DE1226201B - Optical magnetometer - Google Patents
Optical magnetometerInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY
DEUTSCHESGERMAN
;P ATE-NTAM T; P ATE-NTAM T
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. CL:Int. CL:
GOIrGOIr
Deutsche KL: 21 e -12German KL: 21 e -12
Nummer: 1226 201Number: 1226 201
Aktenzeichen: V 21411IX d/21 eFile number: V 21411IX d / 21 e
Anmeldetag: 5. Oktober 1961Filing date: October 5, 1961
Auslegetag: 6. Oktober 1966Opening day: October 6, 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.Optical magnetometers are known in which quantum systems contained in an absorption cell perform gyromagnetic and optical precessions in the constant magnetic field to be measured Radiation means conduct circularly polarized radiation through the absorption cell, the components of which due to the magnetic sublevels of the quantum systems are subject to fluctuating absorptions. An alternating magnetic field is applied to the absorption cell, and one The photocell arrangement speaks to the intensity of the optical radiation passing through the absorption cell and provides an alternating current output signal, which is the acting on the absorption cell alternating magnetic field generated by feedback and has a frequency that of the precession frequency corresponds to the quantum system and thus a measure of the magnetic to be measured Forms constant field. Such an arrangement is for example in the magazine "Scientific American", October 1960, article "Optical Pumping", described by A. L. Bloom.
Die bekannte Anordnung zur magnetischen Feldstärkenmessung beruht auf einer gyromagnetischen Resonanzabsorption unter Ausnutzung eines durch Rückkopplung zum Selbstschwingen erzeugten optischen Pumpvorganges.The known arrangement for magnetic field strength measurement is based on a gyromagnetic one Resonance absorption using an optical self-oscillation generated by feedback Pumping process.
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. The reason for the occurrence of the high frequency AC component in the output signal of the device consisting of the absorption cell is that the electrons in their precession process during each precession period once particularly strong and once particularly slight respond to the circular polarization of the pump light.
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 MagnetometerAn optical magnetometer, in which the quantum systems contained in an absorption cell in the to measuring magnetic constant field perform gyromagnetic precessions and with the optical radiation means pass a circularly polarized radiation through the absorption cell, its components fluctuating absorptions due to the magnetic sublevels of the quantum systems, under Application of an alternating magnetic field acting on the absorption cell and a photocell arrangement, that on the intensity of the optical radiation penetrating the absorption cell responds and provides an AC output signal which the acting on the absorption cell alternating magnetic field generated by way of feedback, the frequency of the generated AC signal of the precession frequency of the optical magnetometer
Anmelder:Applicant:
Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)
Vertreter:Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)
Representative:
Dr. phil. G. B. Hagen, Patentanwalt,
München-Solln, Franz-Hals-Str. 21Dr. phil. GB Hagen, patent attorney,
Munich-Solln, Franz-Hals-Str. 21
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
James Tracy Arnold,James Tracy Arnold,
Los Altos Hills, Calif. (V. St. A.)Los Altos Hills, Calif. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
V. St. v. Amerika vom 13. Oktober 1960 (62 480)V. St. v. America October 13, 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.Corresponds to quantum systems and thereby forms a measure for the constant magnetic field to be measured, characterizes according to the invention in that at least two absorption cells each with the same associated photocell array are provided and that the generated by the one photocell array Crossed output signals are fed to the other absorption cell in the sense of a feedback will.
Gegenüber den bisher bekannten, nur mit einer Absorptionszelle und einer derselben zugeordneten Photozellenanordnung arbeitenden Magnetometeranordnung weist die Erfindung die nachfolgenden Vorteile auf:Compared to the previously known, only with one absorption cell and one associated with the same Photocell arrangement working magnetometer arrangement, the invention has the following advantages on:
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 wird1. The phase shift between the feedback signal fed to the absorption cell and the intensity modulation of the light, which is used to maintain the intensity modulation oscillations leads, depends on the relative position of the co-directed to be measured magnetic field to the direction of the circularly polarized light beam. In the best case, in which is the resonance-frequency magnetic field vector perpendicular to the measuring field the same direction as the light beam, there is a phase shift of + 90 ° at a certain Direction of the light beam and a phase shift of -90 ° in the opposite Direction of the light beam. This effect will
»Halbkugel-Efiekt« genannt und äußert sich störend auf die Schwingungserzeugung, ζ. B. bei auf Flugzeugen angeordneten Geräten.Called "hemisphere efiect" and expresses itself in a disturbing way on the generation of vibrations, ζ. B. in devices arranged on aircraft.
609 669/175609 669/175
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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 Hz2. The resonance line which the optical absorber lens 10 causes a focus on a ph'otion depending on the frequency of the magnetic cell 11, which consists of a multitude of silicon photocells represents an alternating field that exists on the absorber is actually soldered, as described in several closely spaced lines in the aforementioned patent application by KA Ruddock.
split, which is due to low frequency under- The absorption cells 1 and 2 contain. Rubischiede of the frequency separation of the various vapor, preferably with respect to. Isotopes which result in magnetic sublevels. Since the enrichment is enriched and either is essentially not the same from some of the different lines, the rubidium 85 or rubidium 87 is composed and an entire absorption line is asymmetrical, the io containing fergas such as neon, for the purpose of being dependent on the shape is to be diverted from the direction of the light beam collision with the wall and because of the high relaxation times and the corresponding field in relation to the magnet, which is directed in the same direction. Therefore, when the measuring device is rotated, narrow line widths are used in order to achieve a high sensitivity, which is dependent on the flight direction. In the case of Rubi, which can be traced back to frequency fluctuations, i 5 dium 85 is the polarized and filtered light in which the oscillation condition is established. with a precession speed of 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-3. If a single light beam is used for this modulated per gamma and in the case of Rubidium 87 both the alignment of the quantum systems with a precession frequency of 7 Hz per gamma, by way of optical pumping than Da is the average terrestrial magnetic field the fluctuations in the alignment to the display 20 is 0.5 Gauss, is the precession frequency of bring the signal amplitude Rubidium 85 233 kHz. This intensity modulation polar and equatorial dead zones depending on the photocells 11 in an electrical converted from the orientation with respect to the co-directional alternating current signal of the same frequency Field. This results from the fact that the delt, which is amplified in the amplifiers 12, Light beam must have a component that is in 25 and in cross-coupling over the absorption cells Direction of the field directed in the same direction, the oppositely wound coaxial coils 1 ' so that a pumping process takes place, and furthermore one and 2 'in the form of an alternating magnetic field, Must have component perpendicular to the field around which forced precessions in the Rubidiumais To serve display beam. Atoms maintains, is supplied. The return
•Die vorstehend erörterten Merkmale und weitere 30 kopplungssignal hat eine Frequenz, welches propor-• The features discussed above and another 30 coupling signal has a frequency which is proportional
Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus tional der Intensität des gleichsinnig gerichteten zuAdvantages of the invention result from tional the intensity of the co-directional to
der nachfolgenden Beschreibung 'im Zusammenhang messenden Magnetfeldes ist, und das Signal wird inof the following description 'in the context of the measuring magnetic field, and the signal is shown in
mit den Figuren. Es zeigt einer Mischstufe 13 mit einem Signal gemischt, wel-with the figures. It shows a mixer 13 mixed with a signal that
F i g. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemä- ches ein kristallgesteuerter Oszillator 14 mit einerF i g. 1 shows a block diagram of a crystal-controlled oscillator 14 according to the invention with a
ßen Magnetometer-Oszillatoranordming mit über- 35 Frequenz liefert, die als Bezugsfrequenz geeignet istßen Magnetometer-Oszillatoranordming supplies with more than 35 frequency, which is suitable as a reference frequency
kreuzt versetzter Kopplung, und eine Differenzfrequenz bildet, die an einer An-crosses offset coupling, and forms a difference frequency that is
F i g. 2 eine perspektivische Darstellung der Ab- Zeigevorrichtung 15 wahrnehmbar gemacht wird, bei-F i g. 2 a perspective view of the pointing device 15 is made perceptible, both
sorptionszelle einer mehrere Oszillatoren aufweisen- spielsweise in einem mit einem graphischen Regi-sorption cell one having several oscillators - for example in one with a graphic regi
den Magnetometeranordnung gemäß der Erfindung, striergerät gekoppelten Analog-Ausgangsfrequenz-the magnetometer arrangement according to the invention, strier device coupled analog output frequency
F ig. 3 eine schematische Darstellung der in Fig. 2 40 Meßgerät angezeigt wird.Fig. 3 shows a schematic representation of the measuring device shown in FIG.
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.shown absorption cell. Other methods of measuring feedback 1 generates a light source according to the opposite frequency as a measured variable for the unknown Set directions directed radiation by measuring magnetic field can also apply the absorption cells 1 and 2, where the radiation find.
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.A spectral radiation of high purity is and 45 In order to meet the condition for the maintenance of small disturbances and appropriate vibrations, the entire phase must be generated by an electrodeless discharge lamp difference across the gas cells 1 and 2, which is photocells. The discharge lamp consists of a small 11 and the amplifier 12 will be zero. Since the light discharge vessel 3, which contains the natural rubidium beam and the alternating magnetic field coaxial with the vapor, which, for the purpose of better 50 axis i of the measuring device and the coils 1 'ignition, is mixed with krypton gas; an outer and 2 'are wound in the opposite direction, the result is a high-frequency coil 4 is closely coupled to the discharge phase shift of 90 ° in each absorption lamp, the coil 4 from a gene cell, whereby the entire phase shift of the rator 5 is excited. The coil 4 is more expedient - absorption cells result in 180 °. For the Feiweise to the generator 5 via a long coaxial 55 which are greater than 10,000 gamma, the parallel line 6 is connected, so that as little as possible malel capacitance of the equivalent photocell circuit, negative interference from the components of the generator enough to generate a Phase shift gate arrangement are caused. Each light of 90 ° at each photocell, so that the total photo beam passes through one after the other, an interference felt cell contribution to the phase shift is 180 °, ter 7, which suppresses the D 2 -LkUe of 7800 A, 60 The amplifiers can easily be built in such a way that while the P 1 -LnUe 7948 Å is allowed to pass, so that a phase shift of zero results, so that the purpose of starting the optical pumping process is dynamized oscillations within a wide range; an existing plastic Fresnel see area receives.
Kollimatorlinse 8 leitet die Strahlung durch eine zir- Wenn das Gerät gedreht wird, so daß die PhaseCollimator lens 8 directs the radiation through a zir- When the device is rotated so that the phase
kular polarisierende Platte 9, zu dem Zweck, unter- 65 des Wechselstromfeldes in bezug auf das gleichge-circularly polarizing plate 9, for the purpose of 65 under the alternating current field with respect to the equal
schiedliche Absorption in den verschiedenen Unter- richtete Feld umgekehrt wird, so wird die Phasenver-different absorption in the different taught field is reversed, the phase shift is
niveaus hervorzurufen. Die Absorptionsgefäße sind Schiebung über jede der Absorptionszellen 1 und 2evoke levels. The absorption vessels are sliding over each of the absorption cells 1 and 2
mit 1 und 2 bezeichnet, und eine weitere Kollimator- umgekehrt, beispielsweise von +90 auf —90°. Diedenoted by 1 and 2, and another collimator reversed, for example from +90 to -90 °. the
Gesamtphasenverschiebung, die durch die Absorptionszellen bedingt ist, bleibt jedoch 180°.However, the total phase shift caused by the absorption cells remains 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 this way the condition for maintaining vibrations is preserved, and there will be avoided the previously mentioned hemispherical effects. At low magnetic fields, where the phase shift of each photocell deviates from 90 °, networks can be used to compensate for the phase shift be switched on, so that the compensated total contribution of the photocells to the phase shift is either zero or 180 °. In the case where the total photocell phase shift Is zero, the direction of connection of the coil to one of the absorption cells is reversed, see above that the phase shift through this one cell is + 90 ° and the phase shift through the other Cell -90 °; in this way there is an overall phase shift of the absorption cells of again 0 °. It is also possible to replace the lamp 3 by two separate lamps, which emit parallel rays of light, either in the same direction or in opposite directions. In all of these cases the space-half effect is eliminated as the overall phase shift through the two absorption cells is the same, no matter which direction the measuring instrument is in with respect to the co-directed magnetic field to be measured. If there is a small field gradient between the places where cells 1 and 2 are located, the phase shift gives way of the absorption points compared to 90 ° according to the size of the gradient.
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.In Fig. 1 are the light rays running in the two opposite directions either both circularly polarized in the right sense or both circularly polarized in the left sense, so that the light rays opposite sense of the circular polarization in relation to that which is directed in the same direction and is to be measured have a magnetic field and, accordingly, there are reversed distributions of the sublevel absorption. The optical resonance line of one cell is therefore the mirror image of the absorption line of the other cell, so that even if the separated lines are unsymmetrical, the composite Absorption line is essentially symmetrical and thereby that previously discussed Directional errors, which result in a frequency shift when the instrument is turned Expresses vibrations, is reduced. When two rays of light are directed in the same direction, different sense of circular polarization is used to denote the above, by the different Avoid orientation-related errors by polarizing one light beam circularly to the right and the other light beam is polarized to the left. Please also note that when using two rays of light, which can come from one or from separate lamps, and opposite ones The sense of circular polarization in relation to the magnetic field directed in the same direction also has its way through Orientation differences can reduce errors caused by a single absorption cell, which is separated Forms chambers for each light beam is used.
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.The arrangement according to FIG. 1, comprising only one magnetometer oscillator device. 1 provides dead zones with regard to the output signal if the measuring instrument is set approximately ± 5 ° parallel or perpendicular to the magnetic field directed in the same direction. If an apparatus is desired which is not subject to any restrictions with regard to orientations, a measuring device consisting of a plurality of magnetometer-oscillator devices and having the arrangement of the absorption cells as shown in FIG. 2 can be used. The optical axes of the three absorption cell pairs la and la, Ib and 2b, ic and 2c are arranged at oblique angles & of, for example, 45 ° with respect to one another, so that if a cell pair comes into a dead zone, at least one of the other two pairs is wide is removed from the dead zone. A simple instrument comprising only two of the three pairs of absorption cells shown would have only a small dead zone perpendicular to the plane defined by the two magnetometer optical axes.
A schematic representation of a magnetometer arrangement comprising several oscillator systems according to FIG. 2 is in FIG. 3 shown. The output signals of the second absorption cells 1 a, 2 b or 2 c of each vibration generator are connected via corresponding upper photocells 11 to an output amplifier 12 'which is common to all three vibration loops. The components of the photocells 11 of the various oscillators are all in phase, regardless of the orientation, and in this way a mutual amplification takes place in the common amplifier 12 'which supplies a continuous output signal independent of the orientation.
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.It should be noted that two spaced apart magnetometers according to the invention can be combined with their output signals so that the gradient of the magnetic field between is measured at the installation points of the two magnetometers. It could also be a second magnetometer oscillator in place of the crystal controlled oscillator 14 in FIG. 1 apply in which If the difference frequency displayed on the measuring instrument 15 corresponds to the gradient between the two separate magnetometers.
Claims (8)
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE1289134B (en) * | 1962-02-21 | 1969-02-13 | Varian Associates | Vibration generator controlled by optical quantum transitions |
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- 1961-10-11 ES ES271154A patent/ES271154A1/en not_active Expired
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1289134B (en) * | 1962-02-21 | 1969-02-13 | Varian Associates | Vibration generator controlled by optical quantum transitions |
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| GB964027A (en) | 1964-07-15 |
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| CH419632A (en) | 1966-08-31 |
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