Магнитометр

 

"" 421965

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН Ия

Союз Советских

Социалистических

Республик к АВтОРскОму сеидительстиу (б1) Зависимое от авт. свидетельства— (22) Заявлено 22.08.72 (21) 1821878/26-25 . с присоединением заявки №вЂ” (51) М.Кл. G 01v 3/14

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (32) Приоритет—

Опубликовано 30.03.74. Бюллетень М 12

Дата опубликования описания 19.11.74 (53) УДК 550.838(088.8) (72) Авторы изобретения

В. Д. Ломаный и Ю. А. Ямшанов (71) Заявитель (54) МАГНИТОМЕТР

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении магнитных полей в геологоразведке, лабораторных исследованиях, записи вариаций магнитного поля Земли, метрологических р а ботах.

Известен магнитометр, основанный на использовании магнитного резонанса в парах оптически ориентированных атомов щелочных металлов, состоящий из датчика и радиотехнического блока. Датчик состоит из СВЧ генератора, лампы, линз, светофильтра, поляризатора, поглотителя, фотоприемника, установленных на одной оптической оси, и двух пар катушек — радиочастотных и модуляционных.

Радиотехнический блок включает в себя генератор радиочастоты, подключенный к радиочастотным катушкам, модулятор, подающий в качестве опорного сигнал низкой частоты на модуляционные катушки и фазовый детектор, усилитель, усиливающий сигнал с фогоприемника и подающий его на фазовый детектор, выход которого подключен к самописцу.

Динамический диапазон известного магнитометра ограничивается примерно четвертью ширины рабочего сигнала, магнитометр дает высокую погрешность измерений. Это обусловлено тем, что с выхода фазового детектора магнитометра снимается сигнал, яв2 ляющийся производным от рабочего ассиметричной формы сигнала, вследствие чего коэффициент преобразования напряженности магнитного поля в регистрируемый самописцем сигнал нелинеен по диапазону.

Цель изобретения — повышение точности измерения, а также расширение динамического и рабочего диапазонов магнитометра.

Цель достигается тем, что предлагаемый

10 магнитометр снабжен установленной между поглотителем и радиочастотной катушкой дополнительной, поглощающей катушкой и подключенным к ней регенератором. Это позволяет повысить точность измерения более, чем на

15 порядок, и расширяет динамический диапазон примерно в два раза. Рабочий диапазон уверенной работы магнитометра также расширяется на 0,2 — 0,3 э.

20 На фиг. 1 представлена блок-схе»а предлагаемого магнитометра; на фиг. 2 — электрическая схема регенератора; на фиг. 3 —— типичный вид рабочего сигнала магнитометра на изотопе Rb 87.

25 Предлагаемый магнитометр содержит лампу (источник излучения) 1, подключенную к

СВЧ генератору 2; оптическую систему, состоящую из расположенных на одной оптической оси линзы 8, светофильтра 4, поляризатора 5;

30 поглотитель 6, фокусирующую линзу 7 и фо3 топриемник 8. Модулятор 9 связан с модуляционной катушкой 10 и фазовым детектором

11, выход которого подключен к самописцу

12. Генератор радиочастоты 18 связан с радиочастотной катушкой 14. Катушки 10 и 14 охватывают поглотитель б. Фотоприемник 8 подключен к усилителю 15, с которым связан фазовый детектор 11. Между поглотителем б и радиочастотной катушкой 14 размещена дополнительная поглощающая катушка 16, подключенная к регенератору 17.

Лампа 1, представляющая собой стеклянную сферу диаметром 10 — 12 мл, заполнена буферным газом, криптоном или неоном, а также несколькими миллиграммами щелочного металла (Rb или Cs). При возбуждении ее высокочастотной энергией, поступающей с

СВЧ генератора 2, лампа излучает щелочной дублет Д Д, Линза 8, в фокусе которо"I расположена лампа 1, посылает параллельный световой поток на светофильтр 4, выделяющий из него рабочую спектральную линию Дь

Поляризатор 5 создает преимущественную циркуляцию поляризации линии Д, и пропускает световой поток на поглотитель б. Последний представляет собой стеклянный цилиндрической формы баллон, заполненный инер:ным газом (Ne, Аг, Кг, Не и т. д.) и парами щелочного металла (Rb или Cs). Поглощая кванты света требуемой длины волны (Д,), ансамбль атомов щелочного металла поляризуется, магнитные моменты атомов приобретают определенные направления относительно внешнего магнитного поля Н, в полном соответствии с зеемановским энергетическим расщеплением. Между зеемановскими подуровнями, в связи с различной степенью их заселенности, создается возможность магнитных резонансных переходов. В момент совпадения частоты подключенного к радиочастотной катушке 14 радиогенератора 18 с частотой зеемановских переходов происходит заметное поглощение световой энергии, фиксируемое фотоприемником 8. Периодически изменяя измеряемое постоянное магнитное поле Но с помощью низкочастотного сигнала модулятора

9, подаваемого на модуляционные катушки 1О, получают повторяющуюся картину светово""о импульса, преобразуемого фотоприемником 8 в электрический сигнал.

Сигнал магиитометра в магнитных полях, меньших 0,7 э, представляет собой огибающую целой серии неразрешенных зеемановских резонансных линий (для Rb8 — серия из четырех линий, для Cs "з — серия из вос,.ми линий) с различной интенсивностью, что обуславливает асимметричность его формы.

На фиг. 3 изображен сигнал на выходе магнитометра на изотопе Rb", представляющий собой суперпозицию резонансных линий с частотами fI f2 /3, f4.

Принцип работы регенератора 17 с погло421965

5

l5

4 щающей катушкой 16, включенного в схему магнитометра, основан на отбирании поглощающей катушкой 16 части радиочастотной энергии, подаваемой на поглотитель б генератором радиочастоты 18 с радиочастотной каryIrII (фиг. 3) или на частоту, близк1 Io IL линиям f2 и fg, вносящим ocHQBHHH вклад в искажение формы рабочего сигнала.

Далее, меняя добротность поглощающей катушки 16, а следовательно, и степень поглощения радиочастотной энергии на частотах

f2 и f3, можно добиться значительного исправления формы сигнала.

Регенератор, служащий для регенерации контура, образуемого поглощающей катушкой 16 с индуктивностью L и емкостью С, представляет собой транзисторный усилитель с включенным в цепь положительной обратной связи контуром; для уменьшения вносимых в контур потерь усилитель выполнен с высоким импендансом. Он собран на трапзисторах TI — Т4, стабилизированных общей отрицательной связью по постоянному току.

Первые каскады (Т1 — Т ) являются высокоомным инвертором. С коллектора транзистора

Т, снимается регулируемая положительная обратная связь на выход усилителя, подключенного к контуру.

Верхний предел рабочего диапазона известного магнитометра обычно ограничивается полями порядка 0,65 — 0,7 э, так как в более высоких полях происходит вначале частичное (в полях 0,7 — 1,0 э), а затем и полное расщепление сигнала на составляющие (в полях напряженностью более 1,0 э).

Предлагаемый магнитомеIp позволяет работать в полях с частичным расщеплением сигнала, что позволяет расширить рабочий диапазон (приведенные выше цифры относятся лишь к магнитометрам на парах Rb8, данные для цезиевых магнитометров будут иными).

Предмет изобретения

Магнитометр, содержащий расположенные по одной оптической оси источник излучения, оптическую систему, поглотитель и фотоприемиик с подключенным к нему регистрирующим блоком, низкочастотный модулятор с модуляционной катушкой и генератор радиочастоты с радиочастотной катушкой, охватывающей поглотитель, отли LLLloLLLLLLLcB, тем, что, с целью повышения точности, а также расширения динамического и рабочего диапазонов, в него введена установленная между поглоти. телем и радиочастотной катушкой дополнительная поглощающая катушка с подключенным к ней регенератором.

421965 и

Составитель В. Карпушин

Техред 3. Таранеико

Редактор И. Орлова

Коррекгор Л. Орлова

МОТ, Загорский цех

Заказ 4420 Изд. № 1438 Тираж 678 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР но делам изобретений и открытий

Москва, K-35, Раушская наб., д. 4/5