DE1226201B - Optisches Magnetometer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

;P ATE-NTAM T

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIr

Deutsche KL: 21 e -12

Nummer: 1226 201

Aktenzeichen: V 21411IX d/21 e

Anmeldetag: 5. Oktober 1961

Auslegetag: 6. Oktober 1966

Es sind optische Magnetometer bekannt, bei denen in einer Absorptionszelle enthaltene Quantensysteme in dem zu messenden magnetischen Gleichfeld gyromagnetische Präzessionen ausführen und optische Strahlungsmittel durch die Absorptionszelle eine zirkulär polarisierte Strahlung leiten, deren Komponenten durch die magnetischen Unterniveaus der Quantensysteme schwankenden Absorptionen unterliegen. Auf die Absorptionszelle wird ein magnetisches Wechselfeld zur Einwirkung gebracht, und eine Photozellenanordnung spricht auf die Intensität der die Absoptionszelle durchsetzenden optischen Strahlung an und liefert ein Wechselstromausgangssignal, welches das auf die Absorptionszelle einwirkende magnetische Wechselfeld im Wege der Rückkopplung erzeugt und eine Frequenz hat, die der Präzessionsfrequenz der Quantensysteme entspricht und dadurch ein Maß für das zu messende magnetische Gleichfeld bildet. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der Zeitschrift »Scientific American«, Oktober 1960, Aufsatz »Optical Pumping«, von A. L. Bloom, beschrieben.

Die bekannte Anordnung zur magnetischen Feldstärkenmessung beruht auf einer gyromagnetischen Resonanzabsorption unter Ausnutzung eines durch Rückkopplung zum Selbstschwingen erzeugten optischen Pumpvorganges.

Der Grund für das Auftreten der hochfrequenten Wechselstromkomponente in dem Ausgangssignal der aus der Absorptionszelle bestehenden Vorrichtung liegt darin, daß die Elektronen bei ihrem Präzessionsvorgang während jeder - Präzessionsperiode einmal besonders stark und einmal besonders gering auf die Zirkularpolarisation des Pumplichtesr ansprechen.

Ein optisches Magnetometer, bei dem in einer Absorptionszelle enthaltene Quantensysteme in dem zu messenden magnetischen Gleichfeld gyromagnetische Präzessionen ausführen und bei dem optische Strahlungsmittel durch die Absorptionszelle eine zirkulär polarisierte Strahlung leiten, deren Komponenten schwankenden Absorptionen durch die magnetischen Unterniveaus der Quantensysteme unterliegen, unter Anwendung eines auf die Absorptionszelle einwirkenden magnetischen Wechselfeldes und einer Photozellenanordnung, die auf die Intensität der die Absorptionszelle durchsetzenden optischen Strahlung anspricht und ein Wechselstromausgangssignal liefert, welches das auf die Absorptionszelle einwirkende magnetische Wechselfeld im Wege der Rückkopplung erzeugt, wobei die Frequenz des erzeugten Wechselstromsignals der Präzessionsfrequenz der Optisches Magnetometer

Anmelder:

Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)
Vertreter:

Dr. phil. G. B. Hagen, Patentanwalt,
München-Solln, Franz-Hals-Str. 21

Als Erfinder benannt:

James Tracy Arnold,

Los Altos Hills, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 13. Oktober 1960 (62 480)

Quantensysteme entspricht und dadurch ein Maß für das zu messende magnetische Gleichfeld bildet, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß mindestens zwei Absorptionszellen mit je einer denselben zugeordneten Photozellenanordnung vorgesehen sind und daß die von der einen Photozellenanordnung erzeugten Ausgangssignale überkreuzt der anderen Absorptionszelle im Sinne einer Rückkopplung zugeführt werden.

Gegenüber den bisher bekannten, nur mit einer Absorptionszelle und einer derselben zugeordneten Photozellenanordnung arbeitenden Magnetometeranordnung weist die Erfindung die nachfolgenden Vorteile auf:

1. Die Phasenverschiebung zwischen dem Rückkopplungssignal, welches der Absorptionszelle zugeführt wird, und der Intensitätsmodulation des Lichtes, die zur Aufrechterhaltung der Intensitätsmodulationsschwingungen führt, ist abhängig von der relativen Lage des gleichsinnig gerichteten, zu messenden magnetischen Feldes zu der Richtung des zirkulär polarisierten Lichtstrahles. Im günstigsten Fall, in welchem der zu dem messenden Feld senkrechte resonanzfrequente magnetische Feldvektor die gleiche Richtung wie der Lichtstrahl hat, ergibt sich eine Phasenverschiebung von +90° bei einer bestimmten Richtung des Lichtstrahles und eine Phasenverschiebung von —90° bei der entgegengesetzten Richtung des Lichtstrahles. Dieser Effekt wird

»Halbkugel-Efiekt« genannt und äußert sich störend auf die Schwingungserzeugung, ζ. B. bei auf Flugzeugen angeordneten Geräten.

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2. Die Resonanzlinie, welche die optische Absorp- linse 10 bewirkt eine Fokussierung auf eine Ph'ototion in Abhängigkeit von der Frequenz des magneti- zelle 11, die aus einer Vielzahl Silicium-PhotozeÜen sehen Wechselfeldes darstellt, das auf die Absorp- besteht, die nach Art von Dachschindeln miteinander tionszelle zur Einwirkung gebracht wird, ist tatsäch- verlötet sind, wie dies in der vorgenannten Patentlich in mehrere dicht beieinanderliegende Linien auf- 5 anmeldung von K. A. Ruddock beschrieben ist.
gespalten, was sich durch geringe Frequenzunter- Die Absorptionszellen 1 und 2 enthalten. Rubischiede der frequenzmäßigen Trennung der verschie- diumdampf, der vorzugsweise in bezug auf. Isotopen denen magnetischen Unterniveaus ergibt. Da der An- angereichert ist und entweder im wesentlichen aus teil der verschiedenen Linien nicht gleich ist, ist die Rubidium 85 oder Rubidium 87 besteht und ein Pufgesamte Absorptionslinie unsymmetrisch, wobei die io fergas wie Neon enthält, zu dem Zweck, von Zusam-Form abhängig ist von der Richtung des Lichtstrah- menstößen mit der Wandung abzulenken und dales in bezug auf das gleichsinnig gerichtete Magnet- durch hohe Relaxionszeiten und dementsprechend feld. Wenn daher das Meßgerät gedreht wird, wird schmale Linienbreiten zwecks Erzielung einer hohen ein von der Flugrichtung abhängiger Fehler einge- Empfindlichkeit sicherzustellen. Im Fall von Rubiführt, der auf Frequenzschwankungen zurückgeht, i₅ dium 85 wird das polarisierte und ausgefilterte Licht bei denen sich die Schwingungsbedingung einstellt. mit einer Präzessionsgeschwindigkeit von 4,66 Hz

3. Wenn ein einziger Lichtstrahl dazu verwendet pro Gamma moduliert und im Fall von Rubidium 87 wird, sowohl die Ausrichtung der Quantensysteme mit einer Präzessionsfrequenz von 7 Hz pro Gamma, im Wege des optischen Pumpens zu bewirken als Da das durchschnittliche erdmagnetische Feld auch die .Schwankungen der Ausrichtung zur Anzeige 20 0,5 Gauß beträgt, ist die Präzessionsfrequenz von zu bringen, so ergeben sich in der Signalamplitude Rubidium 85 233 kHz. Diese Intensitätsmodulation polare und äquatoriale Totzonen in Abhängigkeit wird durch die Photozellen 11 in ein elektrisches von der Orientierung in bezug auf das gleichsinnig Wechselstromsignal derselben Frequenz umgewangerichtete Feld. Dies ergibt sich dadurch, daß der delt, welches in den Verstärkern 12 verstärkt wird, Lichtstrahl eine Komponente haben muß, die in 25 und in Kreuzkupplung den Absorptionszellen über Richtung des gleichsinnig gerichteten Feldes liegt, die gegensinnig gewickelten koaxialen Spulen 1' damit ein Pumpvorgang stattfindet, und ferner eine und 2' in Form eines magnetischen Wechselfeldes, Komponente rechtwinklig zum Feld haben muß, um welches erzwungene Präzessionen in den Rubidiumais Anzeigestrahl zu dienen. atomen aufrechterhält, zugeführt wird. Das Rück-

•Die vorstehend erörterten Merkmale und weitere 30 kopplungssignal hat eine Frequenz, welches propor-

Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus tional der Intensität des gleichsinnig gerichteten zu

der nachfolgenden Beschreibung 'im Zusammenhang messenden Magnetfeldes ist, und das Signal wird in

mit den Figuren. Es zeigt einer Mischstufe 13 mit einem Signal gemischt, wel-

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemä- ches ein kristallgesteuerter Oszillator 14 mit einer

ßen Magnetometer-Oszillatoranordming mit über- 35 Frequenz liefert, die als Bezugsfrequenz geeignet ist

kreuzt versetzter Kopplung, und eine Differenzfrequenz bildet, die an einer An-

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung der Ab- Zeigevorrichtung 15 wahrnehmbar gemacht wird, bei-

sorptionszelle einer mehrere Oszillatoren aufweisen- spielsweise in einem mit einem graphischen Regi-

den Magnetometeranordnung gemäß der Erfindung, striergerät gekoppelten Analog-Ausgangsfrequenz-

F ig. 3 eine schematische Darstellung der in Fig. 2 40 Meßgerät angezeigt wird.

wiedergegebenen Absorptionszelle. Andere Verfahren zur Messung der Rückkoppln Fig. 1 erzeugt eine Lichtquelle nach entgegen- lungsfrequenz als Meßgröße für das unbekannte zu gesetzten Richtungen gerichtete Strahlungen durch messende Magnetfeld können auch Anwendung die Absorptionszellen 1 und 2, wobei die Strahlung finden.

eine spektrale Strahlung hoher Reinheit ist und ge- 45 Um die Bedingung zur Aufrechterhaltung von ringe Störungen bedingt und zweckmäßigerweise Schwingungen zu erfüllen, muß die gesamte Phasendurch eine elektrodenlose Entladungslampe erzeugt differenz über die Gaszellen 1 und 2, die Photozellen wird. Die Entladungslampe besteht aus einem kleinen 11 und die Verstärker 12 Null sein. Da der Licht-Entladungsgefäß 3, welches natürlichen Rubidium- strahl und das magnetische Wechselfeld koaxial zur dampf enthält, der, zu dem Zweck des besseren 50 Achse i des Meßgerätes liegen und die Spulen 1' Zündens, mit Kryptongas vermischt ist; eine äußere und 2' im Gegensinn gewickelt sind, ergibt sich eine Hochfrequenzspule 4 ist eng mit der Entladungs- Phasenverschiebung von 90° in jeder Absorptionslampe gekoppelt, wobei die Spule 4 von einem Gene- zelle, wodurch die gesamte Phasenverschiebung der rator 5 erregt wird. Die Spule 4 ist zweckmäßiger- Absorptionszellen sich zu 180° ergibt. Für die Feiweise an den Generator 5 über eine lange Koaxial- 55 der, die größer als 10 000 Gamma sind, ist die Parleitung 6 angeschlossen, damit möglichst wenig ma- allelkapazität des äquivalenten Photozellenkreises hingnetische Störungen durch die Bauteile der Genera- reichend zur Erzeugung einer Phasenverschiebung toranordnung hervorgerufen werden. Jeder Licht- von 90° an jeder Photozelle, so das der Gesamtphotostrahl durchsetzt nacheinander ein Interferenzfil- zellenbeitrag zur Phasenverschiebung 180° beträgt, ter 7, welches die D₂-LkUe von 7800 Ä unterdrückt, 60 Es können die Verstärker leicht so gebaut werden, während die P₁-LnUe 7948 Ä durchgelassen wird, zu daß sich eine Phasenverschiebung Null ergibt, so daß dem Zweck, daß der optische Pumpvorgang begun- man Schwingungen innerhalb eines weiten dynamistigt wird; eine aus Kunststoff bestehende Fresnel- sehen Bereiches erhält.

Kollimatorlinse 8 leitet die Strahlung durch eine zir- Wenn das Gerät gedreht wird, so daß die Phase

kular polarisierende Platte 9, zu dem Zweck, unter- 65 des Wechselstromfeldes in bezug auf das gleichge-

schiedliche Absorption in den verschiedenen Unter- richtete Feld umgekehrt wird, so wird die Phasenver-

niveaus hervorzurufen. Die Absorptionsgefäße sind Schiebung über jede der Absorptionszellen 1 und 2

mit 1 und 2 bezeichnet, und eine weitere Kollimator- umgekehrt, beispielsweise von +90 auf —90°. Die

Gesamtphasenverschiebung, die durch die Absorptionszellen bedingt ist, bleibt jedoch 180°.

Auf diese Weise wird die Bedingung zur Aufrechterhaltung von Schwingungen gewahrt, und es werden die zuvor erwähnten Halbkugeleffekte vermieden. Bei niedrigen Magnetfeldern, bei denen die Phasenverschiebung einer jeden Photozelle von 90° abweicht, können Netzwerke zur Kompensation der Phasenverschiebung eingeschaltet werden, so daß der kompensierte Gesamtbeitrag der Photozellen zur Phasenverschiebung entweder Null oder 180° ist. In dem Fall, in welchem die Gesamt-Photozellenphasenverschiebung Null ist, wird die Anschlußrichtung der Spule an der einen der Absorsptionszellen umgekehrt, so daß die Phasenverschiebung durch diese eine Zelle +90° ist und die Phasenverschiebung durch die andere Zelle —90°; auf diese Weise ergibt sich eine Gesamtphasenverschiebung der Absorptionszellen von wiederum 0°. Es ist ferner möglich, die Lampe 3 durch'zwei getrennte Lampen zu ersetzen, welche parallele Lichtstrahlen, entweder in der gleichen Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen ausstrahlen. In all diesen Fällen wird der Raumhälfteneffekt eliminiert, da die Gesamtphasenverschiebung durch die beiden Absorptionszellen die gleiche ist, gleichgültig welche Richtung das Meßinstrument in bezug auf das gleichsinnig gerichtete, zu messende Magnetfeld hat. Wenn ein kleiner Feldgradient zwischen den Stellen, an welchen sich die Zellen 1 und 2 befinden, besteht, so weicht die Phasenverschiebung der Absorptionsstellen gegenüber 90° entsprechend der Größe des Gradienten ab.

In F i g. 1 sind die nach den beiden entgegengesetzten Richtungen verlaufenden Lichtstrahlen entweder beide im Rechtssinn zirkulär polarisiert oder beide im Linkssinn zirkulär polarisiert, so daß die Lichtstrahlen entgegengesetzten Sinn der Zirkularpolarisation in bezug auf das gleichsinnig gerichtete, zu messende magnetische Feld haben, und dementsprechend ergeben sich umgekehrte Verteilungen der Unterniveau-Absorption. Die optische Resonanzlinie der einen Zelle ist daher das Spiegelbild der Absorptionslinie der anderen Zelle, so daß, selbst wenn die voneinander getrennten Linien unsymmetrisch sind, die zusammengesetzte Absorptionslinie im wesentlichen symmetrisch ist und dadurch der zuvor erörterte richtungsbedingte Fehler, welcher beim Drehen des Instrumentes sich in einer Frequenzverschiebung der Schwingungen äußert, vermindert wird. Wenn zwei Lichtstrahlen in derselben Richtung geleitet werden, wird verschiedener Sinn der zirkulären Polarisation verwendet, um den genannten, durch die verschiedene Orientierung bedingten Fehler zu vermeiden, indem der eine Lichtstrahl rechts zirkulär polarisiert ist und der andere Lichtstrahl links polarisiert ist. Es ist ferner zu beachten, daß bei der Verwendung von zwei Lichtstrahlen, die von einer oder von getrennten Lampen herrühren können und entgegengesetzten Sinn der Zirkularpolarisation in bezug auf das gleichsinnig gerichtete Magnetfeld haben, sich auch durch Orientierungsunterschiede bedingte Fehler verringern lassen, wenn eine einzige Absorptionszelle, die getrennte Kammern für jeden Lichtstrahl bildet, benutzt wird.

Die nur eine Magnetometer-Oszillator-Vorrichtung umfassende Anordnung gemäß F i g. 1 liefert hinsichtlich des Ausgangssignals Totzonen, wenn das Meßinstrument ungefähr ±5° parallel oder senkrecht zu dem gleichsinnig gerichteten Magnetfeld eingestellt wird. Wenn ein Gerät gewünscht wird, welches keinerlei Beschränkungen in bezug auf Orientierungen unterliegt, so kann eine Meßvorrichtung, die aus mehreren Magnetometer-Oszillator-Vorrichtungen besteht und die Anordnung der Absorptionszellen gemäß Fig. 2 aufweist, benutzt werden. Die optischen Achsen der drei Absorptionszellenpaare la und la, Ib und 2b, ic und 2c sind unter schiefen Winkeln & von beispielsweise 45° in bezug aufeinander angeordnet, so daß, wenn ein Zellenpaar in eine Totzone kommt, mindestens das eine der beiden anderen Paare weit aus der Totzone entfernt ist. Ein einfaches Instrument, welches nur zwei der dargestellten drei Paare von Absorptionszellen umfaßt, würde nur eine kleine Totzone senkrecht zu der Ebene aufweisen, die durch die beiden optischen Magnetometerachsen bestimmt ist.
Eine schematische Darstellung einer mehrere Oszillatorsysteme umfassenden Magnetometeranordnung entsprechend F i g. 2 ist in F i g. 3 dargestellt. Die Ausgangssignale der zweiten Absorptionszellen la, 2b oder 2c eines jeden Schwingungserzeugers werden über entsprechende obere Photozellen 11 an einen Ausgangsverstärker 12' angeschaltet, welcher allen drei Schwingungsschleifen gemeinsam ist. Die Anteile der Photozellen 11 der verschiedenen Oszillatoren sind alle gleichphasig, ungeachtet der Orientierung, und auf diese Weise findet eine gegenseitige Verstärkung in dem gemeinsamen Verstärker 12' statt, der ein kontinuierliches, von der Orientierung unabhängiges Ausgangssignal liefert.

Es ist zu beachten, daß zwei im Abstand voneinander angeordnete Magnetometer gemäß der Erfindung mit ihren Ausgangssignalen so kombiniert werden können, daß der Gradient des Magnetfeldes zwischen den Aufstellungspunkten der beiden Magnetometer gemessen wird. Es könnte auch ein zweiter Magnetometeroszillator an Stelle des kristallgesteuerten Oszillators 14 in F i g. 1 Anwendung finden, in welchem Fall die an dem Meßinstrument 15 angezeigte Differenzfrequenz den Gradienten zwischen den beiden getrennten Magnetometern anzeigt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Optisches Magnetometer, bei dem in einer Absorptionszelle enthaltene Quantensysteme in dem zu messenden magnetischen Gleichfeld gyromagnetische Präzessionen ausführen und bei dem optische Strahlungsmittel durch die Absorptionszelle eine zirkulär polarisierte Strahlung leiten, deren Komponenten schwankenden Absorptionen durch die magnetischen Unterniveaus der Quantensysteme unterliegen, unter Anwendung eines auf die Absorptionszelle einwirkenden magnetischen Wechselfeldes und einer Fotozellenanordnung, die auf die Intensität der die Absorptionszelle durchsetzenden optischen Strahlung anspricht und ein Wechselstromausgangssignal liefert, welches das auf die Absorptionszelle einwirkende magnetische Wechselfeld im Wege der Rückkopplung erzeugt, wobei die Frequenz des erzeugten Wechselstromsignals der Präzessionsfrequenz der Quantensysteme entspricht und dadurch ein Maß für das zu messende magnetische Gleichfeld bildet, dadurch gekennzeich-

sue t, daß mindestens zwei Absorptionszellen mit je einer denselben zugeordneten Pholozellenanlordnungen vorgesehen ;sind und daß die von tier einen Photozellenanordnung erzeugten Äusgangssignale über Kreuz der anderen Absorptionszelle im Sinne einer Rückkopplung zugeführt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Absorptionszellen geleiteten optischen Strahlungen gegensinnig zirkulär polarisiert sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Absorptionszellen ein gemeinsamer, das für die Stärke >des zu messenden Magnetfeldes charakteristische Ausgangssignal liefernder Verstärker zugeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungswinkel der Achsen der die Meßanordnung bildenden Ma-

IO

gnetometeranordnungen um ungefähr 45° gegeneinander geneigt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Lichtquelle eine Alkalidampflampe verwendet ist, deren Füllung ein Puffergas beigemischt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Filtermittel zum Unterdrücken der D-Spektrallinie im Strahlengang der das optische Pumpen bewirkenden Strahlung vorgesehen sind.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch .gekennzeichnet, daß die Absorptionszellen 'Rubidiumdampf enthalten.

8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Absorptionszellen durchsetzende Strahlung auf Siliciumsolar-Fotozellen von Mosaikbauart fällt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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