Квантовые магнитометры

Быстродействие измерительного процесса магнитной индукции хорошо реализуется в квантовых магнитометрах, основанных на эффекте Ханле – явлении пересечения зеемановских подуровней в атомных спектрах некоторых металлов при оптической накачке в сверхслабых магнитных полях /21/. Измерение поля производится по частоте переходов между зеемановскими подуровнями спиновой системы. Рабочим веществом этих приборов могут быть пары атомов различных групп периодической системы элементов, однако наиболее эффективно действуют пары щелочных металлов рубидия или цезия. Для поляризации атомов, обладающих магнитными моментами, используется метод оптической накачки.

Внутренняя энергия атомов может принимать только определенные дискретные значения. Совокупность возможных значений этой энергии определяет энергетический спектр атома. Переход атома из одного энергетического состояния, или уровня, Е₁ в другое Е₂ сопровождается поглощением или испусканием кванта электромагнитной энергии, резонансная частота которой определяется соотношением

f = , (3.26)

где - постоянная Планка.

Переходы между энергетическими уровнями являются двухсторонними: атомы, находящиеся на более высоком уровне, стремятся самопроизвольно перейти на более низкий уровень, атомы же, находящиеся на более низком уровне, могут перейти на более высокий уровень, если они облучаются фотонами подходящих энергий. Переходя на верхний энергетический уровень, атомы поглощают из пучка проходящего излучения фотоны, образуя спектр поглощения. При переходе в более низкое энергетическое состояние они испускают фотоны, образуя спектр испускания.

Под действием внешнего магнитного поля некоторые сверхтонкие подуровни расщепляются на ряд магнитных подуровней, получивших название зеемановских. Сортировка атомов на этих подуровнях осуществляется по пространственной ориентации их магнитных моментов, точнее, по величине проекции магнитного момента на направление вектора внешнего магнитного поля. Зависимость энергии зеемановских подуровней и связанной с ними частоты перехода атомов между ними от величины внешнего магнитного поля лежит в основе закона работы квантовых магниточувствительных преобразователей. Измерение магнитного поля с помощью таких преобразователей сводится к измерению частоты резонансного перехода f атомов, стабильность которой гарантируется атомными константами. У атомов щелочных металлов расщепление зеемановских компонент во внешнем магнитном поле происходит по закону

f = А Н_о В Н_о², (3.27)

где f – частота зеемановского перехода, Н_о – значение внешнего магнитного поля, А и В – коэффициенты пропорциональности, определяемые атомными константами рабочего вещества.

1

w₁₃ w₃₁ w₃₂

2

w₁₂ w₂₁ w₁₂

3

Рис.3.17. Схема развития оптической накачки атомов:

w - частота перехода атомов

Чтобы зарегистрировать частоту излучения или поглощения атомов между двумя зеемановскими энергетическими подуровнями, необходимо предварительно обеспечить преимущественную населенность одного из этих подуровней. В квантовых преобразователях преимущественная заселенная ориентация магнитных моментов создается методом оптической ориентации (накачки) атомов, эффективность которого приближается к 100%. Этот принцип получения аномальной заселенности уровней, переходы между которыми приводят к излучению, рассмотрим на схеме, состоящей из трех уровней (рис. 3.17).

В начальный момент облучения частицы парообразного вещества будут переходить из состояния 1 в состояние 3 с поглощением квантов света. Поэтому интенсивность проходящего света должна уменьшиться. Затем после спонтанных переходов с третьего уровня частицы постепенно перейдут в состояние 2 и вещество станет прозрачным для света. Если приложить электромагнитное излучение на частоте перехода 1 - 2, то уровень 1 снова будет заселяться. Это повлечет за собой переходы 1 - 3 с поглощением квантов света. Таким образом, интенсивность прошедшего через рабочее вещество света зависит от количества переходов между первым и вторым уровнями. Эти уровни являются близко расположенными друг к другу, разность их энергий соответствует линии радиочастотного спектра. Накачка атомов производится на одном уровне, а именно, уровне 2. Спектральная линия 2 - 3 обычно отфильтрована, т. е. переходы атомов из состояния 2 в состояние 3 запрещены. Атомы, находящиеся на уровне 1, сразу будут переходить в состояние 3, поглощая энергию световых фотонов. В возбужденном состоянии они находятся чрезвычайно короткое время, после чего переизлучают полученную энергию и равномерно попадают либо на уровень 1, либо во 2 -е состояние. Когда атом попадает на уровень 2, то его нельзя возбудить падающим светом. Если он возвращается в 1, то свет вновь поднимет его в состояние 3 и для атома вновь возникнет некоторая вероятность опуститься в состояние 2. Через определенный интервал времени каждый атом попадет в состояние 2 и процесс ориентации атомов будет завершен.

Фильтрационные свойства линии 2-3 достигаются действием поляризованного по кругу света благодаря наличию у него определенных селективных качеств, связанных с наличием у световых фотонов единичного углового момента.

1 2 4 5 6 7 8 9 10

В_о 11

45^о

Рис. 3.18. Типовая функциональная схема квантового спинового

генератора

Появляется возможность получения метода регистрации переходов в радиодиапазоне (переход 1 - 2) при изменении интенсивности света (переход 1 - 3). Для этих условий переходы атомов с одного из крайних зеемановских подуровней окажутся под запретом, так как их угловой момент уже равен максимально достижимому в возбужденном состоянии. Свет не воздействует на один из крайних зеемановских подуровней (чаще всего это бывает уровень 2), и тем самым создаются условия для создания на нем перенаселенности атомов.

Круговая поляризация света легко реализуется с помощью линейного поляризатора и слюдяной пластины, толщина которой кратна четверти длины волны поляризуемого света. Линейно поляризованный свет, попадая на четвертьволновую пластину разлагается на два гармонических колебания из-за наличия у пластины двух оптических осей, сдвинутых на 90^о. В итоге результирующее поле электромагнитного вектора светового излучения становится вращающимся, т. е. поляризованным по кругу.

Далее свет, производящий накачку, передает энергию своих фотонов атомам рабочего вещества и как бы застревает в ячейке. По мере завершения накачки рабочее вещество будет все меньше и меньше поглощать свет, благодаря чему ячейка становится прозрачнее. При воздействии на ячейку резонансным радиочастотным полем, вызывающим выравнивание населенности магнитных подуровней, прозрачность ячейки снова уменьшится, так как фотоны проходящего света будут расходоваться на поляризацию рабочего вещества. Если на пути светового сигнала установить фоточувствительный приемник, то интенсивность проходящего света можно зарегистрировать в виде электрического сигнала.

На рис. 3.18 приведена типовая функциональная схема спинового генератора цезиевого магнитометра, основанного на описанном способе осуществления обратной связи через световой луч. Оптическая ориентация производится светом цезиевой спектральной лампы 3, возбуждаемой катушками 2 от генератора 1. На пути света к камере поглощения 7 с парами ¹³³Cs находится линза Френеля 4 для создания светового пучка, поляроид 5 для получения линейно поляризованного света, четвертьволновая пластина 6 для преобразования линейно поляризованного света в циркулярно поляризованный. Прошедший через камеру 7 свет фокусируется линзой 8 и попадает на фотодетектор 9. Выделенный фотодетектором сигнал модуляции интенсивности луча попадает в цепь обратной связи, состоящую из усилителя 10, фазовращателя 11 и катушек обратной связи 12, создающих радиочастотное поле для поддержания прецессии. Фазовращатель 11 обеспечивает сдвиг на –90^о, необходимый в связи с тем, что при резонансе радиочастотная модуляция света сдвинута по фазе относительно радиочастотного поля на +90^о. Необходимость в компенсационной схеме при таком способе осуществления обратной связи отпадает. В схеме магнитометра сигнал спинового генератора подается на частотомер и далее – на цифровое табло и ОЗУ.

Техническая реализация методов, основанных на использовании тонкой структуры зеемановского расщепления, долгое время сдерживалась отсутствием способа надежной регистрации атомно-прецессионных явлений. Только в 1957 г. появились первые модели квантовых магнитометров, работающие на парах гелия и рубидия с порогом чувствительности 0.02-0.06 нТл и быстродействием 2-5 изм/с /8/.

В 70-е гг. ХХ в. семейство абсолютных приборов для пешеходных магнитных измерений пополнил квантовый магнитометр М-33, работающий на парах цезия, с порогом чувствительности 0.1-1.0 нТл. Благодаря внедрению этого прибора в производственную практику время единичного измерения сократилось до первых секунд, а точность возросла до 1-3 нТл. На смену М-33 пришел более совершенный магнитометр ММП-303. В отличие от М-33 ММП-303 имеет более широкий диапазон измерений (20 – 100 мкТл). Позднее его сменил магнитометр ММ-60, предназначенный для работы в качестве пешеходного прибора или магнитовариационной станции с порогом чувствительности 0.1-1.0 нТл и циклом измерений 10, 30 и 60 с. Прибор снабжен оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), информация из которого в конце рабочего дня переносится в ленточный магнитный накопитель.

На открытой поверхности Земли магнитные съемки выполнялись автомобильным квантовым магнитометром ММА-301, позволяющим проводить измерения с шагом 10 м на скоростях 12 и 50 км/ч. МЧП укреплен на консоли немагнитного прицепа. Аппаратура для автомобильных магнитных съемок разработана Казахским филиалом ВИРГа.

Отечественное научно-производственное предприятие «Геологоразведка» выпускает переносной квантовый микропроцессорный магнитометр ММ-60М1 для измерения модуля магнитной индукции и вариаций геомагнитного поля. Для работы в стационарных условиях создан прибор МКЦГ-03. Для производства аэромагнитной съемки рекомендуются новые магнитометры: АКМ-01 и двухканальный аэромагнитометр-градиентометр МГМ-05 с жестким креплением датчиков на самолете АН-2.

На базе квантовых датчиков сконструированы морские магнитовариационные системы, имеющие порог чувствительности 0.1- 0.001 нТл и цикл измерений от 0.1 до 60 с. С помощью этих модульных магнитометров, измеряющих модуль вектора Т, выполняют магнитные съемки акваторий морей, океанов и озер. Магниточувствительные преобразователи помещают в немагнитную, герметичную, цилиндрическую гондолу тороидальной формы, которая буксируется на немагнитном, грузонесущем, экранированном кабеле длиною до 300 м.

Рис. 3.19. Полевые измерения квантовым магнитометром SM-5

При дальнейших разработках порог чувствительности современных квантовых магнитометров достиг 0.001 нТл. Такие высокочувствительные магнитные системы используют для производства всех видов высокоточных съемок: от наземных до космических.

Рис. 3. 20. Пульт управления квантового магнитометра SM – 5

NAVMAG

Зарубежной фирмой SCINTREX SMARTMAG выпускаются квантовые магнитометры различных модификаций (рис. 3.19),

предназначенные для измерения абсолютных значений магнитного поля, а также градиентов изменения поля в различных направлениях. Пульт управления демонстрируется на рис. 3.20. Рассмотрим более подробно теоретические основы работы квантового магнитометра SM-5 / /.

Как показано на рис.3.21 системы SM-5 NAVMAG состоят из чувствительной головки с кабелем, и электронного модуля. Чувствительная головка датчика снабжена безэлектродной газоразрядной лампой (содержащей пары цезия), и абсорбционной ячейкой. Электрические нагреватели доводят лампу и ячейку до оптимальной рабочей температуры, при этом управляющие и задающие контуры расположены в электронном модуле. Ток нагрева подается к чувствительной головке по соединительному кабелю.

Рис.3.21. Чувствительная головка и электронный модуль
датчика системы SM-5 NAVMAG

Во время работы системы высокочастотный генератор в электронном модуле подает питание высокой частоты на возбудитель лампы в чувствительной головке, а поле высокой частоты вырабатывает соответствующее резонансное оптическое излучение (свет).

Световое излучение от цезиевой лампы сводится в параллельный пучок при помощи линзы. Далее свет распространяется в направлении оптической оси датчика, и проходит через интерференционный фильтр, который выделяет только спектральную линию цезия D1. Затем свет направляется в расщепленный, правый/левый, круговой поляризатор, и после этого свет производит оптическое возбуждение паров цезия в абсорбционной ячейке.

Принцип оптической накачки в приборе ведется следующим образом. Узкополосный резонансный свет вызывает кратковременное выстраивание (поляризацию) магнитных моментов атомов в направлении внешнего магнитного поля. Резонансный свет производит «оптическую накачку» атомов цезия, вследствие чего они переходят на более высокий энергетический уровень. Обратим внимание на то, что для большей эффективности пучка поляризованного света он должен сориентирован в направлении внешнего поля.

С помощью оптической накачки может быть поляризовано большое число атомов цезия, которые, поз воздействием слабого магнитного поля H1, побуждаются к когерентной по фазе прецессии вокруг внешнего поля. Это слабое магнитное поле пересекает внешнее поле, и периодически изменяется с ларморовой частотой.

Поле H1 вырабатывается катушкой в приборе SM-5 NAVMAG. Катушка соосна с оптической осью датчика, и намотана вокруг абсорбционной ячейки. Поляризованный резонансный свет, направленный перпендикулярно внешнему магнитному полю, выявляет эту прецессию. Степень поглощения этого света увеличивается или уменьшается, в зависимости от мгновенной ориентации поляризации.

В системе SM-5 NAVMAG этот зондирующий свет представляет собой перпендикулярную составляющую резонансного светового пучка. Если при помощи светочувствительного детектора выявить модуляцию света, прошедшего через абсорбционную ячейку, а результирующий ларморовский сигнал существенно усилить и сместить по фазе перед подачей обратно на катушку H1, тогда получится автоколебательный контур.

Резонанс возникает на ларморовой частоте, которая в слабых полях, например, в магнитом поле земли, совершенно линейна с полем, в котором расположена абсорбционная ячейка. Для изотопа цезия 133 коэффициент пропорциональности (гиромагнитная постоянная) составляет 3, 498577 Гц на нТл.

Как указывалось ранее, различные составляющие одного и того же резонансного светового пучка выполняют две функции:

составляющая, параллельная внешнему полю, выполняет оптическую накачку;

составляющая, перпендикулярная внешнему полю, выявляет когерентную прецессию.

По этой причине, в том случае, если световой пучок (оптическая ось) перпендикулярен внешнему полю (экваториальная ориентация), то накачка не происходит, и, следовательно, датчик не работает. Равным образом, датчик не работает и в том случае, если световой пучок параллелен внешнему полю (полярная ориентация), и не происходит модуляция света.

Вторая причина неработоспособности датчика в полярной ориентации заключается в том, что поле H1, будучи параллельным внешнему полю, не может возбудить прецессию магнитной поляризации.

Рис.3.22. Северная рабочая полусфера

Рассмотрим работу квантового магнитометра в разных полушариях. Пусть плоскость, перпендикулярная внешнему полю, разделяет рабочую зону датчика на две полусферы – северную и южную. В северной рабочей полусфере (полушарии) световой пучок датчика, который распространяется в направлении оптической оси (Рис.3.22), образует с направлением внешнего поля угол величиной от 0° до 90°. В этой полусфере фазное смещение ларморовского сигнала, который нужен усилителю для автоколебаний на пике резонанса, составляет -90°.

В южной рабочей полусфере (полушарии) световой пучок датчика образует с направлением внешнего поля угол еличиной от 90° до 180° (Рис. 3.23).
В этой полусфере фазное смещение ларморовского сигнала, который нужен усилителю для автоколебаний на пике резонанса составляет +90°. Таким образом, для работы датчика при смене рабочей полусферы требуется фазное смещение величиной 180°.

Рис. 3.23.Южная рабочая полусфера

Зарубежная компания GEM Systems в соответствии с программой своих исследований и разработке многолетних новых технологий совершенствует свое оборудование за счет увеличения показателей чувствительности и абсолютной погрешности измерений. Внедрен в производство магниторазведочных исследований новый квантовый магнитометр с оптической накачкой паров калия. Новая усовершенствованная модель прибора обеспечивает чувствительность до 0, 0025 нТл, высокую скорость получения показаний и надежную точность работы GPS. На рис.3.24 показан квантовый магнитометр с оптической накачкой паров калия (модель GSMP-35) c ранцем для электронных узлов и батарей питания, датчиками и кабелями облегченного веса, а также наладонным компьютером.

Рис. 3. 24. Квантовый магнитометр с оптической накачкой

паров калия. Модель GSMP-35

Принцип работы магнитометра аналогичен действию других приборов. Датчик магнитометра состоит из стеклянной колбы, содержащей пары щелочного металла. В соответствие с принципами квантовой теории существует распределение валентных электронов на энергетических уровнях в атомах щелочных металлов. Эти электроны расположены на двух энергетических уровнях (1 и 2). Световое излучение определенной длины волны, приложенное к парам щелочного металла, возбуждает электроны и заставляет их перемещаться со 2 на 3 энергетический уровень. Этот процесс, поляризация, сокращает количество атомов, содержащих электроны на 2-м уровне. Колба перестает поглощать свет и из матовой становится прозрачной.

Электроны третьего уровня нестабильны и спонтанно перемещаются обратно на 2-й и 1-й уровни. В итоге, 1-й уро-

вень перенаселяется, а электронов на 2-м уровне почти не остается. После этого происходит процесс деполяризации. Приложенное магнитное поле высокой частоты с длиной волны,

соответствующей энергетической разнице между 1-м и 2-м уровнями, приводит к стандартному распределению электронов между уровнями. Важность процесса деполяризации в том, что разница энергий между 1 и 2 уровнями (частота деполяризующего поля) прямо пропорциональна магнитному полю. Система регистрирует флуктацию интенсивности света, связанную с изменением прозрачности колбы. Частота флуктации преобразовывается в напряженность магнитного поля.

Усовершенствованная версия квантового магнитометра GSMP-35 (рис.) является результатом более десятилетнего опыта разработки модели GSMP-40, на практике подтвердившей свое качество. Функциональные возможности обеспечивают большое количество операций, включая передачу и отображение информации, определение маршрута исследования, скорость выборки данных и др. Новая модель прибора также поддерживает работу GPS.