Квантовый магнитометр

Квантовый магнитометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАН И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ!!!! 578630

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свпд-ву (22) Заявлено 13.06.75 (21) 2145452/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.10.77. Бюллетень ¹ 40 (45) Дата опубликования oIIIIcaIIIIII 14.11.77

Государственный комитет

Совета Министров СССР (53) УДК 550.380.8 (088.8) ло дедам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

Е. В. Блинов, P. A. (IITHHI QB и П. П. Кулешов (71) Заявитель Ордена Ленина физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе (54) КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР

Изобретение относится к области квантовой магнитометрии и может быть использо,вано в технике точного измерения магнитного поля, в том числе с подвижных носителей.

В настоящее время известен ряд квантовых магнитометров с оптической ориентацией атомов щелочных металлов и гелия — 4, основанных на двойном радиооптическом резонансе, которые по схемному решению делятся на два класса;

М, — магнитометры (или магнитометры с автоподстройкой частоты опорного генератора) и М,— магпитометры (или самогенерирующие магнитометры) .

Квантовые магнитометры с оптической ориентацией атомов имеют высокую точность и чувствительность, связанную с тем, что измеряемая величина определяется через атомные константы, известные с высокой степенью точности.

Магнитометры с оптической ориентацией щелочных металлов обладают существенным недостатком, связанным с асимметрией линии магнитного резонанса. Это приводит к зависимости показаний такого магнитометра от ориентации его по отношению к измеряемому магнитному полю, а также и от величипы измеряемого магнитного поля.

Известен квантовый магнитометр с оптической ориентацией метастабильных атомов гелия — 4, содержащий гелиевую лампу накачки, циркулярный поляризатор на длину волны i.=1,083 мкм, камеру поглощения и фотоприемнпк, расположенпые на одной оптической оси, высокочастотный генератор возбуждения разряда, радиочастотную катушку, охватыва!ощую камеру поглощения, с подключенным к ней радиочастотным генератором, систему автоподстройкп частоты ра10 диочастотного генератора и систему регистрации частоты.

Существенным недостатком этого мап!птометра (а также и щелочных магнитометров1 является наличие световых сдвигов частоты, 15 величина которой определяет значение измеряемого магнитного поля, и зависимость этих сдвигов, а слсдовательно, и результатов измерений, от ориентации прибора в пространстве. Болыппе световые сдвиги и световое

20 ушпрение линии приводит к спн>ке!!и!о абсол!отпой точности измерения поля. Уширсние

I!!HI!II также снижает чуBcTBIITpль:!ос!ь . !а! нитометра.

Целью изобретения является устранение

25 ориентационнои зависимости результатов измерений и повышение T-o÷IIoñTII за счет устранения возмущений атомов, дающих вктад в магнитный резонанс.

Поставленная цель достигается тем, что

30 камера поглошенпя. содержащая гелий — 4, 578630

;0

55 дополнительно содержит щелочной металл, лампа накачки содержит такой же щелочной металл, причем фотоприемник и циркулярный поляризатор выбраны на длину волны света накачки введенного щелочного металла; в качестве последнего может быть выбран рубидий или цезий.

В этом случае неравновесная населенность зеемановских подуровней метястябильного 2 состояния атомов гелия :1, и тем сях1ь1м преимущественная ориентация спинов

М()МЕЦТО!! ЭТII. ; АТОМОВ, СОЗДЯЕ! СЯ 3 1 С 1ЕT

СТОЛ КПО1!ЕНИИ ИХ С ОПТИ ЕСКI! ОРI!ЕIITIIPOВ1!Пными атомами щелочного металла в отличие от обычно используемого метода оптической ориентации метастабильных атомов гелия — 4 путем облучения их светом с резонансной дл!п1о!! волны (>.=1,083 мкм).

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого магнитометря.

Он содержит лампу 1 накачки, поляроид 2, четвсртьволновую пластинку 3, камеру 4 IIoглощспия, генератор 5 возбуждения ря3pяда, линзы 6, фотоприемник 7, радиочастотную катушку 8, узкополосный усилитель 9, синхронный детектор 10, генератор 11 модуляции, радиочастотный генератор 12, систему 13 регистрации частоты.

Предложенный магнитометр работает следующим образом.

Циркулярно поляризованный свет лампы, содержащей щелочной металл, производит оптическую ориентацию атомов этого >ке металла, находящегося в камере поглощения, с преимущественным заселением, например, уровня пг; =+1/2 этих атомов. При столкновениях этих оптически ориентированных атомов щелочного металла с атомами гелия — 4, метастабильное состояние которых создается слабым (обычно импульсным) высокочастотным разрядом, происходит ионизация атома щелочного металла и переход метастабильного атома гелия в основное состояние, Вследствие закона сохранения полного спинового момента количества движения этот процесс разрешен только для метастаоильных атомов гелия — 4 с проекцией полного спинового момента m;=0,— 1. Для метастабильпых атомов с пг,=+1 этот процесс запрещен и столкновения будут упругими.

В результате создается избыточная населенность метастабильного уровня гелия — 4 с

m +1.

При возбуждении магнитного резонанса метастабильных атомов гелия — 4 на ларморонской частоте о=-уНО (Но — измеряемое магнитное поле, у — гиромагнитное отношение метастабильных атомов гелия- — 4) происходит выравнивание населенностей зеемановских подуровней этого состояния, Это приведет к увеличению числа актов ионизации щелочного металла, что, в свою очередь, вызовет уменьшение степени ориентации атомов щелочного металла и, следовательно, изменение интенсивности света накачки, прошедшего через камеру поглощения и регистрируемого фотодетектором.

С!!пи!! с фотодетектора ня частоте модуляции постугиет H I узкополосный усилитель и далее ня синхронный детектор. E Iallpsl>хенпс на выходе синхронного детектора служит для подстройки частоты радиочастотного генератора к резонансному значению 11=цН,.

Вследствие того, что свет накачки не взаимодействует непосредственно с метастабильными атомами гелия — 4, в предлагаемом магнитометре отсутствуют световые сдвиги частоты, а также связанная с ними ориента-! ьпонная зависимость результатов измерений.

Это существенно повышает точность при абсо IIQTIIblx измерениях и открывает возможность проведения точных измерений магнитного поля и его вариаций с подвижных и вращающихся платформ.

Отсутствие светового уширения резонансной линии метастабильных атомов гелия — 4 приводит, кроме того, к увеличению точности и чувствительности магнитометра не менее, чем на порядок.

Формула изобретения

1. Квантовый магнитометр с оптической ориентацией метастабильных атомов гелия — 4, содержащий лампу накачки, циркулярный поляризатор, камеру поглощения с гелием — 4 и фотоприемник, расположенные на одной оптической оси, высокочастотный генератор возбуждения разряда, радиочастотную катушку, ох ватыва!Ощу!о камеру поглощения, с подключенным к ней радиочастотным генератором и систему регистрации частоты, отличающийся тем, что, с целью устранения ориентационной зависимости результатов измерений и повышения точности за счет устранения возмущений атомов, дающих вклад в магнитный резонанс, камера поглощения дополнительно содержит щелочной металл, лампа накачки содержит такой же щелочной металл, причем фотоприемник и циркулярный поляризатор выбраны на длину волны света накачки введенного щелочного мсталла.

2. Магнитометр по п. 1, отл и ч а ю щи и с я тем, что в качестве щелочного металла, введенного в камеру поглощения и лампу накачки, выбран рубидий или цезий.

578630

Заказ 2319/11 Изд. Ы 847 Тираж 1109

11ПО Государствснного комнтста Совета Министров СС(:Р по делам изобрстсний и открып, й

I13()35, Москва, Ж-35, Раугпская наб., д. 4/5

По lnttciioc

Типография, пр. Сапунова, 2

Составитель Ю. Сизов

Редактор Н. Коляда Техред И. Карандашова Корректор T. Добровольская