Новые квантовые радиооптические системы и методы измерения слабых магнитных полей

На Рис.14a представлена сводная аллановская диаграмма вариаций показаний ВМВ при активной стабилизации соответствующих компонент МПЗ. В

Рис.14 а) Сводная аллановская диаграмма вариаций показаний ВМВ. Пунктир - вариация модуля МПЗ, измеренного калиевым Мх_магнитометром.

b) Аллановская диаграмма вариаций показаний новой версии ВМВ в магнитном экране

каналах x, y учтена эффективная постоянная времени системы ф = 0.11 с. Шумы ВМВ при времени измерения 0.1 c практически неразличимы на уровне вариаций магнитного поля в стабилизаторе 2·10_11 Тл с.к.о. за 0.1 с, из чего следует, что собственные шумы ВМВ не превышают 1.5·10_11 Тл с.к.о. при времени измерения 0.1 c.

Этот вывод подтверждается результатами испытаний следующей версии ВМВ (с компактной системой магнитных колец четвертого порядка) в магнитном экране (Рис.14b). В этом эксперименте ось z ВМВ была ориентирована вдоль оси магнитного экрана, что обусловило наличие дрейфов z-компоненты магнитного поля на уровне (2 ч 5)·10_10 Тл за 10 ч 1000 с. Высокий коэффициент экранирования вариаций магнитного поля в перпендикулярных оси z направлениях позволил получить оценку собственных шумов вариометра в x и y каналах: не более 1.3·10_11 Тл с.к.о. за 0.1 с и 6·10_12 Тл с.к.о. за 1 с.

В разделе 6.3 предложен и математически обоснован способ одновременного измерения трех компонент вектора земного магнитного поля с использованием Mx_магнитометра с оптической накачкой, помещенного в симметричную систему магнитных колец. Способ характеризуется высокой абсолютной точностью (порядка 10_10 Тл при времени измерения 0.1 c); кратковременная чувствительность измерения определяется чувствительностью Mx_датчика.

Очевидно, что любую компоненту магнитного поля можно измерить с высокой точностью, измеряя модуль поля - если скомпенсировать компоненты поля, ортогональные измеряемой. Поскольку по закону сложения векторов вклад малой ошибки в полный модуль поля оказывается в значительной мере подавлен, при этом не требуется высокая точность компенсации ортогональных компонент.

Однако построение на этом принципе измерительных устройств затруднено необходимостью создания относительно сильных магнитных полей; соответственно, процедуры измерения трех компонент поля данным методом должны быть разделены либо в пространстве, либо во времени. В связи с этим трехкомпонентные магнитометрические схемы, как правило, используют принцип, описанный в разделах 6.1-6.2; общим недостатком таких устройств является отсутствие абсолютности измерений. Имеется в виду то, что в результат измерения здесь всегда вносит вклад совокупность калиброванных полей; соответственно, построенные на этом принципе магнитометрические схемы мы называем магнитометрами-вариометрами.

Рис.15 a - Датчик в симметричной трехкомпонентной системе колец. 1 - кубический каркас, 2 - кольца, 3 - датчик. Ось датчика и вектор B0 направлены перпендикулярно плоскости рисунка; b - Проекции BX, BY, BZ поля B0 и переменные компенсирующие поля в катушках BACX, BACY, BACZ (максимальные значения). Окружность в плоскости XYZ - годограф вектора суммарного магнитного поля

Суть предложенного в данной работе метода заключается в создании в области датчика системы компенсирующих полей, гармонически изменяющихся таким образом, чтобы вектор суммарного магнитного поля в датчике вращался, сохраняя свою длину, вокруг начального направления магнитного поля, проходя в каждом цикле вращения через три положения, в каждом из которых две компоненты магнитного поля скомпенсированы с высокой точностью, а третья компонента не скомпенсирована совсем и может быть измерена. В качестве датчика предлагается использовать датчик Mx_КМОН, характеризующийся высокой точностью и быстродействием. Датчик помещается в центр симметричной трехкомпонентной системы электромагнитных колец (катушек). Система ориентируется таким образом, чтобы и главная диагональ куба, вписанного в систему колец, и ось симметрии датчика (совпадающая с направлением распространения света накачки) были направлены вдоль магнитного поля Земли B0 (Рис.15a). Выбранная система координат жестко связана с осями системы колец. В этой системе координат все три компоненты вектора магнитного поля Земли в начальный момент времени равны по величине: BX = BY = BZ = |B0| /v3 .

Поле BACi в каждой катушке (i = X, Y, Z, индексы AC указывают на осциллирующие величины) изначально подбирается таким, чтобы полностью компенсировать соответствующую компоненту поля Земли Bi (Рис.15 b). При одновременном включении компенсирующих полей во всех трех катушках суммарное поле в датчике равно нулю. Выключение поля BACi в одной из катушек i (i = X, Y, Z) приводит к появлению соответствующей некомпенсированной компоненты i поля, которая может быть измерена датчиком. Точность измерения при этом на несколько порядков выше точности компенсации ортогональных компонент поля, т.к. вклад от нескомпенсированных ортогональных компонент поля пропорционален 1_cos(б), где б - малый угол. Цикл таких измерений по i = X, Y, Z даст полную информацию о трех компонентах поля, которая, в свою очередь, используется в реальном времени для уточнения компенсирующих полей BACX, BACY, BACZ в катушках X, Y, Z - так организуются три системы обратных связей.

Следующий шаг состоит в переходе от дискретных изменений поля к непрерывным или квази-непрерывным - мы заставляем поле непрерывно или дискретно с небольшим шагом вращаться таким образом, чтобы три точки на окружности вращения соответствовали рассмотренным выше случаям BACi = 0 (i = X,Y,Z):

(5)

где BMi - измеренное значение i-той компоненты поля (в идеале BMi = Bi),

Теперь модуль полного магнитного поля в точках, где производится измерение, в точности воспроизводит значения трех компонент измеряемого поля, а производная модуля полного поля по фазе (а следовательно, и по времени) в этих точках равна нулю (Рис.16):

(6)

Рис.16. Зависимость модуля суммарного магнитного поля от угла поворота: а) при совпадении направления измеряемого поля с осью системы; b) при вариации X-компоненты измеряемого магнитного поля на 0.1%; c) после уточнения компенсирующего поля BACx.

Вектор суммарного магнитного поля при этом все время отклонен на 35.2o от оси оптической накачки Mx_магнитометра. При этом обеспечивается непрерывность захвата за резонанс, а реальные измерения проводятся в трех точках на окружности вращения. Относительная ошибка компенсации поперечных компонент может достигать 1.8•10_3.

В качестве рабочего вещества датчика может быть выбран калий (недостаток - большой размер рабочей кюветы), либо цезий с маленькой ячейкой и относительно широкой линией резонанса.

Повышенные требования (на уровне 0.6'') предъявляются к ортогональности катушек системы. Неортогональность колец в системе должна измеряться в процессе калибровки и должна быть скомпенсирована электронным образом. Рассмотрены возможные причины ошибок и предложены способы устранения их влияния - в частности, введение дополнительных «медленных» систем обратной связи, обеспечивающих постоянство модуля суммарного магнитного поля на окружности вращения, что позволяет перейти от измерения поля в трех точках на окружности к измерению на трех сегментах окружности, и, соответственно, увеличить чувствительность метода. Далее в работе рассмотрены сигналы при изменении компенсирующих полей согласно (5) и способы их детектирования. Показано, что сигналы ошибки измерения компонент переменного поля Bi могут быть получены синхронным детектированием сигнала на частоте щ; чувствительность измерения компоненты Bi при этом всего в v2 раз уступает чувствительности измерения модуля поля. Синхронное детектирование сигнала на частоте 2щ позволяет также получить независимую информацию о коэффициентах ki, связывающих магнитное поле в катушках с протекающим через них током, точнее - об отклонении ?ki от их среднего значения.

Методами численного моделирования было исследовано две модели: 1) с измерением в трех точках на окружности и 2) с синхронным детектированием сигнала. Обе модели исследовалась в стабильном поле: A): без систем компенсации вариаций поля и B): с системами компенсации вариаций поля. Моделировались как системы, использующие калиевый датчик с шириной резонансной линии Г = 1 нТл, так и системы, использующие цезиевый датчик с Г = 20 нТл, характеризующийся собственной кратковременной чувствительностью у0.1s = 10_11 Тл с.к.о. Применение датчика с широкой резонансной линией обеспечило (за счет снижения чувствительности) преимущество как в диапазоне захвата, так и в скорости слежения за полем; далее будут приведены результаты именно для этой модели. Вращение поля производилось квази-непрерывно с частотой дискретизации Fs = 10 кГц, соответственно, период оцифровки сигнала и обработки его схемой ФАПЧ модульного датчика был выбран равным Ts = 1/Fs = 0.1 мс, а эффективное время задержки сигнала Td = Ts/2. Первичное осреднение результатов измерений производилось с периодом TM = 0.1 с.

Рис.17. а) Зависимость ошибки в компонентах ?max = max(?X, ?Y, ?Z) от вариации компоненты поля ?BX; b) Зависимость от вариации компоненты поля ?BX прироста ошибки в компонентах при изменении коэффициента kX X-колец на величину ?kX = 0.001.

Численное моделирование показало (Рис.17), что моделям 1A, 2A свойственны ошибки, пропорциональные величине отклонения измеряемого поля: ?i/?Bi ? 0.001. Модели 1B, 2B лишены этого недостатка, однако они чувствительны к изменению коэффициента компенсирующей катушки: ?i/?Bi = ?ki. При ?ki = 0 наименьшими сдвигами (менее 0.5 пТл) характеризуется модель 2B (с синхронным детектированием по всему периоду модуляции и с компенсацией вариаций поля). При Г = 20 нТл, у0.1s = 10 пТл, Tmod = 50 мс она продемонстрировала следующие параметры:

ь время отклика ф = 0.1 с,

ь абсолютная точность д = 1·10_10 Тл,

ь кратковременная (0.1 с) чувствительность уi = 1.5·10_11 Тл с.к.о.,

ь диапазон начального захвата |?Bi0max| = 0.73·10_6 Тл,

ь максимальные допустимая вариация коэффициентов магнитных колец |?kimax| = 115 ppm.

Таким образом, предложен способ одновременного измерения трех компонент вектора земного магнитного поля, характеризующийся уникально высокой абсолютной точностью на уровне ± 10_10 Тл и чувствительностью на уровне 1.5·10_11 Тл с.к.о. при времени измерения 0.1 c, т.е.параметрами, не достижимыми никакими иными существующими в настоящий момент средствами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

Проведен ряд исследований в области двойного радиооптического резонанса и оптической ориентации квантовых магнитных моментов, предложены и исследованы новые и развиты существующие схемы формирования и детектирования магнитного радиооптического резонанса применительно к задачам квантовой магнитометрии, а именно:

1. Исследованы принципиальные ограничения на разрешающую способность квантового Мх-дискриминатора. Осуществлена теоретическая и экспериментальная многофакторная оптимизация режимов магнитного радиооптического Мх-резонанса в схеме квантового датчика с оптической накачкой (Мх-дискриминатора). Сформулированы условия, которым должны удовлетворять спин-обменное и световое уширение резонансной линии.

2. Впервые осуществлена лазерная накачка в схеме калиевого Мх_магнитометра; благодаря этому экспериментально определено спин-обменное уширение резонансной линии калия и экспериментально продемонстрирована разрешающая способность квантового дискриминатора с оптической накачкой на уровне 1.8·10_15 Тл·Гц_1/2.

3. Предложен метод прецизионного измерения отношения показаний двух магнитометров на изотопах рубидия, благодаря чему на уровне 10_14 Тл экспериментально доказана применимость метода оценки разрешающей способности квантового магнитометра с оптической накачкой по фактору качества резонанса.

4. Предложены и реализованы новые подходы к реализации Mx_магнитометра с оптической накачкой. Показано, что цифровые способы захвата и привязки к Мх-резонансу в быстро меняющемся поле позволяют осуществлять привязку и удержание выделенного магнитного резонанса в сложной структуре. Разработана численная модель поведения Мх-резонанса в цифровой петле обратной связи.

5. Предложен метод контроля параметров линии резонанса инвариантным отображением сигнала спиновой прецессии. Показано, что этим способом в нестабильном поле можно осуществлять контроль амплитуды, фазы, а также радиочастотного уширения магнитного резонанса, и наличия дополнительных гармоник в радиочастотном спектре.

6. Реализована и экспериментально исследована новая прецизионная квантовая магнитометрическая схема, характеризующаяся параметрическими сдвигами на уровне 10_11 Тл: Cs-K тандем на одноквантовом Мх-резонансе в парах 133Cs и четырехквантовом Мz-резонансе в парах 39K.

7. Развита идея балансного магнитометра на симметричных переходах в сверхтонкой структуре. Предложен новый тип магнитометра на эффекте когерентного пленения населенностей (Л-СТС магнитометр). С использованием специальных приемов формирования и детектирования сигнала реализована балансная СТС магнитометрическая схема на симметричной паре переходов в сверхтонкой структуре 87Rb. Основным достоинством схемы по сравнению с прототипами является высокий уровень балансности, обеспечивающий компенсацию световых сдвигов частоты магнитных резонансов на уровне 10_11 Тл.

8. Разработаны новые радиооптические методы измерения компонент вектора магнитного поля. На их основе созданы и испытаны: схема трехкомпонентного прецизионного магнитометра-вариометра на основе модульного калиевого датчика с оптической накачкой и схема быстродействующего трехкомпонентного магнитометра-вариометра на основе цезиевого датчика. Схемы характеризуются чувствительностью порядка 10_11 Тл при быстродействии 0.1 с.

9. Предложен, теоретически обоснован и апробирован методами численного моделирования новый способ абсолютного измерения трех компонент вектора магнитного поля, основанный на использовании модульного Mx_магнитометра с оптической накачкой. Показано, что при использовании Mx_магнитометра с оптической накачкой и трехкомпонентной симметричной системы магнитных колец возможно одновременное измерение трех компонент вектора земного магнитного поля с абсолютной точностью ± 10_10 Тл и кратковременной чувствительности в компонентах поля на уровне уi = 1.5·10_11 Тл с.к.о. при времени измерения 0.1 c, что не может быть достигнуто никакими иными существующими в настоящий момент средствами.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

A1. Александров Е.Б., Вершовский А.К. Оптико-микроволновая накачка и эффект пленения населенностей.- Опт. Спектр. 1985, т.59, №6, cтр.1210-1216 .

A2. Александров Е.Б., Вершовский А.К., Якобсон Н.Н. Оптимизация параметра качества 0-0 резонанса в парах рубидия при оптической накачке.- ЖТФ 1986, т.56, №5, cтр.970-973 .

A3. Александров Е.Б., Вершовский А.К., Якобсон Н.Н. Режим сверхслабой оптической накачки рубидиевого дискриминатора частоты.- ЖТФ 1988, т.58, №6, cтр.1116-1122.

A4. Александров Е.Б., Вершовский А.К., Якобсон Н.Н. Минимизация световых сдвигов рубидиевого дискриминатора частоты.- ЖТФ 1989, т.59, №1, cтр.118-124.

A5. Александров Е.Б., Вершовский А.К., Пазгалев А.С., Якобсон Н.Н. Ограничение фактора качества квантового дискриминатора частоты быстрыми флуктуациями радиочастотного поля.- ЖТФ 1990, т.60, №9, cтр.58-63.

A6. Александров Е.Б., Балабас М.В., Вершовский А.К., Пазгалёв А.С., Якобсон Н.Н. Атомные магнитометры на основе двойного резонанса: от ламповой накачки к лазерной.- Тез. докл. Международн. Симпозиума "Современные проблемы лазерной физики" MPLP'95, Новосибирск, 1995.

A7. Aleksandrov E.B., Vershovskii A.K., Balabas M.V., Yakobson N.N.. Potassium laser pumped scalar magnetometer of highest performance.- Proc. IUGG congress, Boulder (Colorado, USA) 1995, p.86.

A8. Александров Е.Б., Балабас М.В., Вершовский А.К., Иванов А.Е., Якобсон Н.Н., Величанский В.Л., Сенков Н.В. Лазерная накачка в схеме Мх-магнитометра.- Опт. Спектр. 1995, т.78, №2, cтр.325.

A9. Alexandrov E.B., Balabas M.V., Pazgalev A.S., Vershovskii A.K., Yakobson N.N. Double-resonance atomic magnetometers: from gas discharge to laser pumping.- Laser Physics 1996, v.6, no.2, p.244-251.

A10. Aleksandrov E.B., Balabas M.V., Vershovskii A.K., Pazgalev A.S., Yakobson N.N. Optically pumped potassium Mx-magnetometer of highest performance.- Proc. Internat. Conf. on Marine Electromagnetics, London (UK) 1997, p.8.

A11. Alexandrov E.B., Balabas M.V., Kulyasov V.N., Ivanov A.E., Pazgalev A.S., Vershovskii A.K.. Three-component Variometer Based on a Scalar Potassium Sensor.- Proc. IAGA 97 (International Association of Geomagnetism and Aeronomy), Uppsala, 8th Scientific Assembly of IAGA with ISMA and STP Symposia. Stockholm (Sweden). 1997.

A12. Александров Е.Б., Балабас М.В., Вершовский А.К., Окуневич А.И., Якобсон Н.Н. Спин-обменное уширение линии магнитного резонанса атомов калия.- Опт. Спектр. 1999, т.87, №3, cтр.359-364.

A13. Александров Е.Б., Балабас М.В., Вершовский А.К., Пазгалёв А.С. Многоквантовая радиоспектроскопия атомов: приложение к метрологии геомагнитных полей.- ЖТФ 1999, т.69, №9, cтр.27-30.

A14. Alexandrov E.B., Balabas M.V., Vershovskii A.K. A new tandem magnetometer based on Potassium-39 4-quantum transition.- Proc. IUGG99 - 22nd General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics, Birmingham, UK 1999.

A15. Вершовский А.К., Пазгалёв А.С., Александров Е.Б. Проект Lambda-СТС магнитометра.- ЖТФ 2000, т.70, №1, cтр.88-93.

A16. Александров Е.Б., Балабас М.Б., Вершовский А.К., Пазгалёв А.С. Новая версия квантового магнитометра: однокамерный Cs-K тандем на четырехквантовом резонансе в 39K.- ЖТФ 2000, т.70, №7, cтр.118-124.

A17. Александров Е.Б., Балабас М.Б., Вершовский А.К., Пазгалёв А.С. Экспериментальная демонстрация разрешающей способности квантового магнитометра с оптической накачкой.- ЖТФ 2004, т.74, №6, cтр.118-122.

A18. Alexandrov E.B., Balabas M.V., Kulyasov V.N., Ivanov A.E., Pazgalev A.S., Rasson J.L., Vershovski A.K., Yakobson N.N. Three-component variometer based on a scalar potassium sensor.- Meas. Sci. Technol. 2004, v.15, p.918-922.

A19. Oblak D., Petrov P.G., Garrido Alzar C.L., Tittel W., Vershovski A.K., Mikkelsen J.K., Sшrensen J.L., and Polzik E. S. Quantum-noise-limited interferometric measurement of atomic noise: Towards spin squeezing on the Cs clock transition.- Phys. Rev. A 2005, v.71, p.43807(12).

A20. Вершовский А.К., Пазгалёв А.С. Квантовые Мх-магнитометры с оптической накачкой: цифровые способы измерения частоты Мх-резонанса в быстро меняющемся поле.- ЖТФ 2006, т.76, №7, cтр.108-112.

A21. Вершовский А.К., Александров Е.Б. Устранение фазовой ошибки Мх-магнитометра и контроль формы линии резонанса в нестабильном поле методом инвариантного отображения сигнала спиновой прецессии.- Опт. Спектр. 2006, т.100, №1, cтр.23-25.

A22. Александров Е.Б., Вершовский А.К., Пазгалев А.С. Магнитометр на симметричной паре переходов в сверхтонкой структуре 87Rb.- ЖТФ 2006, т.76, №7, cтр.103-107

A23. Vershovskiy A., Balabas M., Ivanov A., Kulyasov V., Pazgalev A., Alexandrov E. Fast 3-Component Variometer Based On A Cesium Sensor.- Proc. XIIth IAGA (International Association of Geomagnetism and Aeronomy) Workshop On Geomagnetical Instruments, Data Acquisition and Processing, Belsk, Poland, June 19-24 2006, p.25.

A24. Александров Е.Б., Балабас М.Б., Вершовский А.К., Иванов,А.Э., Кулясов В.Н., Пазгалёв А.С. Быстродействующий трехкомпонентный магнитометр-вариометр на основе цезиевого датчика.- ЖТФ 2006, т.76, №1, cтр.115-120.

A25. Vershovskiy A. Project Of Absolute Three-Component Vector Magnetometer Based On Quantum Scalar Sensor.- Proc. XIIth IAGA (International Association of Geomagnetism and Aeronomy) Workshop On Geomagnetical Instruments, Data Acquisition and Processing, Belsk, Poland, June 19-24 2006, p.44-45.

A26. Вершовский А.К. Способ быстрого прецизионного измерения трех компонент вектора магнитного поля, основанный на использовании модульного Mx-магнитометра с оптической накачкой.- Опт. Спектр. 2006, т.101, №2, cтр.341-349.

A27. Вершовский А.К., Пазгалев А.С. Оптимизация фактора качества магнитного Mx-резонанса в условиях оптической накачки.- ЖТФ 2008, в печати.

Размещено на Allbest.ru