SU813344A1 - Магнитометр с оптической накачкой - Google Patents

Description

Изобретение относится к радиоспектроскопии и может быть использовано ‘ в метрологических и научных целях.

Известен магнитометр с оптической накачкой, предназначенный для измерения сильных магнитных полей в труднодоступных зазорах магнитных систем, который включает в себя после- |Q довательно расположенные на единой оптической оси спектральную лампу, размещенную между витками индуктора, ¹ подключенного к генератору возбуждения разряда, элементы оптики (светопроводы или линзы), циркулярный по ляризатор, охваченную витками радиочастотной катушки поглощающую ячейку с полезным объемом менее 0,1 см’и образованную резонансным сосудом, соединенным посредством капилляра с резервуаром, где размещен запас металла, пары которого подлежат оптическому ориентированию, а также фотоприемник, связанный через блок управления с Перестраиваемьм генератором, нагруженным на указанную радиочастотную катушку. Для увеличения степени поляризации„поглощающая ячейка имеет диамагнитное покрытие стенок [11.

Недостатками данного магнитометра являются пониженные точность, чувствительность и диапазон измерения полей. Это* обусловлено тем, что поскольку длину капилляра выбирают, исходя из условия некоторого превышения геометрического времени нахождения атома в резонансном сосуде относительно времени продольной релаксации Τ_η, Т_о, учитывая, что объем резонансного сосуда чрезвычайно мал, а время релаксации атомов на покрытиях резко возрастает благодаря исключению механизма дипольного взаимодействия, то очевидно, что длину капилляра приходится выбирать достаточно большой. В этих условиях внутренний объем капилляра становится сравнимым с полезным объемом резонансного сосуда, и при возбуждении резонанса часть поляризованных атомов, находящихся в капилляре в условиях делокализованного радиочастотного поля, принимает участие в формировании спектральной линии, обуславливая ее уширение и нессимметрию формы. Поскольку спектральная лампа размещена в земном магнитном поле, то при измерении сильных магнитных полей центр линии излучения лампы и центр линии поглощения атомов в поглощающей ячейке не совпадают что обуславливает появление световых сдвигов, особенно заметных на краю диапазона.

Малый диапазон измерения полей ограничен требованием выполнения условия, при котором зеемановское расщепление спектральных линий в измеряемом магнитном поле не должно превышать доплеровской ширины линии излучения спектральной линии. За пределами этой ширины эффективность оптической накачки резко падает.

Цель изобретения - повышение точности и чувствительности магнитометра .

Поставленная цель достигатся тем,, что, в магнитометре с оптической накачкой, содержащем расположенные на единой оптической оси спектральную лампу, размещенную между витками индуктора, подключенного к генератору поджига разряда, элементы оптики, циркулярный поляризатор, охваченную витками радиочастотной катушки поглощающую ячейку, установленную в зазорр магнитной системы и выполненную в виде резонансного сосуда, соединенного посредством капилляра с резервуаром, в котором размещен запас металла, пары которого подлежат .оптическому ориентированию·, а также фотоприемник, связанный через блок управления с перестраиваемым генератором,нагруженным на радиочастотную катушку,капилляр поглощающей ячейки выполнен металлизированным слоем высокопроводящего металла, гальванически соединенным с общим выводом перерастраиваемого генератора, причем при радиусе капилляра г₀ длина области Металлизации 6^, отсчитываемая вдоль капилляра в направлении от резонансного сосуда к резервуару, выбрана в соответствии с соотношением:

Ъ S2 ¹ где б - средняя скорость тепло_ вого движения атомов;

Т_г- геометрическое время нахождения атомов в объеме резонансного сосуда;

ii - частота сканирования линии магнитного резонанса. Кроме того, слой высокопроводящего металла капилляра снабжен тепловым контактом с любыи· из блоков магнитометра, имеющим температуру более высокую, чем температура поглощающей ячейки, спектральная лампа размещена в зазоре магнитной системы, индуктор выполнен в виде двух витков, каждый из которых ориентирован в плоскости, параллельной плоскости полюсных наконечников магнитной системы, а индуктивность и емкость С_и индуктора выбраны в соответствии с выражением: 4Ь_И С_и = Ск, где Ь_ИКС_И - индуктивность и емкость индуктора;

^км^ск индуктивность и емкость задающего контура генератора поджига.

На чертеже представлена функциональная схема магнитометра.

Магнитометр с оптической накачкой включает в себя расположенные последовательно на единой оптической оси спектральную лампу 1, установленную в зазоре магнитной системы 2 и размещенную между витками индуктора 3, подключенного к генератору 4 поджига разряда, элементы 5 оптики (световоды) , циркулярный поляризатор 6, охваченную витками радиочастотной катушки 7 поглощающую ячейку с диамагнитным покрытием стенок и полезным объемом менее 0,1 см³, образованную резонансным сосудом 8, соединенным посредством капилляра 9 с резервуаром 10, где размещен запас металла, пары которого подлежат оптическому ориентированию, и фоЧрприемник 11. При этом капилляр поглОщецрщий ячейки защищен слоем 12 высокопроводящего металла. Кроме этого, bhixoq фотоприемника связан с блоком 13 уп-_ равления, который через перестраиваемый генератор 14 соединен с радиочастотной катушкой и системой 15 съема информации, причем общий вывод перестраиваемого генератора гальванически связан с слоем высокопроводящего металла, защищающего капилляр поглощающей ячейки.

Магнитометр работает следующим образом.

Высокочастотный генератор 4 с помощью индуктора 3 возбуждает высокочастотный безэлектродный разряд в спектральной лампе 1, обеспечивая интенсивный поток резонансного света в направлении оптической оси прибора. Проходя через циркулярный поляризатор б, свет приобретает циркулярную поляризацию и, попадая (под углом 45° к направлению измеряемого поля) на резонансный сосуд 8 поглощающей ячейки, осуществляет в ^ем поляризацию атомных спинов. Макроскопически это проявляется в изменении, оптической плоскости атомного пара и, как следствие, приводит к некоторому определенному уровню засветки фотоприемника 11. При этом поскольку диамагнитное покрытие внутренних стенок имеется не только в области резонансного сосуда 8, но с необходимостью присутствует и в капилляре 9 на протяжении всей его длины, то поляризованные в резонансном сосуде атомы через механизм теплового движения проникают из резонансного сосуда 8 в капилляр 9, создавая определенное распределение поляризации по его длине.

Если далее на радиочастотную катушку 7 подается с помощью блока 13 управления от перестраиваемого генератора 14 высокочастотное напряжение на ₍частоте, равной частоте процессии атом-ιθ ных спинов в измеряемом магнитном поле W₃=jH₀(j - гидромагнитное отношение атома в поле Н_о) , то в системе ориентированных спинов наступает магнитный резонанс. Наличие резонанса фиксируется по максимуму электрического сигнала, снимаемого с нагрузки фотоприемника 11. В связи с тем, что слой 12 металла , защищающий капилляр 9 ячейки, гальванически связанный с общим выводом перестраиваемого генератора 14, образует электромагнитный экран, то при возбуждении резонанса радиочастотное поле, создаваемое катушкой 7 в окрестности поглощающей ячейки, не может проникнуть в объем капилляра. Тем самым атомы, находящиеся в капилляре, не испытывают резонансного перехода и, следовательно, не дают вклада в ширину и форму линии магнитного резонанса.

При сканировании линии резонанса с частотой Й, осуществляемого с помощью блока 13 управления, сигнал магнитного резонанса соответствует минимуму сигнала первой гармоники напряжения частоты сканирования, снимаемого, с нагрузки фотоприемника 11. Подстройка частоты перестраиваемого генератора 14 под центр линии поглощения магнитного резонанса в этом случае осуществляется с помощью системы автоматической подстройки частоты.

В этих условиях длину области металлизации капилляра выбирают, исходя из условия

^eM^>zi2T_r где Т_г - геометрическое хождения атома сном сосуде; внутренний радиус капилляра, средняя скорость теплового движения атомов.

В связи с тем, что в процессе работы генератора 4 поджига разряда корпус его прогревается, то за счет имеющегося теплового контакта со слоем 12 высокопроводящего металла, защищающего капилляр 9, последний также прогревается до более высокой температуры, чем окружающая среда. Это обуславливает возникновение отрицательного градиента температуры в направлении от колбы к резервуару 10, и следовательно, исключает нежелательвремя нав резонан50 ное явление миграции металла, находящегося в резервуаре 10, в резонансный сосуд 8.

Поскольку спектральная лампа 1 находится в том же измеряемом поле, что и поглощающая ячейка, то при изменении номинала поля центры линии поглощения ячейки и излучения лампы всегда совпадают, что, с одной стороны, исключает наличие световых сдвигов, обязанных виртуальным оптическим переходом атомов, а с другой Ьбеспечивает эффективность накачки и, следовательно, работоспособность магнитометра в диапазоне магнитных полей, значительно превышающих доплеровскую ширину линии излучения лампы.

Для исключения явления неустойчивости и нестабильности горения высокочастотного безэлектродного разряда.в сильном магнитном поле витки индуктора 3 развернуты таким образом, чтобы обеспечить относительную параллельность векторов переменного электромагнитного поля, создаваемого индуктором 3, и постоянного, создаваемого магнитной системой.

При этом для увеличения яркости горения спектральной лампы 1 путем повышения частоты.колебаний, на которой возбуждается разряд (когда за счет уменьшения толщины скин-слоя светящейся плазмы резко уменьшается· самопоглощение спектральных линий излучения), индуктор 3 настраивается на вторую гармонику напряжения, выдаваемого генератором 4 поджига разряда, что выполняется, если между индуктивностью и емкостью задающего контура (и_ки С_к ) и индуктивностью и емкостью индуктора ( С_ц ) соблюдено соотношение

L_и С _и - Ь_к С _к.

Claims (4)

1. Изобретение относитс  к радиоспек троскопии и может быть использовано в метрологических и научных цел х. Известен магнитометр с оптической накачкой, предназначенный дл  измерени  сильных магнитных полей в труд нодоступных зазорах магнитных систем , который включает в себ  последовательно расположенные на единой оптической оси спектральную лампу, размещенную между витками индуктора, подключенного к генератору возбуждени  разр да, элементы оптики (светопроводы или линзы), циркул рный пол ризатор , охваченную витками радиочастотнсЛ катушки поглощающую  чейку с полезньм объемом менее 0,1 образованную резонансным сосудом, соединенным посредством капилл ра с резервуаром, где размещен запас металла , пары которого подлежат оптическсииу ориентированию, а также фотоприемник , св занный через блок управлени  с Перестраиваемьм генератором , нагруженным на указанную ради частотную катушку. Дл  увеличени  степени пол ризации,поглощающа   чей ка имеет диамагнитное покрытие стенок 1. Недостатками данного магнитометра  вл ютс  пониженные точность, чувствительность и диапазон измерени  полей. Это обусловлено тем, что поскольку длину капилл ра выбирают , исход  из услови  некоторого превышени  геометрического времени нахождени  атома в резонансном сосуде относительно времени продольной релаксации Т. , Т, учитыва , что объем резонансного сосуда чрезвычайно мал, а врем  релаксации атомов на покрыти х резко возрастает благодар  исключению механизма дипольного взаимодействи , то очевидно , что длину капилл ра приходитс  выбирать достаточно большой. В этих услови х внутренний объем капилл ра становитс  сравнимым с полезным объемс л резонансного сосуда, и при возбуждении резонанса часть пол ризованных атомов, наход щихс  в капилл ре в услови х целокализованного радиочастотного пол , принимает участие в формировании спектральной линии, обуславлива  ее уширение и нессимметрию . Поскольку спектральна  лампа размещена в земном магнитном поле, то при измерении сильных магнитных полей центр линии излучени  лампы и центр линии поглощени  атомов в поглощающей  чейке не совпадают что обуславливает по вление световых сдвигов, особенно заметных на краю диапазона Малый диапазон измерени  полей ограничен требованием выполнени  услови , при котором зеемановское расщепление спектральных линий в измер емом магнитном поле не должно превышать доплеровской ширины линии излучени  спектральной линии. За пределами этой ширины эффективность оптической накачки резко падает. Цель изобретени  - повышение точ ности и чувствительности магнитометра . Поставленна  цель достигатс  тем, что, в магнитометре с оптической накачкой, содержащем расположенные на единой оптической оси спектральную лампу, размещенную между витками индуктора, подключенного к генератору поджига разр да, элементы оптики, циркул рный пол ризатор, охваченную витками радиочастотной катушки поглощающую  чейку, установленную в зазору магнитной систем и выполненную в виде резонансного сосуда, соединенного посредством ка пилл ра с резервуаром, в котором размещен запас металла, пары которо го подлежат оптическому ориентирова нию-, атакже фотоприемник, св занный через блок управлени  с перестраи емым генератором,нагруженным на рад частотную катушку,капилл р поглощаю щей  чейки выполнен металлизиро ванным слоем высокопровод щего ме талла, гальванически соединенным с общим выводом перерастраиваемо го генератора, причем при радиусе капилл ра Гд длина области feтaллизации 6j, отсчитываема  вдоль ка пилл ра в направлении от резонансно го сосуда к резервуару, выбрана в соответствии с соотношением: где и - средн   скорость тепло вого движени  атомов} геометрическое врем  нахождени  атомов в объеме резонансного сосуда; Л - частота сканировани  линии магнитного резонанса Кроме того, слой высокопровод щего металла капилл ра снабжен тепловым контактом с любъзл- из блоков магнитометра, имеющим температуру более высокую, чем температура поглощающей  чейки, спектральна  лампа размещена в зазоре магнитной системы , индуктор выполнен в виде двух витков, каждый из которых ориентирован в плоскости, параллельной плоскости полюсных наконечников магнитной системы, а индуктивность L и емкость Си индуктора выбраны в соответствии с выражением: 4Ь С, L, Ск, где L,V;CM индуктивность и емкость индуктора; L.C - индуктивность и емкость задающего контура генератора поджига . На чертеже представлена функциональна  схема Магнитометра. Магнитометр с оптической накачкой включает в себ  расположенные последовательно на единой оптической оси спектральную лампу 1, установленную в зазоре магнитной системы 2 и размещенную между витками индуктора 3, подключенного к генератору 4 поджига разр да, элементы 5 оптики (световоды ) , циркул рный пол ризатор б, охваченную витками радиочастотной катушки 7 поглощающую  чейку с диамагнитным покрытием стенок и полезным объемом менее 0,1 см, образованную резонансным сосудом 8, соединенным посредством капилл ра 9 с резервуаром 10, где размещен запас металла , пары которого подлежат оптическому ориентированию, и фо1 приемник 11. При этом капилл р поглОщарщий  чейки защищен слоем 12 высокопровод щего металла. Кроме этого, выхО|Ц фотоприемника св зан с блоком 13 уп- равлени , который через перестраиваемый генератор 14 соединен с радиочастотной катушкой и системой 15 съема информации, причем общий вывод перестраиваемого генератора гальванически св зан с сл&ем вьасокопровод щего металла, защищающего капилл р поглощающей  чейки. Магнитометр работает следующим образом. Высокочастотный генератор 4 с помощью индуктора 3 возбуждает высокочастотный безэлектродный разр д в спектральной лампе 1, обеспечива  интенсивный поток резонансного света в направлении оптической оси прибора. Проход  через циркул рный пол ризатор б, свет приобретает циркул рную пол ризацию и, попада  (под углом 45° к направлению измер емого пол ) на резонансный сосуд 8 поглощающей  чейки, осуществл ет в иол т .зацию атомных спинов. Макроскоп1гчески это про вл етс  в изменении.оптической плоскости атомного пара и, как следствие, приводит к некоторому определенному уровню засветки фотоприемника 11. При этом поскольку диамагнитное покрытие внутренних стенок имеетс  не только в области резонансного сосуда 8, но с необходимостью присутствует и в капилл ре 9 на прот жении всей его длины, то пол ризованные в резонансном сосуде 8атомы через механизм теплового движени  проникают из резонансного сосуда 8 в капилл р 9, создава  определенное распределение пол ризации по его длине. Если далее на радиочастотную кат шку 7 подаетс  с помощью блока 13 у равлени  от перестраиваемого генера тора 14 высокочастотное напр жение частоте, равной частоте процессии ат ных спинов в измер емом магнитном п ле (j - гидромагнитное отноше ние атома в поле HQ), то в системе ориентированных спинов наступает маг нитный резонанс. Наличие резонанса фиксируетс  по максимуму электричес кого сигнала, снимаемого с нагрузки фотоприемника 11. В св зи с тем, что слой 12 металла , защищающий капилл 9 чейки, гальванически св занный с общим выводом перестраиваемого генератора 14, образует электромагнитный экран, то при возбуждении резонанса радиочастотное поле, создаваемое катушкой 7 в окрестности поглощающей  чейки, не может проникнуть в объем капилл ра. Тем самым атомы, наход щи ес  в капилл ре, не испытывают резонансного перехода и, следовательно, не дают вклада в ширину и форму линии магнитного резонанса. При сканировании линии резонанса с частотой Q, осуществл емого с помощью блока 13 управлени , сигнал магнитного резонанса соответствует минимуму сигнала первой гармоники напр жени  частоты сканировани , сни маемого с нагрузки фотоприемника 11. Подстройка частоты перестраиваемого генератора 14 под центр линии поглощени  магнитного резонанса в этом случае осуществл етс  с помощью системы автоматической подстройки частоты . В этих услови х длину области капилл ра выбирают. металли зации исход  из услови  где Т - геометрическое врем  нахождени  атома в резонан сном сосуде; внутренний радиус капилл ра , средн   скорость теплово движени  атомов. В св зи с тем, что в процессе раб ты генератора 4 поджига разр да корпус его прогреваетс , то за счет име ющегос  теплового контакта со слоем 12 высокопровод щего металла, защища ющего капилл р 9, последний также прогреваетс  до более высокой температуры , чем окружающа  среда. Это обуславливает возникновение отрицательного градиента температу м в нап равлении от колбы к резервуару 10, и следовательно, исключает нежелательное  вление миграции металла, наход щегос  в резервуаре 10, в резонансный сосуд 8. Поскольку спектральна  лампа 1 находитс  в том же измер емом поле, что и поглощающа   чейка, то при изменении номинала пол  центры линии поглощени   чейки и излучени  лампы всегда совпадают, что, с одной стороны , исключает наличие световых сдвигов , об занных виртуальным оптическим переходом атомов, а с другой Ьбеспечивает эффективность накачки и, следовательно, работоспособность магнитометра в диапазоне магнитных полей, значительно превышающих доплеровскую ширину линии излучени  лампы. Дл  исключени   влени  неустойчивости и нестабильности горени  высокочастотного безэлектродного разр да,в сильном магнитном поле витки индуктора 3 развернуты таким образом , чтобы обеспечить относительную параллельность векторов переменного электромагнитного пол , создаваемого индуктором 3, и посто нного , создаваемого магнитной системой. При этом дл  увеличени   ркости горени  спектральной лампы 1 путем повыиени  частоты.колебаний, на которой возбуждаетс  разр д (когда за счет уменьшени  толщины скин-сло  свет щейс  плазмы резко уменьшаетс самопоглощение спектральных линий излучени ), индуктор 3 настраиваетс  на вторую гармонику напр жени , выдаваемого генератором 4 поджига разр да, что выполн етс , если между индуктивностью и емкостью задающего контура ( С J, ) и индуктивностью и емкостью индуктора { L,. С,. ) соблюИ X. Л Двно соотношение 4L С L С,. Формула изобретени  1. Магнитометр с оптической накачкой , содержащий расположенные на единой оптической оси спектральную лампу, размещенную между витками индуктора, подключенного к генератору поджига разр да, элементы оптики, циркул рный пол ризатор, охваченную витками радиочастотной катушки поглощающую  чейку, установленную в зазоре магнитной системы и выполненную в виде резонансного сосуда, соединенного посредством капилл ра с резервуаром , в котором размещен запас металла, najaj которого подлежат оптическому ориентированию, а также фотоприемник, св занный через блок управлени  с перестраиваемым генератором , нагруженным на радиочастотную к&тушку, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и чувствительности капилл р поглощающий  чейки выполнен металлизированным слоем высокопровод щего металла , гальванически соединенным с общим выводом перестраиваемого генерйтора , причем при радиусе капилобласти металлизации

   л ра г длина j, отсчитываема  вдоль капилл ра в направлении от резонансного сосуда к резервуару, выбрана в соответствии с соотношением:

   .,,i

   а

   Q 1

   .V3 Q где и - средн   скорость теплового движени  атомов; Тр - геометрическое врем  нахождени  атома в объеме резонансного сосуда; И - частота сканировани  линии магнитного резонанса
2. 2. Магнитометр по п. 1, о т л и чающийс  тем, что слой высокрпровод щего металла капилл ра снабжен тепловым контактом с любым из блоков магнитометра, имеющим температуру более высокую,.чем температура поглощающей  чейки.
3. 3.Магнитометр по пп. 1 и 2, отличающийс  тем, что спекрральна  лампа размещена в зазоре магнитной Системы
4. 4.Магнитометр по пп, 1 - 3, отличающийс  тем, что индуктор выполнен в виде ддух витков, каждый из которых ориентирован в плоскости , параллельной плоскости полюсных наконечников магнитной системы,

   .а индуктивность LV, и емкость С и индуктора выбраны в соответствии с выражением:

   4L,

   Си

   -к CK

   и С, .7 соответственно индукде L тивность и емкость индуктора;

   лС соответственно индуктивность и емкость задающего контура генератора поджига.

   Источники информации, прин тые во внимание при зкспертизе

   -1. Патент США 3786340, кл. 324-05, 1974.