Компонентный электронно-спиновый магнитометр

Компонентный электронно-спиновый магнитометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение может быть использовано для одновременного измерения трех компонент вектора напряженности постоянного или медленно меняющегося слабого магнитного поля. Компонентный электронно-спиновый магнитометр содержит блок сигналов электронного парамагнитного резонатора, три системы компенсирующих катушек 1-3, 4-6, 7-9, магнитные оси которых взаимно ортогональны и совпадают с осями X, ,Y, Z декартовой системы координат, катугаку 10 с рабочим веществом , блоки 12-14 автоматической компенсации, измерители 15-17 тока, задающий генератор 19, фазовращатель 20, аналоговые переключатели 18,21 и блок 22 их управления. Компонентный электронно-спиновый магнитометр высокоточен и надежен в .работе. 1 ил. с 9

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 Г 01 R 33/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H A BTOPCHGMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4! 41744/24-31 (22) 03.1).86 (46) 07.09,88, Бюл. М 33 (71) Институт физики им. Л.В,Киренского (72) В.В.Лисин, Э.П.Зеер и А.В.Пустынский (53) 621.317.44 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 890283, кл. G 01 R 33 02, 1981.

Авторское свидетельство СССР

У 1170388, кл. G О1 R 33/02, 1985. (54) КОМПОНЕНТНЬПЗ ЭЛЕКТРОННО-СПИНОВЫЙ МАГНИТОМЕТР (5?) Изобретение может быть использовано для одновременного измерения трех компонент вектора напряжен„„SU„, 1422197 А1 ности постоянного или медленно меняющегося слабого магнитного поля °

Компонентный электронно-спиновый магнитометр содержит блок сигналов электронного парамагнитного резонатора, три системы компенсирующих катушек

1-3, 4-6, 7-9, магнитные оси которых взаимно ортогональны и совпадают с осями Х,„Y Z декартовой системы координат, катушку !О с рабочим веществом, блоки 12-14 автоматической компенсации, измерители 15-17 тока, задающий генератор 19 фазовращатель 20, аналоговые переключатели

18,21 и блок 22 их управления, Компонентный электронно-спиновый магнитометр высокоточен и надежен в .работе. 1 ип, 1422197 вано для одновременного измерения трех компонент вектора напряженности постоянного или медленно меняющегося слабого магнитного поля, в том числе компонент магнитного поля Земли, включая измерения в разведочных скважинах, а также измерения в межпланетной среде и во внешней геомагнитосфере, в особенности в инфранизкочастотном диапазоне, где требуется высокая временная и температурная стабильность.

Цель изобретения — повышение точности и надежности:магнитометра, На чертеже изображена блок-схема предлагаемого магнитометра.

Магнитометр содержит три системы компенсирующих катушек 1-3, 4-6, 79, магнитные оси которых взаимно ортогональны и совпадают с осями Х, У, Z декартовой системы координат, каждая компенсирующая система катушек соответственно состоит из трех последовательно соединенных квадрагных катушек 1-.3, 4-6, 7-9„ соответствующие магнитные оси которых совпадают„ размещенных на кубическом каркасе, цилиндрическую катушку 10 с рабочим веществом, соединенную с входом блока 11 сигналов поглощения ЭПР и размещенную в центре объема, образованного тремя системами компенсирующих катушек, при этом ось цилиндрической катушки 10 с рабочим веществом образует равные пространственные углы с взаимно-ортогональными магнитными осями Х, У, Е трех систем компенсирующих. катушек (т.е., ось цилиндрической катушки 10 с рабочим веществом совпадает с главной диа гональю кубического каркаса), три блока 12-14 автоматической компенсации компонент Х, У и Z вектора напряженности магнитного поля, включающих схемы для усиления, фильтрации и фазового детектирования сигналов поглощения 3IIP на первой гармонике частоты модуляции, схемы формирования токов компенсации, выходы бло" ков 12,13 и 14 через измерители 15„

l6 и 17 токов компенсации подключены к соответствующим системам компенсирующих катушек 1-3; 4-6 и 7-9, первый вход блока 12 автоматической компенсации соединен с выходом блока 11 сигналов поглощения, а первьее

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольэо5

Ф

ЗО

55 входы блоков 13 и 14 автоматической компенсации соединены с выходами первого аналогового переключателя

1 8, вход которого соединен с выходом блока 11 сигналов поглощения, задающий генератор 19, выход которого соединен с входом Йаэовращателя

20, вторьеми входами блоков 13 и 14 автоматической компенсации с входом второго аналогового переключателя

21, а также с входом блока 22 управления аналоговыми переключателями, выход которого подключен к управляющим входам первого и второго аналоговых переключателей 18 и 21, выход фазоврашателя 20 соединен со вторым входом первого блока 12 автоматической компенсации, а также с системой компенсирующих катушек 7-9, выходы второго аналогового переключателя 21 соответственно соединены с системами компенсирующих катушек 13 и 4-6, Работа магнитометра основана на использовании метода ЭПР. Ha рапочее вещество, находящееся в цилиндрической катушке 10, накладьеваются знакоперсменные синусоидальные модулирующие магнитные поля, создаваемые гремя системами компенсирующих катушек 1-3, 4-6, 7-9 (они же мрдулирующие) при помощи задающего генератора

l9, фазовращателя 20 и второго аналогового переключателя 21, При этом синусоидальное модулирующее поле, например, вдоль оси Х создается непрерывно и при помощи фазовращателя

20 сдвинуто по фазе ii/2 относительно синусоидальных модулируюших полей, создаваемьгх вдоль осей Y и 7,„. а синусоидальные модулирующие поля вдоль осей У и Z при помощи второго аналогового переключателя 2! и блока 22 управления аналоговыми переключателями включаются поочередно на равные промежутки времени, кратные периоду синусоидальной модуляции, причем переключение производится в момент прохождения через нуль синусоидального модулирующего тОка в соответствующих системах компенсирующих катушек, Таким образом, рабочее вещество находится во вращающемся магнитном поле, причем вращение вектора этого поля неразрывно и периоди еески перехо-дит из плоскости Х0У в плоскость Y0Z и обратно (в моменты перек"nчееsия то— ка модуляции между соответствуечщиь..и

1422197 системами компенсирующих катушек).

Блок 11 сигналов поглощения, соединенный с цилиндрической катушкой 10, использует вынужденную прецессию электронных спинов и выделяет сигнал поглощения ЭПР,, причем в силу соотО нет ст вующей ориентации цилиндриче ской катушки 10 с рабочим веществом относительно взаимно ортогональных магнитных осей Х, У. и Z систем компенсирующих катушек чувствительность блока ll сигналов поглощения к магнитным полям в направлениях Х,Y и Z одинакова, Для измерения компонент вектора напряженности магнитного поля применяют компенсационный метод, в котором используется cBGHcTBG четности линии поглощения ЭПР относительно знакопеременного магнитного поля.

При равных нулю компонентах измеряемого поля четность относительно вращающегося модулирующего поля не нарушается и на выходе блока 11 сигналов поглощения присутствует сигнал поглощения ЭПР„ н спекторе которого содержатся только четные гармоники о частоты модуляции. При не равных нулю компонентах измеряемого поля четность нарушается, и в спектре сигнала появляется составляющая на основной частоте модуляции, имеющая некоторую фазу и амплитуду, Модулирующие поля вдоль осей Y u Z включаются поочередно, что эквивалентно наличию в спектре сигнала поочередно меняющихся двух пар сигналов от компонентов Х и Y и от компонент Х и Z измеряемого поля, фазы которых совпадают с фазой соответствующего модулирующего поля, а амплитуды зависят от величины соотнетствуюц1их компонент измеряемого поля. При этом нарушение четности относительно какого-либо знакопеременного модулирующего поля вызывает только та компонента измеряемого магнитного поля, направление которой совпадает с направлением этого модулирующего поля„ а две другие компоненты измеряемого поля в силу своей ортогональности направлению этого модулиру-ющего поля не влияют на нарушение четности и, следовательно, не дают вклад в сигнал от этой компоненты.

Ф

Первый аналоговый переключатель 18 при помощи блока 22 управления аналоговыми переключателями поочередно и синхронно с включением соответствующего модулирующего поля вдоль о сей

Y:и Z подключает выход блока 11 сигналов поглощения к первым входам блоков 13 и 14 автоматической компенсации. Таким образом, на каждый из первых входов блоков 12 — 14 автоматической компенсации поступают только сдвинутые по фазе íà 0!2 сигналы от компонент измеряемого поля, один из которых обязательно соответствует измеряемой компоненте поля, компенсируемой данным блоком.

Блоки 12-14 автоматической компенсации, используя опорные сигналы, поступающие на их вторые входы с задающего генератора 19 и фазовращателя 20, выделяют из спектра сигнала поглощения ЭПР только первые гармоники частоты модуляции, которые имеют соответствующую им фазу, а остальные составляющие спектра подавляются. В выходной цепи каждого блока появляется и поддерживается ток такой величины и знака, чтобы с помощью системы компенсирующих катушек скомпенсировать соответствующую компоненту измеряемого магнитного поля. Таким образом, величина постоянной составляюц1ей тока, измеренная в каждой системе компенсирующих катушек с помощью измерителей 15-17 тока пропорциональна величине каждой компоненты измеряемого магнитного

35 . поля, а знак тока указывает направление этой компоненты.

Упрощение конструкции магнитометра достигается за счет использо40 нания цилиндрической катушки с рабочим веществом, Предлагаемая ориентация оси цилиндрической катушки с рабочим веществом относительно магнитных осей

4 систем компенсирующих катушек обеспечивает повышение не менее чем в два раза точности непрерывного измерения по крайней мере двух из трех измеряемых компонент магнитного поля и, 50 кроме того, эквивалентность точности измерения компонент, Выполнение каждой системы компенсирующих катушек в виде трех последовательно соединенных квадратных катушек, магнитные оси которых совпадают, позволяет

55. путем увеличения однородности ком,пенсирующих полей не менее чем в пять раз повысить точность измерений, Кроме того, при заданной точности это

14?21

Формула и з о б р е т ения

Компонентный электронно-спиновый магнитометр., содержащий блок сигналов ЭПР, три системы компенсирующих катушек с взаимно ортогональными магнитными осями, катушку с рабочим веществом, первый, второй и третий блоки автоматической компенсации, первый, второй и третий измерители тока, задающий генератор и фазовращатель, причем катушка с рабочим веществом размещена в центре объема,„ обрaçîâàííoãî тремя системами компенсирующих катушек и соединена с входом блока сигналов ЭПР, выходы блоков автоматической компенсации

Составитель H,1Ïóëüãèí

Tezpep Л.Олийнык Корректор О,Кравцова

Редактор И, Горная

Заказ 4428/47 Ти раж 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1.13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 позволяет сократить размеры систем компенсирующих катушек.

За счет применения двух аналоговых переключателей и блока управления возможны использование одной частоты модулирующего поля и разделение. с одного датчика сигналов от соответствующих компонент, применяя только их сдвиг по фазе на 7 /2 и тем самым практически устраняя ошибку, связанную с аппаратурным разделением сигналов от трех компонент измеряемого поля, что позволяет повысить точность измерений одной из ком- 15 понент на два порядка, через соответствующие измерители тока подключены к системе компенсирую35 щих катушек, выход фазовращателя соединен с вторым входом первого блока автоматической компенсации и с системой компенсирующих катушек, соответ97

6 ствующей этому блоку, первый вход первого блока автоматической компенсации соединен с выходом блока сигналов ЭПР, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности магнитометра, он дополнительно содержит первый и второй аналоговые переключатели, а также блок управ ения аналоговыми переключателями, выход задающего генератора соединен с входом фазовращателя„ входом второго аналогового переключателя, входом блока управления аналоговыми переключателями,, а также с вторыми входами второго и третьего блоков автоматической компенсации, первый вход первого аналогового переключателя соединен с выходом блока сигналов

ЭПР, а выходы соединены с первыми входами второго и третьего блоков автоматической компенсации, выходы второго аналогового переключателя соединены с системами компенсирующих катушек, соответствующих второму и третьему блокам автоматической компенсации, управляющие входы первого и второго аналоговых переключателей соединены с. выходом блока управления аналоговыми переключателями, причем катушка " рабочим веществом имеет цилиндрическую форму, и ее ось образует равные пространственные углы с магнитными осями трех систем компенсиру ющих катушек, а каждая из систем компенсирующих катушек выполнена в виде трех последовательно соединенных квадратных катушек, магнитные оси которых совпадают,