Квантовый магнитометр с оптической накачкой

 

н

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик (») 438345

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено16.01.73 (21 ) 1871310/26-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 05,12.76,бюллетень №45 (45) Дата опубликования описания 19.01.77 (51) М. Кл 01 Ч 3/14

Гасударственный комитет

СоВета Министров СССР по делам изобре1ений и открытий (53) УДК 550.838 (088.8) (72) Авторы изобретения Е, Б. Александров, А. Б. Мамырин и Н, Н, Якобсон (71) Заявитель (54) КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР С OI ITIIЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ

Изобретение относится к области квантовой магнитометрии.

Известны квантовые магнитометры на парах щелочных металлов, в которых использован принцип оптической накачки и детектирования переходов основного состояния шелочных атомов. В таких магнитометрах для накачки и детектирования переходов применяют циркулярнь-поляризованный свет газоразрядной лампы с парами щ рабочего вешества, а для устранения мерт вых зон (зон отсутствия сигнала) и умень шения зависимости результата измерения величины магнитного поля от ориентации магнитометра относительно вектора изме- 1.б ряемого магнитного поля — компенсационный метод.

В магнитометрах используют две, четыре или шесть резонансных ячеек с парами рабочего вешеств», имеюших свои каналы QQ ре; истрации резонанса, соединенные таким образом, чтобы ориентационные зависимости каждого из каналов взаимно компенсировались. Такой метод компенсации требует точного поддержания параметров всех 25

2 каналов, что практически сложно, особенно в широком диапазоне значений измеряемого поля, иэ-за частичного или полного перекрытия группы близких по частотам переходов, образуюших рабочий резонанс, частоты и амплитуды которых меняются с величиной постоянного магнитного поля и ориентацией относительно него оптической оси измерительного канала, Бель изобретения — устранение зависимости результатов измерения от ориентации магнитометрэв в пространстве, повышение чувствительности и получение линейной по измеряемому магнитному полю шкалы в квантовом магнитометре с оптической накачкой.

Это достигается тем, что в предлагаемом магнитометре система возбуждения радиополя выполнена в виде точечного диполя или системы диполей (например двух запитанных параллельно диполей с ортогональными плоскостями поляризации), резонансная ячейка расположена в зоне индукции диполей, накачка и детектирование переходов осушествляется неполяризованным светом, а в схеме магии438345 тометра измеряется разность частот двух переходов между состояниями сверхтонкой структуры рабочего вещества.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого магнитометра; на фиг. 2 - струк- 5 тура уровней основного состояния щелочного атома с ядерным спином 1=3/2 в слабом магнитном поле и расположение в шкале частот, разрешенных правилами от10 бора переходов; на фиг. 3- пространственная конфигурация поля.

Магнитометр содержит спектральную лампу 1 неполяризованного источника накачки, .резонансную ячейку 2 с парами рабочего вещества, установленные так, что свет от спектральной лампы попадает на фотоприемник 3 через резонансную ячейку, Система 4 возбуждения радиополя выполнена в виде диполя или двух параллельно запитанных диполей и размещена около резонансной ячейки таким образом, чтобы последняя находилась в зоне индукции диполей. Спектральная лампа, резонансная ячейка, фотоприемник и система возбуждения радиополя помещены в термостат 5.

Система возбуждения радиопопя связана с блоком 6 формирования частот переходов, к входным цепям которого присоединены опорный генератор 7 и перестраи- g} ваемые генераторы 8 и 9. Входные цепи систем 1О, 11 автоматической подстройки частоты подключены к фотоприемнику, а выходные цепи — к перестраиваемым генераторам, Частотомер 12 присоединен 35 к блоку формирования частот переходов, причем между спектральной лампой и резонансной ячейкой установлена ячейк фильтр 13.

Известно, что разность населенностей 40 между состояниями сверхтонкой структуры может быть достигнута и контролироваться при облучении рабочих паров неполяризованным светом источника, содержащего спектральные компоненты, вызывающие 45 переходы преимущественно с одного уровня сверхтонкой структуры в возбужденные состояния. Отсутствие поляризации в свете накачки приводит к тому, что вероятности поглощения света накачки атомами в ос- 50 новном состоянии не зависят от направления распространения света накачки отнс сительно вектора измеряемого магнитного поля и позволяет осуществить накачку, независящую от ориентации, и контроль Ж населенностей магнитных подуровней, принадлежащих одному сверхтонкому состоянию.

Все магнитные подуровни тп одного из сверхтонких состояний (фиг. 2) приоб 60 ретают в результате действия света и качки населенность, избыточную по отношению к населенностям магнитных подуровней второго сверхтонкого состояния, и этот процесс не зависит от ориентации постоянного магнитного поля. Частоты переходов Ь Р = 1 л m> = ++1,0 зависят от величины цостоянного магнитного поля

Н, и при малых полях с точностью до квадратичного члена могут быть записаны в виде

m 0+171tF- Yz о

1 z

+гьа+в4(7 7 )3на rq, Я. где, ) „) и В„В, — постоянные для рабо=чего вещества, à Мо — частота расщепления сверхтонкой структуры рабочего вещества.

На фиг. 2 обозначены разрешенные переходы между состояниями сверхтонкой структуры и взаимное расположение соответствующих резонансов в шкале частот для случая вещества с ядерным спином

1=3/2 (например %ted<> или К), Разностная частота, двух переходов, симметричных от носительно частоты перехода Р, F, = О.

«У " = О (например "3з Ъ4 фиг. 2)> линейно зависит от величины постоянного магнитного поля Но и не содержит в явном виде зависимости от частоты1) сверх=тонкого расщепления М - v4 =2 (у„тп .

> fz F )H0,÷ò0 представляет определенные

z удобства для метрологии.

Частоты линий b, Ь4 имеют максимальную и противоположную одна другой по знаку зависимость от величины магнич ного поля, и применение для измерений в магнитометре разностной частоты этих двух переходов позволяет получить выиг рыш в чувствительности в 2(F + 7 ) раза по сравнению с магнитометрами, в которых использованы переходы h F=Q Ь = 4Дпя возбуждения линий Ь, 04 магНитная компонента резонансного радноцоля должна быть ортогональна постоянному полю и для устранения мертвых зон в пределах образца должно быть создано неоднородное по ориентации радиополе, Предлагаемый магнитометр работает следующим образом, Спектральная лампа источника накачки имеет в спектре излучения компоненту, совпадающую с линией поглощения в спектре рабочего вещества, соответствующую переходам с одного из уровней сверхтонкой структуры основного состояния (например, 7 = 2, фиг, 2) в возбужден438345 ные электронные состояния. Свет спектральной лампы направлен на .резонансную ячейку, содержащую пары рабочего веществ ва, а прошедший через ячейку свет контролируется фотоприемником.

Излучение спектральной лампы источника накачки неполяризовано и все магни алые состояния m уровня 7-- 2 в парах

7 рабочего вещества в резонансной ячейке оказываются в результате действия света накачки равномерно опустошенными в поль зу состояния 7 =1. Одновременно измен ие населенности. любого из состояний m»

P =2 приводит к изменению прозрачности ячейки для света накачки и регистрируется фотоприемником. Оба эти процесса не зависят от взаимной ориентации вектора измеряемого постоянного магнитного поля и направления распространения света накачки, так как последний неполяризован.

Система возбуждения радиополя выполнена в виде одного петлевого вибратора или системы петлевых вибраторов (точечных диполей), размеры которых малы по сравнению с размерами резонансной ячейки. Резонансная ячейка установлена в зоне индукции дипоцей таким образом, чтобы в рабочем объеме существовали области с ортогональными ориентациями вектора радиополя (фиг. 3), например, для двух параллельно запитанных диполей с ортогональными плоскостями поляризации.

Спектральная лампа, резонансная ячейка, система возбуждения радиополя и фотоприемник HQMBHLBHbI в термостат, поддерживающий рабочую температуру резонансной ячейки и спектральной лампы, Система возбуждения радиополя запитана от блока формирования частоты переходов, в котором из сигналов с частотой опорного генератора и сигналов с частотами перестраиваемых генераторов образуются два сигнапа с частотами V> V, соответствующими переходам О, Значение каж4 дой из этих двух частот определяется частотой соответствующего перестраиваемого генератора и частотой опорного генератора и не зависит от частоты второго перестраиваемого генератора. При совпадении любой из двух частот 1 с частотой соответствующего перехода увеличивается населенность состояния m è соответственно уменьшается интенсивность света, приходящего на фотоприемник.

Выходной сигнал фотоприемника поступает на две независимые системы 10 и 11 автоматической подстройки частоты, управляющие частотами соответствующих перестраиваемых генераторов. Система автоматической подстройки частоты выполнены по известному принципу экстремума регуляторов и состоят из усилителя сигнала ошибки, сканирующего генератора и с...бронного детектора, выход которого под >I к исполнительным устройствам со . гс: . ..уюшего перестраиваемого генер; T."

I.,ë-„, =..:.: ..:, - сканирующего генератора по.-;: "-:, -..;".:.перонный детектор и вводи: ..:; . .:.цваемый генератор или в бло.,,„.. -.:.iiя частоты переходов для со, -,,:;.";. или частотной модуляции в p:,=.à. - ти связи общеприняты для сис:-: i -.;âòîìàòè÷åñêoé подстройки частоты по линии поглощения в радиоспектроскопии. Системы автоматической подстройки частоты разделяют сигналы ошибок, поступающие с фотоприемника, и управляют частотами соответствующих перестраиваемых генераторов, поддерживая значения их частот таким образом, чтобы частоты выходного сигнала блока формирования частот переходов, поступающие на систему возбуждения радиополя, оставались равными частотам рабочих переходов.

Одновременно в блоке формирования частот переходов образуется сигнал с часц той,равной разности частот переходов.

Этот сигнал не содержит частоты опорного генератора, а следовательно, и нестабильности частоты опорного генератора, так как обе частоты поддерживаются равными частотам рабочих переходов с точностью до ошибок следящих систем. Сигнал с разностной частотой поступает на частотомер 12, измеряющий как частоту, так и величину постоянного магнитного поля, вследствие того, что разнос-r, частот б очих переходов изме няетс,:. ц ц; йнс

1 личиной постоянного магниi (а f: оля".

При измерении ориентаци." :;:..кк.о магнитометра относительно век.г.,ъ: ».змеряемого магнитного поля рабочи . онансы не изменяют своих частот и с.п лы резонансов не исчезают. Измерени=:,„-;=.ностной частоты для двух переходов поь:. л ет чувствительность и создает удобств.". отсчета, так как показания частотомера и. опорциональны величине магнитного поля. 1 роме того, устраняется влияние света накачки и температуры резонансной ячейки за счет того, что смещение частот под действием этих причин носит общий характер для всех магнитных подуровней одного сверхтонкого состояния.

Такое построение магнитометра возможно для всех щелочных металлов с разрешенной сверхтонкой структурой. Для повы8345

43

7 шения отношения сигнал/шум, и применения веществ с малым сверхтонким расщеплением (например, К) между спектральной лампой неполяризованного источника накачки и резонансной ячейкой с парами рабочего вещества устанавливают фильтр 13, выделяющий одну сверхтонкую компоненту в спектре излучения лампы накачки. Такой фильтр может быть выполнен в виде оптического устройства или в виде ячейки с парами вещества, имеющего необходимую линию поглощения. В этом случае возможны следующие построения: спектральная лампа Я3 gg ячейка-фильтр 2Ь, резонансная ячейка ЯЪ, спектральная лампа М Ь, ячейка-фильтр R g gy резонансная ячейка МЬ,, спектральная лампа К; ячейка-фильтр К; ре59 44 зонансная ячейка К, Применение ячейки-фильтра улучшает отношение сигнал/

/шум, так как большая часть света, прошедшего через резонансную ячейку, участвует в процессе накачки и детектирования, Формула изобретения

Квантовый магнитометр с оптической накачкой и детектированием резонанса, состоящий из спектральной лампы неполя8 ризованного источника накачки, резонансной ячейки с парами рабочего вещества, фотоприемника, системы возбуждения радиопопя, помещенных в термостат, и присоединенной к фотоприемнику системы автоматической подстройки частоты, которая связана с перестраиваемым генератором, присоединенным совместно с опорным генератором к блоку формирования частоты

19 перехода, выходные цепи которого подключены к системе возбуждения радиопс ля и частотомеру, отл и ч аю щи йс я тем, что, с целью устранения зависимости результатов измерения от ориен15 тации магнитометров в пространстве, повышения чувствительности и получения линейной по измеряемому магнитному пс» лю шкалы, между спектральной лампой неполяризованного источника накачки и резонансной ячейкой установлена ячейкафильтр, система возбуждения радиопаля выполнена в виде точечных диполей, в зоне индукции которых размещена резонанс ная ячейка, а к фотоприемнику присоединена дополнительная независимая система автоматической подстройки частоты, причем обе системы подключены к отдель ным перестраиваемым генераторам, выЗО ходные цепи которых присоединены к блоку формирования частот переходов, 438345

Щр 2 2 4

0

+1 м 4 5 4 6 Ь

Составитель В, Карпушин

Редактор Т. Рыбалова Техред О. Луговая Корректор H. Гоксич

Заказ 5655/293 Тираж 690 П одписное

11НИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, уп. Проектная, 4