Квантовый магнитометр
Иллюстрации
Реферат
ОПИСАНИЕ
ИЗОЬРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 1 Sl I l86
Союз Советских
Социалистических
Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 23.03.79 (21) 2740371/18-25 с присоединением заявки № (51) М Кл з
G 01Ч 3./ 14
G 01R 33/09 (43) Опубликовано 07.03.81. Бюллетень № 9 (45) Дата опубликования описания 07.03.81 (53) УДК 550.838.08 (088.8) ло делам изобретений и открытий (72) Автор изобретения
Е. H. Пестов (71) Заявитель (54) КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР
Государственный комитет (23) Приоритет
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для построения квантовых магнитометров, измеряющих слабые магнитные поля на Земле и в космическом пространстве.
Известен квантовый стандарт частоты, в котором ячейка поглощения, наполненная рабочим атомным газом, и спектральная лампа, разряд в которой осуществляется сильным высокочастотным полем, размещены в одном немагнитном корпусе. Тепло поверхности баллона спектральной лампы, нагревающейся при свечении до температуры =110 С, обогревает ячейку поглощения . конвективным путем и поддерживают ее рабочую температуру .= 70 С, если внешняя температура положительна (около 0"C) и изменяется в небольшом диапазоне (1).
Известен также квантовый магнитометр, в котором обогрев только ячейки поглощения осуществляется угольной тканью или бифилярной обмоткой, расположенными непосредственно на поверхности ячейки. Эти элементы подогрева ячейки поглощения подключаются к высокочастотному генератору или источнику постоянного тока (2J 1ри высокоточных измерениях магнитного поля перечисленные способы обогрева ячейки вносят большие погрешности. Кроме того, донья ячейки, через которые проходит свет накачки, имеют более низкую температуру, чем остальная поверхность ячейки, так как на них не располагается обогревающий элемент. Это ухудшает качество
5 ячейки во времени и снижает точность измерений.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, содержащее датчик с оптической накачкой, 10 внутри корпуса которого размещены спектральная лампа, контрольный и рабочий фотодиоды, ячейка поглощения, радиочастотная катушка, окружающая ячейку поглощения, фокусирующие линзы, циркулярный nol5 ляризатор и термодатчик, установленный на поверхности ячейки поглощения, а также высокочастотный генератор и усилитель сигнала прецессии (3).
Недостатками его являются погрешности
20 при измерении магнитного поля в результате действия мощного высокочастотного поля (=50 —: 100 мГц), возбуждающего разряд в спектральной лампе, располагающейся в одном корпусе вблизи ячейки пог25 лощения; действия магнитного поля нагревателя собственно самой ячейки на рабочий атомный газ в этой ячейке. В области низких температур = †30 †: — 40 С, когда требуется большая отдача тепла от спект30 ральной лампы (для конвективного обогре8l 1l 186 ва ячейки), поверхность ее быстро темнеет.
Срок службы лампы уменьшается. Если ячейка поглощения имеет рабочую температуру =20 —:30 С (например, цезиевая ячейка), то при размещении ее в одном общем корпусе со спектральной лампой возможен перегрев ячейки. Это ведет к уменьшению отношения сигнал/шум, а следовательно, к увеличению погрешностей в измерении магнитного поля.
Целью изобретения является повышение точности измерения в широком диапазоне изменения внешней температуры.
Поставленная цель достигается тем, что в квантовом магнитометре, содержащем датчик с оптической накачкой, внутри корпуса которого размещены спектральная лампа, контрольный и рабочий фотодиоды, ячейка поглощения, радиочастотная катушка, окружающая ячейку поглощения, фокусирующие линзы, циркулярный поляризатор и термодатчик, установленный на поверхности ячейки поглощения, а также высокочастотный генератор и усилитель сигнала прецессии, корпус датчика выполнен в виде двух термостабилизированных резервуаров, разделенных теплоизоляционной перегородкой с отверстием, в которой размещены одна из линз и циркулярный поляризатор, причем в одном из резервуаров размещены спектральная лампа и контрольный фотодиод.
Кроме того, термостабилизированный резервуар, заключающий ячейку поглощения, выполнен в виде теплового проводника, построенного по принципу замкнутой пспарительно-конденсационной системы с нагревателем на одном из его концов.
На чертеже изображена функциональная схема квантового магнитометра.
Квантовый магнитометр содержит высокочастотный генератор 1, конденсатор с обкладками 2, спектральную линзу 3, контрольный фотодиод 4, немагнитный металлический корпус 5 с отверстием 6 в нем и в теплоизоляционной перегородке 7, фиксирующие линзы 8, циркулярный поляризатор 9, корпус 10, выполненный в виде теплового проводника, заключающего ячейку поглощения 11, радиочастотную катушку
12, усилитель 13 сигнала прецессии, paGoчий фотодиод 14, термодатчик 15 и нагреватель 16.
Квантовый магнитометр работает следующим образом.
Высокочастотный генератор 1, выходная мощность которого поступает на обкладки
2 конденсатора, возбуждает электрической компонентой Е высокочастотный безэлектродный разряд в спектральной лампе 3.
Интенсивность свечения ее регистрируется контрольным фотодиодом 4, связанным с генератором 1, и стабилизируется регулированием мощности этого генератора. Для
4О
65 исключения влияния высокочастотной мощности генератора 1 (на практике мощность, действующая на обкладках 2 конденсатора, составляет =1 —:3 Вт) на частоту прецессии атомов в ячейке, корпус 5 выполнен металлическим и немагнитным и имеет характер замкнутого объема с небольшим (=-6 —: —:8 мм) отверстием. 6 в нем и в теплоизоляционной перегородке 7. Корпус 5 в совокупности с теплоизоляционной перегородкой 7 представляет один из термостабилизнрованных резервуаров для спектральной лампы
3, внутри которого устанавливается рабочая температура (.=110 С), определяемая теплоотдачей баллона спектральной лампы.
Отверстие 6 в теплоизоляционной перегородке 7 служит для пропускания света накачки. В корпусе 5 оно мало и не пропускает возбуждающее поле высокой частоты от спектральной лампы 3. В области теплоизоляционной перегородки отверстие 6 расширяется. В ней размещены линза 8 и циркулярный поляризатор 9. Они препятствуют проникновению тепла к ячейке от спектральной лампы за счет конвекции нагретого воздуха и за счет теплового контакта с другой частью корпуса 10, который представляет из себя второй термостабилизированный резервуар, необходимый для ячейки поглощения 11. На ячейку поглощения, наполненную атомами рабочего газа (цезия, рубидия, калия) намотана радиочастотная катушка 12. Она возбуждает когерентную прецессию атомов в ячейке и соединена с выходом усилителя 13. Вход усилителя 13 соединен с рабочим фотодиодом
14, который регистрирует сигнал прецессии и замыкает цепь обратной связи датчика квантового магнитометра, генерирующего на частоте о. = у.Н (здесь у — гиромагнитное отношение атомов, Н вЂ” модуль магнитного поля в области ячейки поглощения 11) .
Рабочий фотодиод 14, размещенный в корпусе 10, также стабилизируется по температуре.
Корпус 10 выполнен в виде немагнитного теплового проводника с полостью на одном конце. В этой полости устанавливается (заданная термодатчиком 15) рабочая температура, определяемая ячейкой поглощения (для цезиевых ячеек =25 †: 40 С; для рубидиевых = — 35 †: 50 С). Тепловой проводник, работающий по принципу замкнутой испарительно-конденсационной системы, выполняется в виде гибкой тепловой трубки с двойными стенками, между которыми располагаются фитили и рабочая жидкость.
Построенный таким образом тепловой проводник имеет КПД)90 / передачи тепла от нагретого конца, жестко связанного с нагревателем 16, к полости, в которой размещена ячейка поглощения 11. Соединение термодатчика 15 с нагревателем 16 замыкает цепь терморегулирования и стабилиза811186
Б IZ V Л7 Я ции температуры в полости тепловой трубки 10.
Использование предложенного квантового магнитометра позволяет повысить точность измерения магнитного поля за счет уменьшения погрешностей вследствие устранения нагрева ячейки электрическим путем. Кроме того, разделение различающихся по температуре тепловых резервуаров ячейки поглощения и спектральной лампы (рабочая температура цезиевой ячейки
25 —: 40 С, а спектральной лампы = 110 С) при помощи тепловой перегородки позволяет уменьшить погрешности в измерении магнитного поля от действия высокочастотного поля спектральной лампы на ячейку поглощения;
Размещение ячейки поглощения в полости тепловой трубки устраняет температурный градиент по поверхности ячейки поглощения. В области низких температур спектральная лампа 3 работает в нормальном режиме, так как рассеяние тепла с поверхности лампы уменьшено вследствие замкнутости теплового резервуара.
Выполнение предлагаемого квантового магнитометра с применением тепловых проводников — трубок в цепи обогрева и регулирования температуры ячейки поглощения, и теплоизоляционной перегородки между ячейкой поглощения и спектральной лампой позволяет повысить точность измерения магнитного поля в широком диапазоне изменения внешней температуры (от — 50 до
+ 70 С) .
Формула изобретения
1. Квантовый магнитометр, содержащий датчик с оптической накачкой, внутри корпуса которого размещены спектральная лампа, контрольный и рабочий фотодиоды, ячейка поглощения, радиочастотная катушка, окружающая ячейку поглощения, фоку5 сирующие линзы, циркулярный поляризатор и термодатчик, установленный на поверхности ячейки поглощения, а также высокочастотный генератор и усилитель сигнала прецессии, отличающийся тем, что, с
1О целью повышения точности измерения в широком диапазоне изменения внешней температуры, корпус датчика выполнен в виде двух термостабилизированных резервуаров, разделенных теплоизоляционной пе15 регородкой с отверстием, в котором размещены одна из линз и циркулярный поляризатор, причем в одном из резервуаров размещены спектральная лампа и контрольный фотодиод.
20 2. Квантовый магнитометр, по п. 1, отл и ч а ю шийся тем, что термостабилизированный резервуар, заключающий ячейку поглощения, выполнен в виде теплового проводника, построенного по принципу
25 замкнутой испарительно-конденсационной системы с нагревателем на одном из его концов.
Источники информации, 30 принятые во внимание при экспертизе
1. Григорьянц В. В. идр. Квантовые стандарты частоты. М., «Наука», 1968.
35 2. Авторское свидетельство СССР № 314176, кл. G 01V 3/00, 1970.
3. Авторское свидетельство СССР № 379916, кл. G 05D 23/275, 1971.