авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Новые квантовые радиооптические системы и методы измерения слабых магнитных полей

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ВЕРШОВСКИЙ

Антон Константинович

НОВЫЕ КВАНТОВЫЕ РАДИООПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург

2007

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук

Копытенко Юрий Анатольевич

Доктор физико-математических наук

Фофанов Яков Андреевич

Доктор физико-математических наук,

Профессор Чижик Владимир Иванович

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И.Менделеева

Защита состоится «14» марта 2008 года в 15 час. 00 мин.

на заседании диссертационного совета Д 002.034.01 в Институте аналитического приборостроения Российской Академии наук по адресу: 190103, г. Санкт - Петербург, Рижский проспект, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института аналитического приборостроения Российской Академии наук.

Автореферат разослан « » 200 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к. ф.-м.н. А.П.Щербаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прецизионные измерения слабых магнитных полей составляют быстро развивающийся раздел метрологии, находящий множество применений как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях. Самым ярким примером таких исследований в области современной физики являются эксперименты по поиску нарушения фундаментальных законов симметрии, в частности – по поиску постоянного электродипольного момента нейтрона. В области геофизики мониторинг магнитного поля Земли (МПЗ), постоянно осуществляемый несколькими международными сетями обсерваторий, является основным источником знаний как о внутреннем строении Земли и происходящих в ней процессах, так и о процессах взаимодействия солнечного излучения с атмосферой и магнитосферой Земли.

Прикладные применения магнитометрии прежде всего связаны с разнообразными задачами навигации и магнитной разведки, в том числе в геологии, археологии и в военном деле. Прецизионные измерения магнитного поля в сейсмических районах в последние десятилетия все чаще привлекаются для обнаружения предвестников землетрясений. Все большее значение приобретают магнитные измерения в медицине и биологии.

Высокие требования, предъявляемые к точности и чувствительности методов магнитных измерений, как правило, определяются тем фактом, что магнитные поля исследуемых или искомых объектов должны измеряться на фоне магнитного поля Земли, зачастую превосходящего их на пять и более порядков величины. Измерение таких сигналов требует точности и чувствительности магнитометрических средств на уровне 107  109, достижимом в настоящее время только средствами атомной и ядерной спектроскопии. Существует целый ряд прецизионных магнитометрических средств – протонные магнитометры, СКВИД, цезиевые магнитометры с оптической накачкой и т.д.; каждое из этих устройств обладает своими достоинствами и недостатками и позволяет в той или иной мере реализовать одну или несколько характеристик из набора требуемых для каждой конкретной задачи. Разработка физических принципов, позволяющих создать новые прецизионные средства измерения магнитного поля и тем самым повысить уровень точности квантовой магнитометрии, является задачей первостепенной важности.



В настоящей работе исследованы существующие и предложены новые физические радиоспектроскопические методы, позволяющие осуществить измерения модуля вектора индукции магнитных полей земного диапазона с чувствительностью (разрешающей способностью) 1013  1015 Тл при точности 1010  1011 Тл, и измерение компонент вектора индукции с чувствительностью 1011 Тл при характерных временах измерения 0.1 с.

Основная цель работы. Основной целью работы было создание новых и развитие существующих систем и способов измерения модуля и компонент вектора индукции слабых магнитных полей, основанных на таких методах радиооптической спектроскопии, как оптическая накачка и двойной радиооптический резонанс.

Объекты и методы исследования. Основным объектом исследований были характеристики двойных радиооптических одноквантовых и многоквантовых магнитных резонансов в основном состоянии спектра щелочных металлов, и особенности их применения в квантовых магнитометрических системах. Объекты исследовались как экспериментальными, так и теоретическими и численными методами. Были созданы новые методы исследования характеристик двойного радиооптического Мх-резонанса, а также новые методы измерения индукции слабых магнитных полей, основанные на применении двойного радиооптического Мх-резонанса.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  1. Исследованы фундаментальные ограничения на разрешающую способность квантового Мх-дискриминатора с оптической накачкой и осуществлена многофакторная оптимизация параметров магнитного Мх-резонанса в оптически толстом слое вакуумной ячейки.
  2. Развиты две существующие магнитометрические схемы:

- магнитометр на изолированной линии калия,

- балансный СТСмагнитометр.

  1. Предложены и исследованы новые схемы формирования и детектирования многоквантового магнитного радиооптического резонанса применительно к задачам квантовой магнитометрии:

- магнитометр на четырехфотонном переходе,

- магнитометр на резонансе пленения населенностей.

  1. Предложены и экспериментально реализованы две новые схемы измерения вариаций компонент магнитного поля с помощью модульных квантовых датчиков (Мх-магнитометров):

- векторный калиевый магнитометр-вариометр,

- быстродействующий векторный цезиевый магнитометр-вариометр.

  1. Предложен принципиально новый метод абсолютного измерения трех компонент вектора магнитного поля, основанный на использовании квантового Мхдатчика. Предложенный способ теоретически обоснован и проверен методами численного моделирования.

Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем:

  1. Разработана процедура оптимизации режимов магнитного радиооптического резонанса в схеме Мхдискриминатора, позволяющая повысить чувствительность магнитометрической схемы с оптической накачкой до уровня, определяемого принципиальными квантовомеханическими факторами.
  2. Разработана схема лазерной накачки калиевого Мхмагнитометра, позволяющая при увеличении разрешающей способности более, чем вдвое по сравнению с ламповой накачкой на порядок и более снизить световые сдвиги частоты Мх-резонанса;
  3. Разработаны алгоритмические (цифровые) способы захвата петли обратной связи и привязки частоты синтезатора к частоте Мх-резонанса в сложном спектре атома K в быстро меняющемся поле, позволяющие полностью реализовать предельную разрешающую способность квантового магнитометра;
  4. Разработана методика контроля основных параметров Мх-резонанса, позволяющая, в частности, в быстро меняющемся поле без применения стабилизаторов магнитного поля устранять сдвиги квантового Мхдискриминатора, связанные с ошибкой фазы наблюдения Мхрезонанса;
  5. Разработаны новые квантовые модульные магнитометрические схемы:

- схема CsK тандема на одноквантовом Мх-резонансе в парах 133Cs и четырехквантовом Мz-резонансе в парах 39K;

- схема балансного СТС магнитометра с использованием специальных приемов формирования и детектирования сигнала;

  1. Разработаны новые квантовые векторные магнитометрические схемы:

- схема трехкомпонентного прецизионного калиевого магнитометра-вариометра;

- схема быстродействующего трехкомпонентного цезиевого магнитометра-вариометра;

  1. Предложен принципиально новый способ абсолютного измерения трех компонент вектора магнитного поля, основанный на использовании модульного MXмагнитометра и трехкомпонентной симметричной системы магнитных колец, и позволяющий осуществить одновременное измерение трех компонент вектора земного магнитного поля с абсолютной точностью ±1010 Тл при времени измерения 0.1 c.

Научные положения, выносимые на защиту:

  1. Предельная разрешающая способность квантовой магнитометрической схемы всецело определяется фактором качества магнитного Мхрезонанса, что показано экспериментально на уровне 1014 Тл·Гц1/2. Теоретически разработанная и апробированная экспериментально процедура оптимизации спин-обменного и светового уширения по критерию максимума фактора качества позволяет при применении монохроматической лазерной накачки достичь предельных значений разрешающей способности калиевого квантового Мхдискриминатора < 2·1015 Тл·Гц1/2.
  2. Цифровые способы захвата и привязки к Мх-резонансу позволяют использовать в быстро меняющихся магнитных полях выделенный магнитный резонанс в сложной структуре, в частности, в разрешенном зеемановском спектре основного состояния атома K, полностью реализовав предельную разрешающую способность квантовой магнитометрической схемы.
  3. Метод инвариантного отображения сигнала спиновой прецессии позволяет осуществлять контроль амплитуды и фазы магнитного резонанса, а также радиочастотного уширения и наличия дополнительных гармоник в радиочастотном магнитном спектре в нестабильном поле, в том числе в магнитном поле Земли.
  4. Многоквантовый резонанс в зеемановской структуре высшей для уровня F = 2 кратности n = 4 может быть с высокой эффективностью использован в квантовой магнитометрической Мzсхеме, и, еще в более полной мере – при объединении магнитометрической Мzсхемы на 4квантовом переходе с магнитометрической Мхсхемой в так называемый тандем. Параметрические сдвиги такого устройства могут быть сведены к уровню 1011 Тл.
  5. Балансная магнитометрическая схема на симметричной паре переходов в сверхтонкой структуре основного состояния 87Rb может быть реализована с идентичными характеристиками сигналов двух Мz-резонансов в одном оптическом канале, что обеспечивает компенсацию световых сдвигов частоты магнитных резонансов на уровне 1011 Тл.
  6. Новые радиооптические методы измерения компонент вектора МПЗ с использованием модульного Mхдатчика, помещенного в систему вспомогательных магнитных полей, вращающихся по окружности или конусу, ось которых совпадает с направлением вектора измеряемого поля, позволяют осуществлять измерения вариаций компонент вектора МПЗ с характерной долговременной стабильностью порядка 1010 Тл при чувствительности порядка 1011 Тл и быстродействии 0.1 с.
  7. Новый метод абсолютного измерения трех компонент вектора магнитного поля, основанный на использовании модульного MXмагнитометра с оптической накачкой, помещенного в симметричную трехмерную систему вспомогательных магнитных полей, позволяет осуществлять одновременное измерение трех компонент вектора МПЗ с абсолютной точностью ± 1010 Тл при времени измерения 0.1 с.

Апробация результатов работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном Симпозиуме по исследованиям в области измерений частоты, Москва, 1990; Международном Симпозиуме по современным проблемам лазерной физики (MPLP'95), Новосибирск, 1995; конгрессе Международного Объединения по геодезии и геофизике (IUGG), Боулдер, США, 1995; Международной Конференции по Морскому Электромагнетизму, Лондон, Великобритания, 1997; IV конгрессе Международного Объединения по геодезии и геофизике (IUGG), Бирмингем, Великобритания, 1999; 8-м конгрессе Международной Ассоциации по Геомагнетизму и Аэрономии, Упсала, Швеция, 1997; 12-м конгрессе Международной Ассоциации по Геомагнетизму и Аэрономии, Бельск, Польша, 2006, а также на семинарах в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, ВНЦ ГОИ им.С.И.Вавилова и НИИФ СПбГУ.

Публикации: Основные результаты диссертации содержатся в 27 печатных работах, список которых приведен в конце реферата.





Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно либо в соавторстве с сотрудниками ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН и ГОИ им. С.И.Вавилова, в первую очередь - с Е.Б.Александровым, М.В.Балабасом и А.С.Пазгалевым. В диссертации конкретизирован личный вклад автора по каждому из направлений.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, и списка литературы, включающего 262 наименования. Работа изложена на 300 страницах текста, содержит 98 рисунков и 4 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ содержит краткий исторический очерк и обсуждение современного состояния средств и методов измерения слабых магнитных полей.

ПЕРВАЯ ГЛАВА диссертации представляет собой обзор идей и методов оптической накачки атомов и их приложения к квантовой магнитометрии. Цель этого обзора – дать необходимые вводные сведения для понимания оригинальной части работы и указать ее место во всей проблематике.

В разделах 1.1 - 1.5 рассмотрены явления двойного радиооптического резонанса и оптической ориентации атомных и ядерных моментов. Приведена элементарная теория оптической накачки; перечислены виды оптической накачки и указаны области их применения. Рассмотрены теория поведения магнитного момента во внешнем магнитном поле и механизмы релаксации магнитного момента, а также многоквантовые процессы в приложении к магнитометрическим задачам.

В разделе 1.6 дано описание существующих к настоящему моменту квантовых магнитометрических устройств, и рассмотрены их основные метрологические характеристики. Особое внимание уделено калиевому магнитометру на изолированной узкой линии. Дан обзор разрабатываемых в настоящее время в мире проектов магнитометрических схем, и изложены основы векторной магнитометрии с использованием квантовых датчиков. В начале раздела вводится понятие фактора качества магнитного резонанса (определяемого, как отношение производной сигнала резонанса по частоте в центре резонансной кривой к спектральной плотности квантового шума [i]) - как параметра, характеризующего предельную чувствительность магнитометрической схемы. Проводится ана­лиз факторов, ограничивающих чувствительность квантового маг­­­нитометра с оптической на­кач­кой (КМОН) на принципиальном уровне (дробовые шумы света, атомные шумы).

Рис.1 Зависимость сигнала S, крутизны S/, и фактора качества магнитного резонанса от светового уширения I = Light/d. Рис.2 Зависимость оптимального спин-обменного уширения coll и темновой ширины линии d = 0 + coll  от собственной ширины линии 0 для калиевой кюветы диаметром 15 см

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена оптимизации параметров маг­нит­но­го резонанса и достижению пре­дель­ной чувст­ви­тельности из­ме­ре­ния индукции магнитного поля схемой Мхмаг­ни­то­мет­ра [ii, iii], а также исследованию фундаментальных ограничения на точ­ность магнитометрических из­ме­ре­ний, проводимых с помощью квантовых уст­ройств с оптической накачкой.

В разделе 2.1 описана теоретическая модель Мхрезонанса в вакуумной ячейке, позволяющая про­вес­ти многофакторную опти­ми­­зацию фактора ка­чества Мхре­зо­нанса в основном со­сто­янии щелочных металлов в условиях оптической накачки [iv, v] и детектирования [vi] с учетом всех основных факторов, определяющих ширину линии резонанса, а именно: спин-обменных процессов, уширения ра­дио­частотным полем, ре­лаксации при столкновениях со стенками ячейки; релаксации, индуцирован­ной светом накачки.

Оптимизация фактора качества проведена для ячеек без буферного газа, с нанесенным на внутреннюю стенку ячей­ки со­хра­няющим спин покрытием. Использовалось стационарное решение уравнения Блоха [vii] для поперечной компоненты на­маг­ни­чен­но­сти.

При заданной собственной ширине линии в ячейке 0, процедура оптимизации ширины линии традиционно начинается с оптимизации спин-обменного уши­ре­ния coll [viii], после чего производится оптимизация светового уширения light по отношению к т.н. темновой ширине линии d = 0 + coll­ [8, ix]. Такой подход приводит к выводам об ограничении интенсивности света накачки; при этом результирующая рабочая ширина линии оказывается пропорциональной 0..

В данной работе оптимизация режимов магнитного радиооптического резонанса в схеме Мхдис­кри­ми­натора осуществлялась с одновре­мен­ным учетом спин-обменного и светового уширения резонансной линии, а также поглощения в оптически плотной ячейке в предположении об эффективном осреднении интенсивности света накачки по объему ячейки; получено выражение для фактора качества магнитного резонанса Q (Рис.1):

(1)

Здесь

K – коэффициент, характеризующий эффективность накачки и детектирования Мхрезонанса: ,

– интеграл перекрытия спектров линий накачки и поглощения,

kdet – квантовый выход фотоприемника,

kpump – эффективность оптической накачки,

kread – эффективность «считывания» сигнала Mx-резонанса светом,

<v> – средняя скорость атомов,

ex – сечение спин-обменного процесса,

V – объем цилиндрической или сферической ячейки,

x  – оптическая толщина ячейки,

– коэффициент, характеризующий свойства ячейки:  = (coll/0)/x,

I – безразмерное уширение светом накачки: light/(0 + coll)

При оптимальных параметрах I, x фактор качества может быть выражен через эффективность оптической накачки и считывания Мх-резонанса и ограниченный атомными шумами фактор качества QAtmax, который, согласно [x], задает наиболее принципиальный предел чувствительности квантового атомного дискриминатора :

. (2)


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.