Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




19.05.2022


19.05.2022


18.05.2022


18.05.2022


18.05.2022


18.05.2022





Яндекс.Метрика

Mx-магнитометр

21.01.2022

Mx-магнитометр — наиболее распространённый вид оптического квантового магнитометра, работающего на парах щелочных металлов (цезия, рубидия, калия).

Принцип работы

При комнатной температуре тепловая энергия k T {displaystyle kT} атомов намного больше разницы энергий Δ E {displaystyle Delta E} основного состояния — ( k T ≪ Δ E ) {displaystyle (kTll Delta E)} , поэтому согласно распределению Больцмана населённости всех уровней одинаковы, см. схему атомов рубидия Rb87. При взаимодействии атомов с оптическим полем круговой поляризации σ + {displaystyle sigma ^{+}} в атомном газе создается неравновесное распределение населённости атомов по зеемановским подуровням основных состояний. В результате атомный газ поляризуется и у него появляется магнитный момент μ {displaystyle mu } .

Известно, что магнитный момент, помещённый в постоянное магнитное поле B o {displaystyle B_{o}} начинает прецессировать с частотой ω L = γ B o {displaystyle omega _{L}=gamma B_{o}} . Такое поведение μ {displaystyle mu } описывается уравнениями Блоха.

В Мх-магнитометре лазерный луч распространяется под углом 45 градусов по отношению к направлению измеряемому магнитному полю B o {displaystyle B_{o}} . Кроме поля B o {displaystyle B_{o}} , перпендикулярно к нему приложено также небольшое осциллирующее поле B R F ( t ) {displaystyle B_{RF}(t)} . Это поле B R F ( t ) {displaystyle B_{RF}(t)} навязывает фазу прецессирующих вокруг поля Во на частоте ω L {displaystyle omega _{L}} магнитного момента атомов (спинов). Проекция магнитного момента на направление распространения света прецессирующей поляризации будет оставаться постоянной до момента включения поля B R F ( t ) {displaystyle B_{RF}(t)} . Включение этого поля приведёт к изменению населённости между зеемановскими подуровнями и, как следствие, это поле вызовет модуляцию поглощения проекции магнитного момента B 1 {displaystyle B_{1}} , которое регистрируется фотодетектором, затем усиливается, фазовращателем корректируется фаза сигнала, и подаётся на радиочастотную катушку. Таким образом создается петля положительной обратной связи. Подобрав фазу сигнала добиваются генерации поля на частоте Ларморовской прецессии ω L {displaystyle omega _{L}} . Эта частота измеряется с помощью частотомера и по её величине определяют величину магнитного поля.

Чувствительность магнитометра

Чувствительность магнитометра δ B {displaystyle delta B} определяется соотношением δ B = κ γ N Γ S , {displaystyle delta B={frac {kappa }{gamma }}{frac {NGamma }{S}},} где Γ {displaystyle Gamma } — ширина магнитного резонанса, S {displaystyle S} - его амплитуда, γ {displaystyle gamma } — гиромагнитное отношение, N {displaystyle N} - среднеквадратичный уровень шумов, усредненных за время τ {displaystyle au } , κ {displaystyle kappa } — форм фактор резонанса приблизительно равный 1. В случае преобладания дробовых шумов в фототоке детектора эта формула принимает вид

δ B s h o r t = κ Γ γ ρ S 1 2 π τ {displaystyle delta B^{short}=kappa {frac {Gamma }{gamma }}{frac { ho }{S}}{frac {1}{sqrt {2pi au }}}}

ρ {displaystyle ho } — плотность дробового шума , В случае преобладания квантовых шумов в фототоке детектора она выглядит так:

δ B q u a n t = 1 γ 1 N a T 2 τ {displaystyle delta B^{quant}={frac {1}{gamma }}{frac {1}{sqrt {N_{a}{T_{2}} au }}}}

T 2 {displaystyle T_{2}} — поперечное время релаксации поляризации атома


Резонансный свет лазера (Light source) накачивает атомы на уровни основного состояния 5 S 1 / 2 , F = 2 {displaystyle 5S_{1/2},F=2} . Линейную поляризацию света лазера с помощью фазовой пластины λ / 4 {displaystyle lambda /4} превращают в круговую σ + {displaystyle sigma ^{+}} . Благодаря этому неравновесная населенность зеемановских подуровней аккумулируется на уровнях с большой проекцией момента m F {displaystyle m_{F}} . Вектор распространения света и направление измеряемого магнитного поля B o {displaystyle B_{o}} повёрнуты относительно друг друга на угол 45 градусов (синяя стрелка). Перпендикулярно полю B o {displaystyle B_{o}} включается радиочастотное поле B R F ( t ) {displaystyle B_{RF}(t)} . Пропускание прошедшего через ячейку света модулируется этим полем и регистрируется фотодиодом.

Модуляция света полем B R F ( t ) {displaystyle B_{RF}(t)} происходит благодаря двум процессам: за счёт изменения поглощения из-за переноса населённости с одного зеемановского подуровня на другой и благодаря модуляции вероятности взаимодействия света с атомом за счёт создания между ними квантовой когерентности.

Ширина резонанса определяется различными релаксационными процессами:

  • столкновениями со стенками ячейки, с молекулами буферных газов, и атом- атом столкновениями
  • полевым уширением, вызываемым как оптическим, так и радиочастотным полями;
  • конечным временем взаимодействия с оптическим полем, определяемым пролётом атомов через сечение оптического поля