Магнитометр с оптической накачкой

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДИТИЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

«i> 813344 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 200379 (21) 2737527/18-21 с присоединением заявки HP (23) Приоритет

Опубликовано 150381 Бюллетень И

Дата опубликования описания 1503,81 рцм, к,.з

G 01 В 33/09

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621 317

° 44(088.8) (72) Авторы изобретения

П.А, Клюшкин, A.Â. Тиль и В.Н, Фролов (71) Заявитель (54) МАГНИТОМЕТР С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ

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 последовательно расположенные на единой оптической оси спектральную лампу, размещенную между витками индуктора, подключенного к генератору возбуждения разряда, элементы оптики (светопроводы или линзы), циркулярный поляризатор, охваченную витками радиочастотной катушки поглощающую ячейку с полезным объемом менее 0,1 см и образованную резонансным сосудом, соединенньм посредством капилляра с резервуаром, где размещен запас металла, пары которого подлежат оптическому ориентированию, а также фотоприемник, связанный через блок управления с перестраиваемым генератором, нагруженным на указанную радиочастотную катушку, Для увеличения степени поляризации поглощающая ячейка имеет диамагнитное покрытие стенок (1). 30

Недостатками данного магнитометра являются пониженные точность, чувствительность и диапазон измерения полей. Это обусловлено тем, что поскольку длину капилляра выбирают, исходя из условия некоторого превыаения геометрического времени нахождения атома в резонансном сосуде относительно времени продольной релаксации T„, T, учитывая, что объем резонайсного сосуда черезвычайно 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 целокализованного 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

813344 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 превщ ать доплеровской ширины линии излучения спектральной линии. 3а 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 спектраль- 20 ную лампу, размещенную между витками индуктора, подключенного к генератору поджига разряда, элементы оптики, циркулярный поляризатор, охваченную витками радиочастотной g5 катушки поглощающую ячейку, установленную в зазоре магнитной системы и выполненную в виде резонансного сосуда, соединенного посредством капилляра с резервуаром, в котором размещен запас металла, паРы которо го подлежат оптическому ориентированию, а также фотоприемник, связанный через блок управления с перестраиваемым генератором, нагруженным на радио-З5 частотную катушку, капилляр поглощающей ячейки выполнен металлизированным слоем высокопроводящего металла, гальванически соединенным с общим выводом перерастраиваемого генератора, причем при радиусе капилляра rp длина области Металлизации В, отсчитываемая вдоль капилляра в направлении от резонансного сосуда к резервуару, выбрана в соответствии с соотношением: 45

2 2 Ukp е

ЙТ ?r Q где U — средняя скорость теплового движения атомов;

Т, — геометрическое время нахождения атомов в объеме резонансного сосуда, A - частота сканирования линии магнитного резонанса.

Кроме того, слой высокопроводящего металла капилляра снабжен тепловым контактом с любыМ из блоков магнитометра, имеющим температуру более высокую, чем температура пог- . ® лощающей ячейки, спектральная лампа размещена в зазоре магнитной системы, индуктор выполнен в виде двух витков, каждый из которых ориентирован в плоскости, параллельной 65 плоскости полюсных наконечников магнитной системы, а индуктивность L и емкость С, индуктора выбраны в соответствии с выражением:

44,„С„, = 1к Ск, где 1, С вЂ” индуктивность и емик и кость индуктора;

I. С вЂ” индуктивность и емкч к кость 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 l установленную в зазоре магнитной системы 2 и .Размещенную между витками индуктора 3, подключенного к генератору 4 поджига разряда, элементы 5 оптики (световоды), циркулярный поляризатор б, охваченную витками радиочастотной катушки 7 поглощающую ячейку с диамагнитным покрытием стенок и полезным объемом менее 0,1 см, образованную резонансным сосудом 8, соединенным посредством капилляра 9 с резервуаром 10, где размещен запас металла, пары которого подлежат оптическому ориентированию, и фоВоприемник

11. При этом капилляр поглощающий ячейки защищен слоем 12 высокопроводящего металла. Кроме этого, выход фотоприемника связан с блоком 13 управления, который через перестраиваемый генератор 14 соединен с радиочастотной катушкой и системой 15 съема информации, причем общий вывод перес траив аемого ге нера тора гальв анически 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 череэ циркулярный поляризатор 6, свет приобретает циркулярную поляризацию и, попадая (под углом

45 к направлению и змеряемого поля) на резонансный сосуд 8 поглощающей ячейки, осуществляет в нем нэляри.зацию атомных спинов. Макроскопй%ески это проявляется в изменении.оптической плоскости атомного пара и, как следствие, приводит к некоторому определенному уровню засветки фотоприемника Il ° 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

813344 поляризованные в резонансном сосуде

8 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 о

1 ных спинов в измеряемом магнитном поле W> =у Н (g — гидромагн итное отношение атома в поле Но), то в системе ориентирован ных 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 гене- 20 ратора 14, образует электромагнитный экран, то пази возбуждении резонанса радиочастотное поле, создаваемое катушкой 7 в окрестности поглощающей ячейки, не может проникнуть в объем 25 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 Я, 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 линий поглощения магнитного резонанса в этом случае осуществляется с помощью сис- 4Q темы автоматической подстройки частоты.

В этих условиях длину области металлизации (капилляра выбирают, исходя из условия 45

1 2 ur и 2т„з где Т вЂ” геометрическое время нахождения атома в резонансном сосуде; 50

r — внутренний радиус капилляра, 0 — 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 темпе- щ ратуры, чем окружающая среда. Это обуславливает возникновение отрицательного градиента температуры в направлении от колбы к резервуару 10, и следовательно, исключает нежелательное 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 беззлектродного 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 повьыения частоты колеб-ний, 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 (|.„„С y ) и индуктивностью и емкостью индуктора (). „С„) соблюдено соотношение

4)и Си =1к С„

Формула изобретения

1. Магнитометр с оптической накачкой, содержащий 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 зазоре 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, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности капилляр поглоЫ3344

Составитель Е. Данилина

Техред Н.Граб Корректор Г. Решетник

Редактор Л. Повхан

Тираж 732 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 768/58

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 щающий ячейки выполнен металлизированным слоем высокопроводящего металла, гальванически соединенным с общим выводом перестраиваемого генератора, причем при радиусе капилляра г длина области металлизации

3,„,отсчитываемая вдоль капилляра в направлении от резонансного сосуда к резервуару„ выбрана в соответствии с соотношением: Э. 2 0 "0

В = г где Π— средняя скорость теплового движения атомов;

Т вЂ” геометрическое время наг хождения атома в объеме резонансного сосуда; — частота сканирования линии магнитного резонанса.

2. Магнитометр по п. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что слой высокопроводящего металла капилляра снабжен тепловым контактом с любым из блоков магнитометра, имеющим температуру более высокую,.чем температура поглощающей ячейки.

3. Магнитометр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что спектральная лампа размещена в зазоре магнитной системы

4. Магнитометр по пп. 1 — 3, отличающийся тем, что индуктор выполнен в виде двух витков, каждый из которых ориентирован в плоскости, параллельной плоскости полюсных наконечников магнитной системы, .а индуктивность Ь„и емкость С„индуктора выбраны в соответствии с выражением:

4L Си= к Ск где L, и С, — соответственно индуктивность и емкость индуктора;

L C — соответственно индуктивность и емкость задающего контура генератора поджига.

Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент CQlA У 3786340, кл. 324-05, 1974 °