WO2023043336A1 - Способ измерений магнитного поля земли и квантовый магнитометр - Google Patents
Способ измерений магнитного поля земли и квантовый магнитометр Download PDFInfo
- Publication number
- WO2023043336A1 WO2023043336A1 PCT/RU2022/050262 RU2022050262W WO2023043336A1 WO 2023043336 A1 WO2023043336 A1 WO 2023043336A1 RU 2022050262 W RU2022050262 W RU 2022050262W WO 2023043336 A1 WO2023043336 A1 WO 2023043336A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- laser
- chamber
- alkali metal
- digital
- frequency
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 8
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 claims abstract description 24
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 26
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims description 17
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims description 17
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 5
- 239000003017 thermal stabilizer Substances 0.000 claims description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000012760 heat stabilizer Substances 0.000 abstract 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 3
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 cesium alkali metal Chemical class 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- VLCQZHSMCYCDJL-UHFFFAOYSA-N tribenuron methyl Chemical compound COC(=O)C1=CC=CC=C1S(=O)(=O)NC(=O)N(C)C1=NC(C)=NC(OC)=N1 VLCQZHSMCYCDJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/24—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/26—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
- G01V3/14—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with electron or nuclear magnetic resonance
Definitions
- the technical solution relates to measuring technology, namely to quantum magnetometers with optical pumping, and can be used in geological exploration, archeology using unmanned aerial vehicles as a carrier.
- quantum magnetometers with optical pumping are uncontested types of magnetometers when high sensitivity, accuracy and speed are required, for example, in the case of aeromagnetic exploration of deposits for the needs of geophysics.
- optically pumped quantum magnetometers differing in the use of different signals: Mz or Mx, the use of various alkali metal atoms as a working medium, as well as different radiation sources for optical pumping, such as a semiconductor laser or a gas-discharge spectral lamp.
- Mz or Mx the use of various alkali metal atoms as a working medium
- different radiation sources for optical pumping such as a semiconductor laser or a gas-discharge spectral lamp.
- Each of the solutions is not ideal, having certain disadvantages.
- Said device includes a semiconductor laser with a vertical resonator and a radiation frequency stabilization system, an optical multimode fiber, an optical system, a cell with cesium alkali metal vapor. Atoms are excited by resonant radiation, and returning to the ground state, they emit photons that carry information about the magnetic field. The optical flow passing through the cell is used as a signal source. The signal itself represents the alternating current of the photodiode, which measures the transmitted flux at the Larmor frequency, the so-called. Mx signal.
- the technical result of the proposed technical solution is to increase the measurement accuracy.
- measurements of the earth's magnetic field are carried out as follows in the secondary measuring transducer, laser radiation is introduced into a multimode optical fiber, in the primary measuring transducer, the laser radiation emitted from the end of the optical fiber is directed to a focusing lens, then the formed light beam is directed through a polarizer into a chamber with alkali metal vapors Rb-87, the radiation that has passed through the camera is focused by a lens and directed to a photodiode, an additional alternating magnetic field is applied using a coil perpendicular to the optical axis, low-frequency modulation of the radio field frequency is used to obtain an Mz signal, the radio field frequency is adjusted to the frequency of the transition between magnetic sublevels, for this the Mz signal is used as a feedback and a control signal is generated, which is fed to a digital frequency synthesizer, in order to ensure resonant laser radiation, active stabilization of the laser wavelength is used by means of a thermal stabilizer at the operating temperature, corresponding to a rough adjustment
- a quantum magnetometer containing a semiconductor laser with a vertical structure, a chamber with alkali metal vapor and an optical multimode fiber, which, in accordance with the claimed technical solution, is made as follows, a semiconductor laser with a vertical structure is located in a secondary measuring transducer containing also, a digital computer, a temperature stabilization system for an alkali metal vapor chamber, a laser thermal stabilizer, a laser current source, a digital frequency synthesizer and an analog-to-digital converter, an alkali metal vapor chamber is located in the primary measuring converter, which also contains collecting lenses, a circular polarizer, a radio frequency a coil that creates an additional field transverse to the optical axis, a chamber heater with alkali metal vapor and a photodiode, while Rb-87 isotope is used as the alkali metal.
- the figure shows a block diagram of a quantum magnetometer in accordance with the proposed technical solution, where: VIP - secondary measuring transducer; PIP - primary measuring transducer; A1 - digital calculator; A2 - chamber temperature stabilization system; A4 - current source; A5 - digital synthesizer; A6 - analog-to-digital converter; 1 - feedback loops; 2 - semiconductor laser with a vertical structure; 3 - multimode light guide; 4 - converging lenses; 5 - circular polarizer; 6 - radio frequency coil; 7 - chamber with alkali metal vapors; 8 - chamber heater; 9 - photodiode.
- the technical result of the claimed group of inventions is to increase the measurement accuracy.
- the technical result is provided by the proposed method of measuring the earth's magnetic field and the design of the quantum magnetometer.
- the use of the Mz signal at the modulation frequency of the radio field is ensured, thereby increasing the accuracy of the quantum magnetometer.
- the accuracy of the quantum magnetometer is increased by digital signal processing. This allows you to implement complex algorithms that are almost impossible to implement within the framework of analog electronics. This is especially important for a quantum magnetometer, since it is necessary to simultaneously monitor the frequency of the radio field, the wavelength of the laser, and auxiliary quantities, such as the temperature of the chamber, which are almost impossible to implement within the framework of analog electronics.
- the use of the Rb-87 isotope due to its simpler energy structure, as well as due to the almost 2-fold higher gyromagnetic ratio compared to cesium, also gives a gain in the measurement accuracy and sensitivity of the magnetometer.
- the quantum magnetometer (as shown in the figure) contains a semiconductor laser with a vertical structure 2, an alkali metal vapor chamber 7, and an optical multimode fiber 3 for transmitting radiation from the semiconductor laser to the alkali metal vapor chamber, and is configured as follows: a semiconductor laser 2 with a vertical structure is located in a secondary measuring transducer (VTI in the figure), which also contains: a digital calculator A1, on which a digital algorithm for stabilizing the laser frequency, the temperature of the chamber with alkali metal vapors and the frequency of the radio field is performed, forming feedback loops 1 ; temperature stabilization system A2 chamber with vapors of alkali metal 7 with digital control; thermal stabilizer AZ laser with digital control; digitally controlled laser current source A4, digital frequency synthesizer A5; analog-to-digital converter A6 of the photodiode current.
- VTI secondary measuring transducer
- the chamber with alkali metal vapors of the isotope Rb-87 7 is located in the primary measuring transducer (PMT in the figure), which also contains: collecting lenses 4; circular polarizer 5; radio frequency coil 6, which creates an additional field transverse to the optical axis; heater 8 of the chamber with vapors of alkali metal 7; photodiode 9.
- PMT primary measuring transducer
- the laser radiation 2 is introduced into the multimode light guide 3.
- the primary measuring transducer PMT in the figure
- the radiation emitted from the end of the light guide 3 enters the focusing lens 4 to create a beam of light, close to parallel.
- the formed beam of light passes through the polarizer 5, which imparts circular polarization to the radiation, and enters the glass chamber 7 with Rb-87 alkali metal vapor.
- the radiation passing through the camera 7 is focused by the lens and falls on photodiode 9.
- the atoms in the chamber absorb resonant radiation with circular polarization and orient themselves, inhabiting one of the magnetic sublevels, while the intensity of the radiation transmitted through the chamber decreases, which can be recorded by photodiode 9.
- an additional alternating magnetic field is applied using coil 6, perpendicular to the optical axis at a frequency corresponding to the frequency of the transition between magnetic sublevels, it is possible to reduce the intensity of the radiation transmitted through the cell.
- the frequency of the transition between magnetic sublevels is proportional to the measured magnetic field, that is, the measurement of the magnetic field is reduced to measuring the frequency of the transition between magnetic sublevels.
- the radiation intensity signal of the measured magnetic field associated with a change in the degree of optical orientation of an ensemble of atoms, is called the Mz signal.
- the laser radiation be resonant.
- active stabilization of the laser wavelength is used. It is known that the wavelength of a vertical cavity laser can be changed by the laser temperature and the laser current.
- thermal stabilization of the laser at an operating temperature corresponding to a rough adjustment of the laser wavelength for resonant absorption by Rb-87 atoms. Accurate and fast adjustment of the laser wavelength is carried out by changing the laser current through a current source.
- the laser wavelength is finely tuned to the optical transition of Rb-87 atoms, the radiation is strongly absorbed by the atoms and the photodiode current decreases.
- the introduction of a weak modulation of the laser current leads to modulation of the intensity of the radiation that has passed through the chamber, otherwise the photodiode current.
- the second harmonic of the initial modulation frequency will be present in the photodiode signal, and if the accuracy is violated (detuning), the first harmonic will appear, the phase of which will correspond to the detuning sign.
- the laser current modulation frequency must be significantly greater than the radio field modulation frequency so that there is no interaction between the error signals of the laser wavelength and the radio field frequency.
- Stabilization of the laser wavelength is made in the form of a digital tracking system, which operates by analogy with the radio field frequency stabilization system. The current is also used as the initial signal. photodiode, converted to a digital signal using an analog-to-digital converter.
- Quantum magnetometer The manufacture of a quantum magnetometer is not very difficult. Vertical cavity semiconductor laser with radiation frequency stabilization system, polymer multimode fiber, optical system, laser radiation receiver, signal processing and analysis system, RF coil, etc. have long been mastered by the world and Russian industries.
- the design of a quantum magnetometer is simple; its manufacture does not require special equipment for production and very high qualifications of manufacturers.
- a quantum magnetometer in accordance with the claimed technical solution has been repeatedly manufactured and successfully tested by the applicant as part of the Geoscan Geo Shark aeromagnetometer. At the time of filing the application, several dozens of experimental works were carried out, which confirmed the high stability of measurements and the convenience of its operation.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Geology (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Квантовый магнитометр содержит полупроводниковый лазер с вертикальной структурой, камеру с парами щелочного металла и оптическое многомодовое волокно. Лазер расположен во вторичном измерительном преобразователе, который содержит цифровой вычислитель, систему стабилизации температуры камеры, термостабилизатор лазера, источник тока лазера, цифровой синтезатор частоты и аналого-цифровой преобразователь. Камера с парами щелочного металла расположена в первичном измерительном преобразователе, который содержит собирающие линзы, круговой поляризатор, радиочастотную катушку, создающую дополнительное поле, поперечное оптической оси, нагреватель камеры и фотодиод. В качестве щелочного металла используется изотоп Rb-87.
Description
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР
Техническое решение относится к измерительной технике, а именно к квантовым магнитометрам с оптической накачкой, и может быть использовано в геологоразведке, археологии с использованием беспилотных летательных аппаратов в качестве носителя.
На сегодняшний день квантовые магнитометры с оптической накачкой являются безальтернативными типами магнитометров, когда необходима высокая чувствительность, точность и быстродействие, например, в случае аэромагниторазведки месторождений для нужд геофизики. Существуют различные виды квантовых магнитометров с оптической накачкой, отличающихся использованием разных сигналов: Mz или Мх, использованием атомов различных щелочных металлов в качестве рабочей среды, а также разных источников излучения для оптической накачки, таких как полупроводниковый лазер или газоразрядная спектральная лампа. Каждое из решений не является идеальным, имея определенные недостатки.
Известен квантовый магнитометр с лазерной накачкой - прототип (патент RU142546U1, заявка №2013149036/28 от 05.11.2013). Указанное устройство включает полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором и систему стабилизации частоты излучения, оптическое многомодовое волокно, оптическую систему, ячейку с парами щелочного металла цезия. Атомы возбуждаются резонансным излучением, а возвращаясь в основное состояние, испускают фотоны, несущие информацию о магнитном поле. В качестве источника сигнала используется оптический поток, прошедший через ячейку. Сам сигнал
представляет собой переменный ток фотодиода, измеряющего прошедший поток на ларморовской частоте, т.н. Мх сигнал.
Недостатками прототипа по отношению к заявляемому техническому решению является недостаточная точность измерений присущая магнитометрам, использующим Мх сигнал.
Техническим результатом заявляемого технического решения является увеличение точности измерений.
Для этого, измерения магнитного поля земли проводят следующим образом во вторичном измерительном преобразователе, излучение лазера вводят в многомодовый световод, в первичном измерительном преобразователе вышедшее излучение лазера с торца световода направляют на фокусирующую линзу, затем сформированный пучок света направляют через поляризатор в камеру с парами щелочного металла Rb- 87, прошедшее сквозь камеру излучение фокусируют линзой и направляют на фотодиод, с помощью катушки прилагают дополнительное переменное магнитное поле, перпендикулярное оптической оси, применяют низкочастотную модуляцию частоты радиополя для получения Mz сигнала, подстраивают частоту радиополя к частоте перехода между магнитными подуровнями, для этого используют в качестве обратной связи Mz сигнал и вырабатывают управляющий сигнал, который подают на цифровой синтезатор частоты, с целью обеспечения резонансного излучения лазера посредством термостабилизатора применяют активную стабилизацию длины волны лазера на рабочей температуре, соответствующей грубой настройке длины волны лазера на резонансное поглощение атомами Rb-87, за счет изменения тока лазера посредством источника тока осуществляют точную подстройку длины волны лазера, для этого вводят слабую модуляцию тока лазера в качестве исходного сигнала используют ток фотодиода, преобразованный в цифровой сигнал с
помощью аналогово-цифрового преобразователя, по сигналу с фотодиода получают сигнал ошибки длины волны лазера, используя нагреватель камеры, на который подается переменное напряжение, регулируемое системой стабилизации температуры камеры поддерживают достаточную для концентрации атомов Rb-87 температуру камеры, саму стабилизацию выполняют посредством цифрового алгоритма.
Для реализации способа измерений магнитного поля земли предложен квантовый магнитометр содержащий полупроводниковый лазер с вертикальной структурой, камеру с парами щелочного металла и оптическое многомодовое волокно, который в соответствии с заявляемым техническим решением выполнен следующим образом, полупроводниковый лазер с вертикальной структурой расположен во вторичном измерительном преобразователе, содержащем также, цифровой вычислитель, систему стабилизации температуры камеры с парами щелочного металла, термостабилизатор лазера, источник тока лазера, цифровой синтезатор частоты и аналого-цифровой преобразователь, камера с парами щелочного металла расположена в первичном измерительном преобразователе, содержащем также собирающие линзы, круговой поляризатор, радиочастотную катушку, создающую дополнительное поле поперечное оптической оси, нагреватель камеры с парами щелочного металла и фотодиод, при этом в качестве щелочного металла используется изотоп Rb-87.
На рисунке представлена структурная схема квантового магнитометра в соответствии с заявляемым техническим решением, где: ВИП - вторичный измерительный преобразователь; ПИП - первичный измерительный преобразователь; А1 - цифровой вычислитель; А2 - система стабилизации температуры камеры; А4 - источник тока; А5 -
цифровой синтезатор; А6 - аналого-цифровой преобразователь; 1 - контуры обратной связи; 2 - полупроводниковый лазер с вертикальной структурой; 3 - многомодовый световод; 4 - собирающие линзы; 5 - круговой поляризатор; 6 - радиочастотная катушка; 7 - камера с парами щелочного металла; 8 - нагреватель камеры; 9 - фотодиод.
Техническим результатом заявляемой группы изобретений является увеличение точности измерений. Технический результат обеспечивается предложенными способом измерений магнитного поля земли и конструкцией квантового магнитометра. Во-первых, обеспечивается использование Mz сигнала на частоте модуляции радиополя, благодаря чему увеличивается точность квантового магнитометра. Во-вторых, точность квантового магнитометра увеличивается за счет цифровой обработки сигналов. Это позволяет реализовывать сложные алгоритмы, которые практически невозможно осуществить в рамках аналоговой электроники. Это особенно важно для квантового магнитометра, поскольку в нем нужно одновременно следить за частотой радиополя, за длиной волны лазера и за вспомогательными величинами, типа, температуры камеры, которые практически невозможно осуществить в рамках аналоговой электроники. В-третьих, использование изотопа Rb-87 за счет его более простой энергетической структуры, а также за счет почти в 2 раза большего гиромагнитного соотношения по сравнению с цезием также дает выигрыш в точности измерения и чувствительности магнитометра.
Для этого, квантовый магнитометр (как показано на рисунке) содержит полупроводниковый лазер с вертикальной структурой 2, камеру с парами щелочного металла 7 и оптическое многомодовое волокно 3 для передачи излучения от полупроводникового лазера к камере с парами щелочного металла, и выполнен следующим образом:
полупроводниковый лазер 2 с вертикальной структурой расположен во вторичном измерительном преобразователе (ВИП на рисунке), содержащем также: цифровой вычислитель А1, на котором выполняется цифровой алгоритм стабилизации частоты лазера, температуры камеры с парами щелочного металла и частоты радиополя, образуя контуры обратной связи 1 ; систему стабилизации температуры А2 камеры с парами щелочного металла 7 с цифровым управлением; термостабилизатор АЗ лазера с цифровым управлением; источник тока А4 лазера с цифровым управлением, цифровой синтезатор частоты А5; аналогово -цифровой преобразователь А6 тока фотодиода.
Камера с парами щелочного металла изотопа Rb-87 7 расположена в первичном измерительном преобразователе (ПИП на рисунке), содержащем также: собирающие линзы 4; круговой поляризатор 5; радиочастотную катушку 6, создающую дополнительное поле, поперечное оптической оси; нагреватель 8 камеры с парами щелочного металла 7; фотодиод 9.
Измерения магнитного поля земли в соответствии с предлагаемым способом посредством заявляемого квантового магнитометра производятся следующим образом:
Во вторичном измерительном преобразователе (ВИП на рисунке), представляющим из себя электронное устройство, излучение лазера 2 вводится в многомодовый световод 3. В первичном измерительном преобразователе (ПИП на рисунке) вышедшее излучение с торца световода 3 попадает на фокусирующую линзу 4 для создания пучка света, близкого к параллельному. Сформированный пучок света проходит через поляризатор 5, который сообщает излучению круговую поляризацию, и попадает в стеклянную камеру 7 с парами щелочного металла Rb-87. Прошедшее сквозь камеру 7 излучение фокусируется линзой и попадает на
фотодиод 9. Атомы в камере поглощают резонансное излучение с круговой поляризацией и ориентируются, населяя один из магнитных подуровней, при этом интенсивность прошедшего сквозь камеру излучения уменьшается, что можно регистрировать фотодиодом 9. Если приложить дополнительное переменное магнитное поле с помощью катушки 6, перпендикулярное оптической оси на частоте, соответствующей частоте перехода между магнитными подуровнями, то можно уменьшить интенсивность прошедшего сквозь ячейку излучения. Частота перехода между магнитными подуровнями пропорциональна измеряемому магнитному полю, то есть измерение магнитного поля сводится к измерению частоты перехода между магнитными подуровнями. Сигнал интенсивности излучения измеряемого магнитного поля, связанный с изменением степени оптической ориентации ансамбля атомов, называется Mz сигналом.
Введение низкочастотной, порядка 250 Гц, модуляции частоты радиополя вблизи резонансной частоты приводит к модуляции излучения на фотодиоде. При корректной настройке радиополя на резонанс в сигнале фотодиода будет присутствовать только вторая гармоника исходной частоты модуляции, а при допущении нарушения (расстройке) - от резонанса будет возникать первая гармоника, причем фаза будет соответствовать знаку расстройки.
Измерение частоты перехода между магнитными подуровнями предлагается осуществлять с помощью цифровой следящей системы, которая использует сигнал фотодиода, а именно первую гармонику в качестве сигнал ошибки и вырабатывает управляющий сигнал, подающийся на цифровой синтезатор частоты. Поскольку вне резонанса сигнал ошибки обращается в ноль, то следящая система при первом включении или срыве захвата должна сканировать весь допустимый
диапазон частот. Возникший сигнал ошибки вводит систему в режим удержания. В следящей системе используется также сигнал второй гармоники, сообщающий о том, что система находится в резонансе, в противном случае поиск необходимо повторить.
Для работы магнитометра необходимо, чтобы излучение лазера было резонансным. Для этого применена активная стабилизация длины волны лазера. Известно, что длина волны лазера с вертикальным резонатором может быть изменена температурой лазера и током лазера. В квантовом магнитометре предлагается использовать термостабилизацию лазера на рабочей температуре, соответствующей грубой настройке длины волны лазера на резонансное поглощение атомами Rb-87. Точная и быстрая подстройка длины волны лазера осуществляется изменением тока лазера посредством источника тока. При точной настройке длины волны лазера на оптический переход атомов Rb-87 происходит сильное поглощение излучения атомами и уменьшение тока фотодиода. Введение слабой модуляции тока лазера приводит к модуляции интенсивности излучения, прошедшего сквозь камеру, иначе тока фотодиода. При этом, в случае точной настройки длины волны лазера на оптический переход, в сигнале фотодиода будет присутствовать только вторая гармоника исходной частоты модуляции, а при нарушении точности (расстройке) будет возникать первая гармоника, фаза которой будет соответствовать знаку расстройки. Частота модуляции тока лазера должна быть значительно больше частоты модуляции радиополя, чтобы не было взаимодействия между сигналами ошибки длины волны лазера и частоты радиополя. Стабилизация длины волны лазера выполнена в виде цифровой следящей системы, работающей по аналогии с системой стабилизации частоты радиополя. В качестве исходного сигнала используется также ток
фотодиода, преобразованный в цифровой сигнал с помощью аналогово- цифрового преобразователя.
Для надлежащей работы квантового магнитометра необходимо поддерживать температуру камеры в районе 70 °C для создания достаточной концентрации атомов Rb-87, что решено путем использования нагревателя камеры 8, на который подается переменное напряжение, регулируемое блоком А2. Сама стабилизация выполнена в виде цифрового алгоритма.
Изготовление квантового магнитометра не представляет большой сложности. Полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором с системой стабилизации частоты излучения, полимерное многомодовое волокно, оптическая система, приемник лазерного излучения, система обработки и анализа сигнала, радиочастотная катушка и т.п. давно освоены мировой и российской промышленностями. Конструкция квантового магнитометра проста, его изготовление не требует специальной оснастки для производства и очень высокой квалификации изготовителей.
Квантовый магнитометр в соответствии с заявляемым техническим решением неоднократно изготовлен и успешно испытан заявителем в составе аэромагнитометра Geoscan Geo Shark. На момент подачи заявки проведено несколько десятков опытных работ, которые подтвердили высокую стабильность измерений, удобство его эксплуатации.
Claims
1. Способ магнитных измерений характеризующийся тем, что во вторичном измерительном преобразователе, излучение лазера вводят в многомодовый световод, в первичном измерительном преобразователе вышедшее излучение лазера с торца световода направляют на фокусирующую линзу, затем сформированный пучок света направляют через поляризатор в камеру с парами щелочного металла Rb-87, прошедшее сквозь камеру излучение фокусируют линзой и направляют на фотодиод, с помощью катушки прилагают дополнительное переменное магнитное поле, перпендикулярное оптической оси, применяют низкочастотную модуляцию частоты радиополя для получения Mz сигнала, подстраивают частоту радиополя к частоте перехода между магнитными подуровнями, для этого используют в качестве обратной связи Mz сигнал и вырабатывают управляющий сигнал, который подают на цифровой синтезатор частоты, с целью обеспечения резонансного излучения лазера посредством термостабилизатора применяют активную стабилизацию длины волны лазера на рабочей температуре, соответствующей грубой настройке длины волны лазера на резонансное поглощение атомами Rb-87, за счет изменения тока лазера посредством источника тока осуществляют точную подстройку длины волны лазера, для этого вводят слабую модуляцию тока лазера в качестве исходного сигнала используют ток фотодиода, преобразованный в цифровой сигнал с помощью аналогово-цифрового преобразователя, по сигналу с фотодиода получают сигнал ошибки длины волны лазера, используя нагреватель камеры, на который подается переменное напряжение, регулируемое системой стабилизации температуры камеры поддерживают достаточную
9
для концентрации атомов Rb-87 температуру камеры, саму стабилизацию выполняют посредством цифрового алгоритма.
2. Квантовый магнитометр содержащий полупроводниковый лазер с вертикальной структурой, камеру с парами щелочного металла и оптическое многомодовое волокно, отличающийся тем, что полупроводниковый лазер с вертикальной структурой расположен во вторичном измерительном преобразователе, содержащем также, цифровой вычислитель, систему стабилизации температуры камеры с парами щелочного металла, термостабилизатор лазера, источник тока лазера, цифровой синтезатор частоты и аналого-цифровой преобразователь, камера с парами щелочного металла расположена в первичном измерительном преобразователе, содержащем также собирающие линзы, круговой поляризатор, радиочастотную катушку, создающую дополнительное поле поперечное оптической оси, нагреватель камеры с парами щелочного металла и фотодиод, при этом в качестве щелочного металла используется изотоп Rb-87.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2022116349A RU2784201C1 (ru) | 2021-09-15 | Способ измерений магнитного поля земли и квантовый магнитометр для реализации такого способа | |
| RU2022116349 | 2021-09-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2023043336A1 true WO2023043336A1 (ru) | 2023-03-23 |
Family
ID=85603679
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2022/050262 WO2023043336A1 (ru) | 2021-09-15 | 2022-08-25 | Способ измерений магнитного поля земли и квантовый магнитометр |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2023043336A1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2287837C1 (ru) * | 2005-04-20 | 2006-11-20 | Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики | Датчик магнитометра |
| RU143344U1 (ru) * | 2014-03-26 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ") | Квантовый мх - магнитометр |
| RU176399U1 (ru) * | 2017-06-07 | 2018-01-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Датчик магнитометра |
| RU2691775C1 (ru) * | 2018-06-28 | 2019-06-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Оптический магнитометр |
| US10677953B2 (en) * | 2016-05-31 | 2020-06-09 | Lockheed Martin Corporation | Magneto-optical detecting apparatus and methods |
| RU199631U1 (ru) * | 2020-04-30 | 2020-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Квантовый Mz-магнитометр |
-
2022
- 2022-08-25 WO PCT/RU2022/050262 patent/WO2023043336A1/ru unknown
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2287837C1 (ru) * | 2005-04-20 | 2006-11-20 | Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики | Датчик магнитометра |
| RU143344U1 (ru) * | 2014-03-26 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ") | Квантовый мх - магнитометр |
| US10677953B2 (en) * | 2016-05-31 | 2020-06-09 | Lockheed Martin Corporation | Magneto-optical detecting apparatus and methods |
| RU176399U1 (ru) * | 2017-06-07 | 2018-01-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Датчик магнитометра |
| RU2691775C1 (ru) * | 2018-06-28 | 2019-06-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Оптический магнитометр |
| RU199631U1 (ru) * | 2020-04-30 | 2020-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Квантовый Mz-магнитометр |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110401492B (zh) | 一种基于量子效应的无线电调幅信号接收方法及调幅量子接收机 | |
| US7656154B2 (en) | Magnetic field measurement system and optical pumping magnetometer | |
| US6472869B1 (en) | Diode laser-pumped magnetometer | |
| US10162021B2 (en) | Magnetic field measurement device | |
| US20160313417A1 (en) | Magnetic Field Measuring Apparatus | |
| EP2749895B1 (en) | Systems and method to mitigate AC stark shift effects in a sensor system | |
| Schmidt-Kaler et al. | High-resolution spectroscopy of the 1S-2S transition of atomic hydrogen and deuterium | |
| CN103605086B (zh) | 一种基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统 | |
| JP2017173329A (ja) | センサシステムにおける光ポンプビーム制御 | |
| US20100315173A1 (en) | Atomic clock operating with helium 3 | |
| RU2784201C1 (ru) | Способ измерений магнитного поля земли и квантовый магнитометр для реализации такого способа | |
| WO2023043336A1 (ru) | Способ измерений магнитного поля земли и квантовый магнитометр | |
| JP5966351B2 (ja) | 磁場計測装置 | |
| CN112013828A (zh) | 一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺 | |
| Groeger et al. | Design and performance of laser-pumped Cs-magnetometers for the planned UCN EDM experiment at PSI | |
| CN114061558B (zh) | 核磁共振陀螺仪 | |
| US3187251A (en) | Quantum oscillators | |
| WO2022256992A1 (zh) | 基于金刚石nv- 15n耦合自旋体系的原子钟实现方法及装置 | |
| EP1570282B1 (en) | Method and device for measurement of magnetic induction | |
| WO2022256990A1 (zh) | 基于金刚石nv- 14n耦合自旋体系的原子钟实现方法及装置 | |
| US20220156624A1 (en) | Hybrid-cycle quantum-clock frequency regulation | |
| Bell et al. | A microwave frequency standard employing optically pumped sodium vapor | |
| Camparo et al. | The 2 nd harmonic signal in vapor-cell clocks & error-signal quality: Does S 2 imply dS 1/dΔ? | |
| McKelvy et al. | Technical limits of sensitivity for EIT magnetometry | |
| EP2240833B1 (en) | Frequency standard based on coherent population trapping (cpt) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 22870399 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |