113805122A (en) Brain measurement device and brain measurement method
RU2720055C1 (en) Multichannel diagnostic system
Oelsner et al. Performance analysis of an optically pumped magnetometer in Earth’s magnetic field
Cao et al. Signal-enhanced spin-exchange relaxation-free atomic magnetometer
RU2704391C1 (en) Method of controlling an atomic magnetometric sensor when operating as part of a multichannel diagnostic system
Weis Optically pumped alkali magnetometers for biomedical applications
Savukov et al. Multi-flux-transformer MRI detection with an atomic magnetometer
JP7370009B2 (en) Brain measurement device and brain measurement method
Mamishin et al. A novel method to accomplish simultaneous multilocation magnetic field measurements based on pump-beam modulation of an atomic magnetometer
Wang et al. Optically pumped magnetometer with dynamic common mode magnetic field compensation
Zhao et al. A calibration method for coil constants using an atomic spin self-sustaining vector magnetometer
Zhivun et al. Dual-axis pi-pulse spin-exchange relaxation-free magnetometer