Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Signalgewinnung nach dem Prinzip optisch gepumpter Magnetometer.

Optisch gepumpte Magnetometer sind seit Anfang der 60-er Jahre bekannt und seitdem in steigendem Umfang als Meßein¬ richtungen für magnetische Felder eingesetzt worden. Mit diesen Magnetometern kann z.B. das Erdmagnetfeld mit außer¬ ordentlich hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die theore¬ tischen Grundlagen und die Arbeitsweise optisch gepumpter Magnetometer sind an sich bekannt. Das Grundprinzip ist stets, daß ein Lichtstrahl definierter Polarisation und Richtung ein Medium, üblicherweise Cäsium, aber auch Kalium, Helium oder Rubidium, durchquert und daß dabei eine Aus- gangsfrequenz erzeugt wird, die der Größe des lokalen Magnetfeldes entspricht.

Im Stand der Technik sind in den vergangenen Jahrzehnten verschiedene Arten von optisch gepumpten Magnetometern ent¬ wickelt worden. Die einfachste Ausführungsform ist ein selbstschwingendes Cs-Magnetometer, in dem ein auf eine Resonanzlinie des Cäsiums abgestimmter Lichtstrahl die mit Cäsium gefüllte Absorptionszelle durchquert und auf eine Photozelle fällt. Das Ausgangssignal der Photozelle wird verstärkt, um 90° phasenverschoben und einer um die Absorptionszelle angeordneten Spule zugeführt. Im eingeschwungenen Zustand erzeugt ein derartiges selbstoszillierendes Magnetometer eine dem umgebenden

Magnetfeld H proportionale Frequenz f:

f ~ _{3 5} Hz * _H nT Dieser Magnetometertyp besitzt jedoch einen systematischen Fehler und eine verhältnismäßig breite Resonanzlinie, so daß die erzeugte Frequenz nicht exakt dem tatsächlichen Feldwert entspricht.

Aus diesem Grund wurden sogenannte Tandem-Magnetometer (s. Fig. 1) entwickelt, bei denen ein selbstoszillierendes Magnetometer mit einem weiteren, schmalbandigen, optischen Magnetometer gekoppelt ist. Ein solches Tandem-Magnetometer ist beispielsweise der Veröffentlichung von J.H. Allen et al in J. Geomagn. Geoelectr. 24, S. 105-125 (1972) zu ent¬ nehmen. Dieses Magnetometer erzeugt jedoch ein magnetisches Stδrfeld und beide Sensoren müssen entfernt voneinander angeordnet werden, was von großem Nachteil ist. Verwendet man dagegen eine Anordnung mit einem konventionellen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) wie zum Beispiel in der Publikation von E.B. Alexandrov et al. in OPTICAL ENGINEERING, April 1992, Vol. 31, No. 4 demonstriert, so führt das zu einem eingeschränkten dynamischen Verhalten und zu Problemen bei schnellen magnetischen Feldänderungen.

Es ist somit ausgehend von diesem Stand der Technik Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Signalgewinnung nach dem Prinzip optisch gepumpter Magneto¬ meter anzugeben, die mit einer kompakten Magnetometer-An¬ ordnung, die kein magnetisches Störfeld erzeugt, mit verringertem elektronischem Aufwand durchführbar bzw. betreibbar sind.

Diese Aufgabe wird durch Verfahren bzw. Vorrichtungen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung besteht im Prinzip darin, ein breitbandiges, selbstschwingendes Magnetometer als spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) zu verwenden. In einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird der breitbandige selbstschwingende Teil eines Tandem-Magnetometers so umgestaltet, daß dieser Teil wie ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) arbeitet. Dabei wird eine spannungsgesteuerte Phasenverschiebung verwendet, um die Frequenz des selbstschwingenden Magnetometers innerhalb eines Bereiches abzustimmen. In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung wird anstelle eines konventionellen VCO in der Anordnung nach Alexandrov et al. ein breitbandiges, selbst- schwingendes Magnetometer eingesetzt, das wie ein VCO arbeitet. Die Erfindung ermöglicht den Aufbau eines kompakten, störungs¬ freien Sensors.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Tandem-Magnetometer nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine weitere Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Tandem-Magnetometer nach dem Stand der Technik dargestellt, bei dem ein selbstschwingendes Cs- Magnetometer 10 mit einer schmalbandigen K-Absorptionszelle 20 gekoppelt ist. Mit der Gesamtanordnung soll die Stärke des umgebenden Magnetfeldes H gemessen werden. Im Prinzip wird die Ausgangsfrequenz des selbstschwingenden Magneto¬ meters entsprechend dem gyromagnetisehen Verhältnis der verwendeten Resonanz (für Rb, K = 2, für He = 8) vervielfacht und der Hochfrequenzspule des schmalbandigen Magnetometers

zugeführt. In der Absorptionszelle 20 wird mit Hilfe einer niederfrequenten Modulation die schmale Resonanzlinie derart abgetastet, daß ein Phasensignal erzeugt wird, dessen Stärke ein Maß für die Abweichung von der Resonanz ist. Dieses Verfahren wird in der bereits genannten Publikation von Allen et al. beschrieben. Das zu messende Magnetfeld wird dabei niederfrequent (hier 5 Hz) moduliert, indem eine Helmholtz- spule, deren Achse parallel zur Magnetfeldrichtung justiert wurde, von einem Niederfrequenzgenerator gespeist wird (21 in Fig. 1) Die Resonanzfrequenz wird mit Hilfe einer zum Magnetfeld senkrecht stehenden Spule der Absorptionszelle zugeführt. Je nachdem, ob die eingespeiste Resonanzfrequenz etwas über oder unter der tatsächlichen Resonanzfrequenz f ₀ liegt, erscheint hinter dem Verstärker (22 in Fig. 1) ein 5 Hz-Signal in Phase mit der Modulationsfrequenz oder entgegen¬ gesetzt (siehe Fig. 4 von Allen und Bender) .

Über den phasenempfindlichen Gleichrichter 23 wird durch Phasenvergleich eine elektrische Größe erzeugt, die dazu benutzt wird, die eingestreute Frequenz auf die Resonanz¬ frequenz fo zu halten. Im Falle der Fig. 1 wird die Helmholtzspule 12 von einem Strom durchflössen, der so groß ist, daß die doppelte Cs-Frequenz z.B. der Resonanz der K- Frequenz entspricht (= f ₀ ) . Das Störmagnetfeld wird von dieser Spule 12 erzeugt. In der Nähe dieser Spule kann man dann keine exakte Messung mehr durchführen.

Im einzelnen ist der Sensor 11 des selbstschwingenden Magnetometers mit seiner Achsenrichtung in 45°-Stellung zu der Richtung des äußeren Feldes angeordnet. Der Sensor befindet sich inmitten eines Helmholtz- Spulenpaares 12, mit dem das Magnetfeld und somit die Ausgangsfrequenz des selbstschwingenden Magnetometers variiert werden kann. Das Ausgangssignal der Photozelle des Sensors 11 wird in der üblichen Weise in einem Verstärker 13 verstärkt, um 90° phasenverschoben und der Hochfrequenzspule des Sensors zuge¬ führt.

Die Ausgangsfrequenz des selbstschwingenden Magnetometers wird zusätzlich in einem Frequenzvervielfacher 14 verdoppelt und der Hochfrequenzspule der K-Absorptionszelle 20 zugeführt. In einem zweiten Spulenpaar, parallel zur Richtung des zu messenden Feldes, wird mit Hilfe des Modulationsfrequenzgenerators 21 eine Modulation erzeugt und damit das Schmalbandsignal abgetastet. Das AusgangsSignal des Modulationsfrequenzgenerators 21 und das im Verstärker 22 verstärkte Ausgangssignal der Photozelle der K- Absorptions¬ zelle werden einem Phasenkomparator oder phasenempfindlichen Gleichrichter 23 zugeführt.

Je nach Abweichung der A sgangsfrequenz des selbstschwingenden Magnetometers von der schmalen Resonanzlinie erzeugt der Phasenkomparator ein positives oder negatives Signal und veranlaßt somit eine Stromerhöhung oder -erniedrigung des dem Helmholtz-Spulenpaar 12 zugeführten Stromes. Zwischen den Phasenkomparator 23 und dem Helmholtz-Spulenpaar 12 kann noch ein Tiefpass, ein Integrator oder ein Korrekturglied 24 geschaltet werden. Durch die Änderung des Gesamtmagnetfeldes am Ort des Sensors 11 wird die Ausgangsfrequenz des selbst- schwingenden Magnetometers erneut auf die schmale Resonanz- linie abgestimmt.

Da die Helmholtzspule 12 ein magnetisches Störfeld erzeugt, müssen beide Sensoren weit voneinander positioniert werden.

In Fig. 2 ist eine Ausfuhrungsform einer Magnetometer-Anord¬ nung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar¬ gestellt. Diese Anordnung erlaubt die Zusammenfassung der Cs- und K-Magnetometersensoren 31 und 32 in einem kompakten Meßkopf 30. Die Absorptionszelle des K-Magnetometersensors weist vorzugsweise eine sehr schmale Resonanzlinie (beispielsweise < 10 nT) auf. Das Ausgangssignal der Photo¬ zelle des K-Magnetometersensors 32 wird in einem Verstärker

33 verstärkt und einem ersten Eingang eines Phasenkomparators

34 zugeführt, auf dessen zweiten Eingang das Signal eines Modulationsfrequenzgenerators 35 gegeben wird.

Der Modulationsfrequenzgenerator 35 hat dieselbe Funktion wie derjenige in Fig. 1 mit dem Unterschied, daß gemäß Fig.

2 auf eine zusätzliche Modulationsspule zur Variation des Magnetfeldes verzichtet und stattdessen die Resonanzfrequenz frequenzmoduliert wird (z.B. niederfrequente Modulation mit rd, 5 Hz) . Das kann entweder mit dem Phasenstellglied 39 oder vorzugsweise mit dem Frequenzvervielfacher 38 (Ausbildung als PLL-Schleife) realisiert werden.

In dem selbstschwingenden Teil wird das Ausgangssignal der Photozelle des Cs-Magnetometersensors 31 dem Verstärker 37 zugeführt, dessen Ausgang mit der Hochfrequenzspule des Sensors 31 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers

37 wird in dem Frequenzvervielfacher 38 verdoppelt und der Hochfrequenzspule des schmalbandigen Sensors 32 zugeführt. Zuvor erfährt das Ausgangssignal des Verstärkers 37 jedoch eine Frequenzkorrektur in einem Frequenzkorrekturglied 39 durch das von dem Phasenkomparator 34 über das Integrator- /Korrekturglied 36 zugeführte Regelsignal.

Das erfinderische Prinzip besteht somit darin, den selbst¬ schwingenden Teil des Magnetometers so zu gestalten, daß er wie ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) arbeitet.

Die Bedingung zur Schwingungsentfachung eines selbst- schwingenden Magnetometers, bei dem das Signal der Photozelle verstärkt und zur Hochfrequenzspule zurückgeführt wird, besteht darin, daß dieser Kreis verlustfrei ist (Verstärkung: 1) und daß die Summe aller Phasenverschiebungen innerhalb des Kreises verschwindet. Falls beispielsweise die optische Achse des Sensors und die Achse der Hochfrequenzspule parallel ausgerichtet sind, so beträgt die optische Phasenverschiebung -90°, so daß die Summe der elektrischen Phasenverschiebungen

+90° betragen muß. Wird diese Bedingung wesentlich verletzt, erlischt das Signal. Durch bewußtes Abweichen von <f = ₊ 90° wird eine Frequenzverschiebung realisiert. Geringfügige Phasenfehler bewirken eine Frequenzverschiebung wie folgt:

Bezeichnet man mit *^ _κ die Phasenverschiebung im Sensor 31 (passiver Teil) und mit <fy die Phasenverschiebung im Verstärker 37, so gilt für die Schwingungsbedingung

f = κ ⁺ τ°V = 0 (1)

Nimmt man an, eine Störung im aktiven Teil (Verstärker 37) bewirke eine Störung ΔΨ , dann muß sich im frequenzbe¬ stimmenden Teil zwangsläufig eine Änderung Δψ -^ herausbilden, so daß wieder gilt

Das wird durch die Frequenzänderung

erreicht.

Mit (2) kombiniert ergibt sich:

Eine Phasenverschiebung im Verstärker 37 bewirkt also proportional eine Frequenzverschiebung, die nur von dem Faktor ist ein Maß für die Linienbreite der Resonanz. Durch bewußte Veränderung aller Parameter erreicht man sehr einfach eine breite Linie und somit eine wirksame Frequenzverschiebung mit Hilfe einer spannungsgesteuerten Phasenverschiebung. Die Helmholtzspulen 12 aus Fig. 1 können somit entfallen.

Die Vorteile dieser Anordnung sind folgende:

1. Der Aufbau eines kompakten Sensors ist möglich, der kein magnetisches Störfeld erzeugt.

2. Der elektronische Aufwand verringert sich erheblich.

3. Die trägheitslose Nachführung der Resonanzfrequenz infolge Magnetfeldänderungen ist gewährleistet, ebenso ein großer Dynamikbereich von 15 000 ... 120 000 nT. Es sind Reaktionszeiten von weniger als 1 ms erreichbar.

4. Es ist eine hohe Langzeitstabilität (unterhalb von 0,05 nT) erreichbar.

5. Es kann mit einer absoluten Genauigkeit von weniger als 0,05 nT gearbeitet werden.

6. Es werden keine magnetischen Störungen erzeugt, so daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in unmittelbarer Nähe mit weiteren Magnetometern gearbeitet werden kann.

Erfindungsgemäß können zum Beispiel Zellen ggf. unter

Anpassung der gyromagnetischen Verhältnisse wie folgt kombiniert werden:

Cs (b) - Cs/He(s) , Cs (b) - K(s), K(b) - K(s) ,

Cs (b) - Ru(s) , Ru(b) - Ru(s) , wobei "b" für breitbandig und

"s" für schmalbandig steht. Unter diesen Zellenkombinationen hat Cs-Cs/He den besonderen Vorteil, daß beide Zellen mit einer gemeinsamen Lichtquelle betrieben werden können.

Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Die gezeigte Anordnung ist im Prinzip aus der Publikation von E.B. Alexandrov et al . in OPTICAL ENGINEERING, April 1992, Vol. 31, No. 4, bekannt und wurde ursprünglich für den Einsatz von Kalium als Arbeitsmedium entwickelt. Das hier

skizzierte Magnetometer entspricht der selbstschwingenden Anordnung, d.h. die optische Achse der Absorptionszelle 40 und Magnetfeldrichtung stehen unter einem Winkel von 45° zueinander. Aufgrund der Linienstruktur des Kaliums ist es jedoch sehr schwierig, ein selbstschwingendes Magnetometer zu bauen.

Man bedient sich deshalb der folgenden Verfahrensweise. Das Kalium besitzt vier Resonanzlinien, wobei die Linie mit der größten Intensität je nach Art des Lichts (rechts/links zirkulär polarisiert) der kleinsten oder größten Resonanz¬ frequenz entspricht. Mit Hilfe eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 43 nähert man sich von unten oder oben der Resonanz der stärksten Linie. Bei Erreichen der Resonanz liefert der Photodiodenverstärker 41 genau die Resonanz¬ frequenz. Durch Phasenvergleich des Verstärkerausgangs mit der Frequenz des VCO durch den Phasenkomparator 42 produziert man eine Spannung zur Steuerung des VCO. Erfindungs- gemäß wird nun anstelle eines konventionellen VCO ein selbst¬ schwingendes Breitbandmagnetometer derart eingesetzt, daß es wie ein spannungsgesteuerter Oszillator arbeitet. Wie in der Ausführungsform nach der Fig. 2 wird also auch hier einem Phasenschieber des selbstschwingenden Magnetometers ein Korrektursignal zugeführt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 erzeugt der Komparator 42 das Korrektursignal und führt es dem Phasenschieber des selbstschwingenden Magnetometers zu. Mit dem Frequenzzähler 44 kann die Ausgangsfrequenz des selbstschwingenden Magnetometers gemessen werden. Es können dabei auch andere Arbeitsmedien als Kalium verwendet werden.

Mit dieser Anordnung wird ein verbessertes dynamisches Verhalten gegenüber der Anordnung von Alexandrov et al. erreicht.