DE69101183T2 - Optisch gepumpter Resonanzmagnetometer mit optischem Strahl mit gesteuerter Polarisation. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetometer. Sie findet in der präzisen Messung schwacher magnetischer Felder (typischerweise im Bereich von 20 bis 70 uT entsprechend den Werten des Erdmagnetfeldes) Anwendung.
• Das Magnetometer der Erfindung tritt in die Kategorie der sogenannten Resonanzmagnetometer ein, deren allgemeine Beschreibung man in dem Artikel von F. HARTMAN mit dem Titel "Resonance Magnetometers", veröffentlicht in der Zeitschrift "IEEE Transaction on Magnetics", Vol. MAG-8, Nr. 1, März 1972, S. 66-75 finden kann.
• Ein Resonanzmagnetometer ist ein Apparat, der, wenn er in ein Magnetfeld Bo eingetaucht ist, ein elektrisches Signal der Frequenz F liefert, dessen Wert mit Bo durch die sogenannte LARMOR- Beziehung verbunden ist:
• F = γBo
• wobei γ ein gyromagnetisches Verhältnis ist (von einem Elektron oder einem Nukleon entsprechend der verwendeten Substanz). Fur das Elektron ist dieses Verhältnis zum Beispiel gleich 28Hz/nT.
• In dieser Klasse von Apparaten belegt das optisch gepumpte Magnetometer einen vorrangigen Platz. Die allgemeine Zusammensetzung eines optisch gepumpten Magnetometers mit magnetischer Resonanz ist schematisch in Figur 1 dargestellt.
• Eine Zelle 10, die mindestens teilweise durchlässig ist, ist mit einem Gas 12, im Allgemeinen Helium, bei einem Druck von 1 bis einigen Torr, gefüllt. Eine Lichtquelle 14 liefert einen Lichtstrahl 18, dessen Wellenlänge sich im Fall von Helium um 1,1um befindet. Dieser Strahl wird durch ein Gerät 16 in geeigneter Weise polarisiert und dann in die Zelle 10 eingeführt.
• Andererseits wird in dem Gas eine Hochfrequenzentladung (genannt "schwach" oder "weich") durch einen Generator 30 erzeugt, der mit zwei Elektroden 32, 33 verbunden ist, welche um die Zelle 10 angeordnet sind. Diese Entladung erzeugt Atome in einem metastabilen Zustand (2³S&sub1; im Fall von Helium). Der einfallende Lichtstrahl 18 "pumpt" diese Atome ausgehend von dem metastabilen Zustand, um sie in einen anderen angeregten Zustand (2³P) zu überführen.
• In Anwesenheit eines Magnetfeldes Bo teilen sich die Energieniveaus in nach ZEEMAN benannte Unterniveaus. Eine Resonanz zwischen solchen Unterniveaus kann durch ein Hochfrequenzfeld (magnetische Resonanz) oder durch eine Modulation des Lichts (doppelte optische Resonanz; COHEN, TANNOUDJI, Ann. Phys., 7, 1962, S. 423) errichtet werden. Im Fall von Helium, Isotop 4, stellt sich die Resonanz zwischen zwei elektronischen ZEEMAN-Unterniveaus mit metastabilem Zustand ein. Diese Resonanz wird durch verschiedene, den Fachkräften bekannte, elektronische Geräte sichtbar gemacht, von denen eine Variante in Figur 1 dargestellt ist. Es handelt sich um eine Wicklung 20, die an beiden Seiten der Zelle 10 (in einer nach HELMHOLTZ benannten Anordnung) angebracht ist, einem Hochfrequenzgenerator 22 und einem Photodetektor 24, der die Lichtstrahlung empfängt, welche die Zelle durchlaufen hat, einem Verstärker 25, einer Synchrondetektion 21 und einem Integriergerät 23. Die Einheit der Geräte 21 bis 26 wird allgemein in der Folge durch die Bezeichnung CC bezeichnet. Der Generator 22 versorgt die Wicklung 20 mit Strom der Frequenz F, was ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt, wovon ein Bestandteil die Resonanz aufrechterhält und den zurückkehrenden Lichtstrahl, der die Zelle durchlaufen hat, moduliert. Diese Modulation bildet das Signal. Sie wird durch die synchrone Detektion am Ausgang des Photodetektors über den Verstärker sichtbar gemacht. Der Bezug wird durch den Generator gegeben. Der Ausgang der synchronen Detektion entspricht dem Bestandteil des Signals, der in Phase ist mit dem als Bezug dienenden statischen Fehlersignal. Dieses Fehlersignal stellt die Frequenz F des Synthesators bei der LARMOR-Frequenz nach. Dazu ist nötig, daß der Synthesator in der Spannung steuerbar ist; er kann ebenso durch einen, durch die Spannung steuerbaren Oszillator (V. C. O.) ersetzt werden.
• Ein elektrisches Resonanzsignal errichtet sich also in diesem Ring bei der LARMOR-Frequenz. Ein Frequenzmesser 26 gibt davon den Wert F. Das zu messende Feld Bo leitet sich aus der Beziehung Bo = F/γ ab.
• Die Helium-Magnetometer dieses Typs haben zuerst Heliumlampen verwendet. Das Erhalten von leuchtenden Kristallen aus Lanthan-Neodym (oder LNA) kürzlich hat es ermöglicht, Laser zu entwickeln, die auf die Wellenlänge um 1,083um abstimmbar sind, genau der Linie des optischen Pumpens von Helium entsprechend, dieser Lasertyp setzt sich natürlich aus diesen Lampen zusammen mit einer erheblichen Leistungsverbesserung, was einen erneuten Nutzen dieser Apparate gebracht hat.
• Ein solches Magnetometer, das mit einem LNA-Laser ausgestattet ist, wird in dem Dokument FR-A-2 598 518 (oder EP.A. 246 146) beschrieben.
• Obwohl sie in bestimmten Beziehungen zufriedenstellend sind, weisen diese Magnetometer doch Nachteile auf. Allerdings sind sie prinzipiell stark anisotrop, und dies gleichzeitig in der Amplitude und in der Frequenz. Signalauslöschungen erzeugen sich durch gewisse Ausrichtungen des zu messenden Magnetfeldes. Diese ungünstigen Ausrichtungen entsprechen sowohl bestimmten Ausbreitungsrichtungen des Lichtstrahls (im Fall einer drehenden Polarisation) als auch bestimmten Polarisationsrichtungen (im Fall einer geradlinigen Polarisation). Das optische Pumpen erzeugt also nicht mehr die erforderliche Polarisation der ZEEMAN-Unterniveaus der Atomen, oder die Detektion der Resonanz offenbart sich als wirkungslos.
• Verschiedene Lösungen sind vorgeschlagen worden, um diese Nachteile zu beheben. Die amerikanische Gesellschaft Texas Instruments zum Beispiel preist die Verwendung mehrerer Zellen, die so ausgerichtet sind, daß mindestens eine ein auswertbares Signal liefert. Die kanadische Gesellschaft Canadian Aviation Electronics preist mehr, das Magnetometer in geeigneter Weise bezüglich dem zu messenden Feld auszurichten.
• Die Zonen der Signalauslöschung sind für einen geradlinig polarisierten Strahl weiter ausgedehnt als für einen drehend polarisierten Strahl, man zieht im Allgemeinen vor, mit einem drehend polarisierten Strahl zu arbeiten. Doch mit diesem Polarisationstyp stellt sich ein Phänomen der Frequenzverschiebung ein, aufgrund des optischen Pumpens, welches Meßfehler hervorruft.
• Das Magnetometer der Erfindung verwendet also eine geradlinige Polarisation, um diesen Fehler zu vermeiden. Aber die mit dieser Polarisation verbundenen Nachteile bleiben übrig und die vorgeschlagenen Lösungen, welche darauf zurücklaufen, die Anzahl der Apparate zu vervielfachen, bleiben wenig zufriedenstellend: äußere Umhüllung, die Notwendigkeit, die verschiedenen Meßstrecken ins Gleichgewicht zu bringen, Steuerung der Zellenausrichtung, erhöhter elektrischer Verbrauch, etc. ... Andererseits muß die ganze Einrichtung in einer nichtmagnetischen Umgebung ausgeführt werden, was fürchterliche technologische Probleme stellt.
• Die vorliegende Erfindung bezweckt genau diese Nachteile zu beheben. Zu diesem Zweck schlägt sie ein optisch gepumptes Resonanzmagnetometer vor, dessen Isotropie hervorragend ist, während es in der Konstruktion einfach ist und wenig Platz beansprucht (es besteht nur aus einer einzigen Zelle).
• Dieser Zweck wird durch die Erfindung aufgrund der Verwendung von Geräten erreicht, dies es ermöglichen, die geradlinige Polarisationsrichtung den in die Zelle eingestrahlten Strahls drehen zu lassen, um ihm die optimale Richtung zu geben, die dem Resonanzsignal bei maximaler Amplitude entspricht.
• Mehrere Geräte können verwendet werden, um diese optimale Richtung zu bestimmen und zu erhalten. In einer ersten Variante umfaßt das Magnetometer ein richtungsabhängiges Magnetometer (wie zum Beispiel eine Einheit von drei "flux-gates" oder ein RPE-Magnetometer (Elektronenparamagnetische Resonanz)), welches Informationen in Richtung des zu messenden Umgebungsfeldes Bo gibt. Eine Schaltung zur Verarbeitung dieser Informationen berechnet die optimale Ausrichtung der Polarisation entsprechend dieser Richtung des Umgebungsfeldes und steuert folglich die Drehung der Polarisation.
• In einer zweiten Variante umfaßt das Magnetometer Geräte um bei niedrigen Frequenzen die Richtung der Polarisation zu modulieren und um eine synchrone Detektion des Resonanzsignals auszuführen. Das detektierte Signal dient als Fehlersignal, um die Polarisation zu korrigieren und ihr die optimale Richtung zu geben.
• In einer dritten Variante, die nur eine Magnetresonanzmagnetometer betrifft, verwendet man einen Trick, der darin besteht, mehrere Erregerwicklungen verschiedener Achsen um die Zelle anzuordnen, was es ermöglicht, mehrere Detektionssignale zu erhalten und folglich Informationen über die Ausrichtung des Umgebungsfeldes bezüglich den Achsen der Wicklungen zu sammeln. Es ist also auch möglich die Polarisation auszurichten um ihr die optimale Richtung zu geben.
• Alle diese Vorrichtungen beziehen sich auf optisch gepumpte Resonanzmagnetometer, egal was ihr gepumptes Milieu ist. Natürlich spielt beim momentanen Stand der Technik Helium eine bevorzugte Rolle. Aber andere bekannte oder noch bekannt werdende Gase oder Flüssigkeiten sind aus dem Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen, wie die basischen Metalldämpfe (Cäsium, Rubidium, etc. ...). Die Resonanz kann magnetisch (Anregung durch ein HF-Feld) oder optisch (Modulation des Lichts, optische Multiresonanz) sein.
• Wenn der LNA-Laser eine bevorzugte Rolle beim Pumpen der Heliumzellen spielt, beschränkt sich die Erfindung ebenso nicht auf diese Quelle und alle Magnetometer, die irgendeine Lichtquelle verwenden, sind ein Teil der Erfindung, wenn es mit einem Strahl mit geregelter Polarisation arbeitet.
• Auf alle Fälle treten die Kennzeichen und Vorteile der Erfindung mehr im Licht der folgenden Beschreibung hervor. Diese Beschreibung beruht auf Anwendungsbeispielen, die zur Erklärung und nicht zur Beschränkung gegeben werden. Sie bezieht sich andererseits auf die angefügten Zeichnungen, auf denen:
• - die schon beschriebene Figur 1 ein Magnetometer gemäß der herkömmlichen Art zeigt;
• - Figur 2 ein allgemeines Schema eines Magnetometers gemäß der Erfindung zeigt;
• - Figur 3 eine Ausführungsweise zeigt, welche ein richtungsabhängiges Magnetometer verwendet;
• - Figur 4 eine Ausführungsweise der Regelungstechnik mit Modulation und synchroner Detektion zeigt;
• - Figur 5 das Prinzip dieser Regelungstechnik abbildet;
• - Figur 6 eine Variante mit mehrfachen Wicklungen zeigt.
• Das in Figur 2 dargestellte Magnetometer umfaßt vor allem schon in Figur 1 dargestellte Geräte, welche aus diesem Grund mit denselben Nummern bezeichnet sind. Es handelt sich um die mit Helium gefüllte Zelle 10, den Laser 14, den geradlinigen Polarisator 16, die Wicklung 20, Geräte CC (welche die Erregerschaltung der Resonanz 22, das Detektionsgerät 24, den Frequenzmesser 26, den Verstärker 25, die synchrone Detektion 21 und den Integrator 23 umfassen) und den Entladungsgenerator 30. Gemäß der Erfindung kann der Polarisator 16 in der Richtung bewegt werden. In der abgebildeten Variante ruht dieser Polarisator auf einer ausrichtbaren Stütze 40, die in der Drehung von einem Motor 42 gesteuert wird. Geräte 44 sind für die Steuerung des Motors vorgesehen.
• Verschiedene Varianten sind vorgesehen, um diese Geräte 44 auszuführen. In der in Figur 3 abgebildeten Variante umfassen diese Geräte ein richtungsabhängiges Magnetometer 46, welches Informationen über die Richtung des Umgebungsfeldes Bo bezüglich der drei Achsen Ox, Oy, Oz gibt. Eine Schaltung 48 verarbeitet diese Informationen und berechnet die optimale Ausrichtung der Polarisationsrichtung, was dieser Richtung des Umgebungsfeldes entspricht. Sie steuert die Drehung des Motors 42, um dem Polarisator diese optimale Richtung zu geben.
• In der in Figur 4 abgebildeten Variante umfassen die Steuergeräte 44 des Motors 42:
• - einen Generator 50, welcher an dem Motor eine Tieffrequenzsignal f liefert, wobei dieses Signal es bewirkt, den Winkel der Ausrichtung des Polarisators 16 zu verändern,
• - eine Schaltung zur synchronen Detektion 52, welche das Resonanzsignal empfängt, dessen Amplitude mit der Frequenz f moduliert ist und eine Referenzsignal derselben Frequenz f, das von dem Generator 50 geliefert wird.
• Die Schaltung zur synchronen Detektion 52 liefert ein Signal e, welches ein Fehlersignal darstellt, wobei dieses Fehlersignal auf den Motor 42 so angewendet wird, daß die Drehung des Motors dazu führt, das Fehlersignal auszulöschen.
• Figur 5 bildet den Betrieb dieser Regelungskette ab. Die Veränderung des Winkels Θ der Polarisation zieht eine Modulation der Amplitude des Resonanzsignals S nach sich. Das Verhältnis ΔS/ΔΘ (in der Größe und in der Bedeutung) zwischen der Amplitude ΔS der Modulation des Signals S und der Amplitude ΔΘ der Winkelmodulation ermöglicht es, den Betriebspunkt des Magnetometers bezüglich der optimalen Ausrichtung Θopt der Polarisationsrichtung festzulegen. Dieses Verhältnis ist Null, wenn die Ausrichtung optimal ist, negativ auf der einen Seite, positiv auf der anderen. Dieses Verhältnis, oder jede andere äquivalente Größe, kann also als Fehlersignal genommen werden. Es muß auf den Motor so angewendet werden, daß die Drehung des Motors, die folgt, das Fehlersignal auslöscht.
• In einer anderen Variante, die in Figur 6 abgebildet ist, verwendet man eine - zu einem anderen Zweck verwendete - Vorrichtung, die in der französischen Patentanmeldung beschrieben ist, die gleichzeitig von dem vorliegenden Antragsteller für "Magnetische Resonanzmagnetometer mit mehrfachen Erregerwicklungen" gestellt wurde. Diese Vorrichtung besteht darin, die Zelle 10 mit drei Erregerwicklungen 20x, 20y, 20z auszustatten, die um die Zelle 10 mit zueinander nicht parallelen Achsen (zum Beispiel in einem Achsenkreuz mit drei rechten Winkeln) angeordnet sind, wobei diese Wicklungen nacheinander durch einen Multiplexer 50 eingesetzt werden. Die Frequenz des Resonanzsignals nimmt dann nacheinander drei Werte Ax, Ay, Az an. Der Multiplexer umfaßt einen Generator 52 und einen Umschalter 54 mit 3 Unterbrechern, die mit den drei Wicklungen verbunden sind.
• Die Verwendung mehrerer multiplexierter Wicklungen ermöglicht es, mehrere Resonanzsignale zu erhalten, deren entsprechende Frequenzen von den entsprechenden Ausrichtungen des Umgebungsfelds bezüglich den Achsen der Wicklungen abhängen. Die Kenntnis dieser Frequenzen ermöglicht es die Ausrichtung des Feldes zu bestimmen. Zu diesem Zweck kann man den Artikel von COHEN-TANNOUDJI nachschlagen, der in den Annalen der Physik 7, 1962, S. 423-429 veröffentlicht ist und der die Amplitude des Signals in Abhängigkeit von den entsprechenden Winkeln zwischen der Polarisation und dem Feld angibt. Die optimale Richtung der Polarisation läßt sich daraus ableiten. Dies ist die Aufgabe der Schaltung zur Berechnung 56, die schließlich das passende Steuersignal an den Motor 42 liefert.
• In allen diesen Varianten kann der Lichtstrahl zwischen der Quelle 14 und der Zelle 10 einerseits und zwischen der Zelle 10 und dem Photorezeptor 24 andererseits von einer optischen Faser FO geführt werden.

Claims (9)

1. Optisch gepumpter Resonanzmagnetometer, der eine Zelle (10), die mit einem Gas (12) gefüllt ist, dessen Atome ein gyromagnetisches Verhältnis γ aufweisen, eine Lichtquelle (14), welche einen Lichtstrahl (18) aussendet, einen geradlinigen Polarisator (16), der von dem Strahl durchlaufen wird, wobei der Strahl, wenn er den Polarisator (16) durchlaufen hat, in die Zelle (10) eingeführt wird und dazu fähig ist, dort optisch das Gas zu pumpen, Geräte zur Abnahme und zur Detektion (20 bis 25) eines elektrischen Resonanzsignals (S) mit einer LARMOR-Frequenz F=γBo, wobei Bo ein umgebendes Magnetfeld ist, in welches die Zelle (10) eintaucht und welches das zu messende Feld ist, ein Gerät (26) umfaßt, um diese Frequenz zu messen, wobei sich die Frequenz des umgebenden Magnetfeldes sich aus der Frequenz F durch die Beziehung Bo=F/γ ableitet, dieses Magnetometer wird dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem Geräte (40, 42, 44, 46) umfaßt, um die geradlinige Polaristationsrichtung des in die Zelle eingeführten Strahls drehen läßt und ihm die einer maximalen Amplitude des Resonanzsignals (S) entsprechende optimale Richtung gibt.

2. Magnetometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geräte, um die Polarisationsrichtung drehen zu lassen, eine ausrichtbare Stütze (40), auf welcher der Polarisator ruht, einen treibenden Motor (42) auf dieser Stütze, und Geräte (44) zur Steuerung des Motors (42) umfassen.

3. Magnetometer gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geräte zur Steuerung (44) des Motors (42) ein Richtungsmagnetometer (46) umfassen, welches Informationen über die Richtung des umgebenden Feldes Bo gibt, eine Schaltung (48) zur Verarbeitung dieser Informationen, die fähig ist, die optimale Ausrichtung der Polarisationsrichtung entsprechend dieser Richtung des umgebenden Feldes zu berechnen und die Rotation des Motors (42) zu steuern, um dem Polarisator diese optimale Richtung zu geben.

4. Magnetometer gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geräte zur Steuerung (44) des Motors (42):

- einen Generator (50) umfassen, der dem Motor (42) ein Tieffrequenzsignal (f) liefert, was bewirkt, den Orientierungswinkel Θ des Polarisators (16) zu modulieren,

- eine Schaltung zur synchronen Detektion (52) umfassen, die das mit der Frequenz f modulierte Resonanzsignal (S) und ein von dem Tieffrequenzgenerator (44) geliefertes Referenzsignal mit der Frequenz f empfängt, wobei diese Schaltung zur synchronen Detektion (52) ein Signal (e) liefert, welches ein Fehlersignal bildet, wobei dieses Fehlersignal am Motor (42) so angewendet wird, daß die Rotation des Motors danach strebt, das Fehlersignal aufzuheben.

5. Magnetometer gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geräte zur Steuerung (44) des Motors (42):

- mehrere Detektorspulen (20x, 20y, 20z) umfassen, die rund um die Zelle (10) mit verschiedenen Detektionsachsen angeordnet sind, wobei diese Spulen aufeinanderfolgend durch einen Multiplexer (50) eingesetzt werden, und die Frequenz des Resonanzsignals nacheinander ebensoviele Werte (Ax, Ay, Az) einnimmt, wie es Spulen gibt,

- eine Schaltung zur Verarbeitung (56) umfassen, die dazu fähig ist, in Abhängigkeit von verschiedenen Frequenzen (Ax, Ay, Az) des Resonanzsignals die Ausrichtung des umgebenden Feldes Bo zu berechnen, die optimale Ausrichtung der geradlinigen Polarisation entsprechend diesem umgebenden Feld zu bestimmen und am Motor (42) die Steuerspannung anzulegen, die dazu dient, den Polarisator (16) auszurichten, um ihm diesen optimalen Wert zu geben.

6. Magnetometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (12) der Zelle (10) Helium ist.

7. Magnetometer gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem Geräte (30, 32, 33) umfaßt um eine Hochfrequenzentladung in der Heliumzelle (10) zu erzeugen.

8. Magnetometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (14) ein Laser ist.

9. Magnetometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl einerseits zwischen der Quelle (14) und der Zelle (10) und andererseits zwischen der Zelle (10) und einem Photorezeptor (24) durch eine Lichtfaser geleitet wird.