DE102010020863A1 - Arrangement for noise reduction in optical magnetometer, has photodetector staying in connection with frequency generator, where output signal is supplied to photodetector, and alkali vapor cell subjected to magnetic alternating field - Google Patents
Arrangement for noise reduction in optical magnetometer, has photodetector staying in connection with frequency generator, where output signal is supplied to photodetector, and alkali vapor cell subjected to magnetic alternating field Download PDFInfo
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Abstract
Description
Bei optischen Magnetometern wird der Dampf von Alkaliatomen mit polarisiertem Licht optisch gepumpt, so dass die Spins der Valenzelektronen ausgerichtet werden. Ein äußeres Magnetfeld B0 bewirkt eine Präzession der Spins um die Magnetfeldrichtung mit der Larmor-Frequenz fL bzw. eine Aufspaltung der Energieniveaus des Elektrons in Zeeman-Niveaus. Durch ein zusätzliches Wechselfeld B1, dessen Frequenz an die Larmor-Frequenz bzw. die Energiedifferenz der Zeeman-Niveaus angepasst wird, kann das zu messende Magnetfeld B0 bestimmt werden, da Larmor-Frequenz fL und Magnetfeld B0 über den gyromagnetischen Faktor γ, eine Materialkonstante, durch fL = γ·B0 miteinander verknüpft sind. Um die Präzessionsfrequenz zu messen, wird der Photostrom eines Photoempfängers ausgewertet, auf den das Pumplicht nach Durchtritt durch den Alkalidampf, nun teilweise moduliert mit der Präzessionsfrequenz, auftrifft.In optical magnetometers, the vapor of alkali atoms is optically pumped with polarized light so that the spins of the valence electrons are aligned. An external magnetic field B 0 causes a precession of the spins about the magnetic field direction with the Larmor frequency f L or a splitting of the energy levels of the electron in Zeeman levels. By an additional alternating field B 1 , the frequency of which is adapted to the Larmor frequency or the energy difference of the Zeeman levels, the magnetic field B 0 to be measured can be determined, since Larmor frequency f L and magnetic field B 0 via the gyromagnetic factor γ , a material constant, are linked by f L = γ · B 0 . To measure the precession frequency, the photocurrent of a photoreceiver is evaluated on which the pumping light hits after passing through the alkali vapor, now partially modulated with the precession frequency.
Dem Messsignal ist eine Reihe von Rauschbeiträgen überlagert, welche die mögliche Magnetfeldauflösung des optischen Magnetometers einschränken.the Measuring signal is superimposed on a number of noise contributions, which the possible magnetic field resolution of the optical Restrict magnetometer.
Die ultimative Rauschbegrenzung der Magnetfeldmessung ist durch das Schrotrauschen des Photoempfängers gegeben, das der Anzahl der auftreffenden Photonen, also dem Photostrom proportional ist. Diese schrotrauschbegrenzte Auflösung wird oft als die intrinsische Auflösung des optischen Magnetometers bezeichnet und stellt den theoretischen oder unter idealen Messbedingungen erreichbaren Wert dar. Im praktischen Einsatz wird die Magnetfeldauflösung aber durch zusätzliche Rauschquellen verschlechtert.The Ultimate noise limitation of magnetic field measurement is due to the Shot noise of the photoreceptor given that of the number the incident photons, so the photocurrent is proportional. This shot noise limited resolution is often called the termed intrinsic resolution of the optical magnetometer and represents the theoretical or under ideal measuring conditions achievable value. In practical use, the magnetic field resolution but worsened by additional noise sources.
Zwei
Quellen tragen im praktischen Einsatz wesentlich zum Rauschen bei.
Dies sind das Rauschen der Pumplichtquelle (einer Gasentladungslampe
oder heutzutage meist eines auf die Pumpwellenlänge abzustimmenden
Lasers) und das Rauschen des Magnetfeldes. Die beiden Quellen tragen
auf verschiedene Weise ihr Rauschen in das Messsignal ein. Das Magnetfeld
und damit auch dessen Rauschen wird mit der Lamorfrequenz gemischt
und findet sich um diese Frequenz wieder. Die Pumplichtquelle trägt
ihr Rauschen zusätzlich in diesen Frequenzbereich ein.
Dies führt zu einer merklichen Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses
gegenüber dem idealen, allein schrotrauschbegrenzten Wert
im Bereich der Lamorfrequenz. Nach einer Demodulierung der Signale
finden sich beide Rauschbeiträge im Frequenzbereich der
zu messenden Magnetfelder wieder. Vorstehende Probleme sind ausführlich
untersucht und erläutert in den Arbeiten
In allen bekannten Realisierungen optischer Magnetometer ist die im praktischen Einsatz erreichte rauschbegrenzte Magnetfeldauflösung deutlich schlechter als der intrinsische, schrotrauschbegrenzte Wert. Dies wird durch Rauschen der Lichtquelle und des Magnetfeldes hervorgerufen.In In all known realizations of optical magnetometers is the in Practical application achieved noise-limited magnetic field resolution significantly worse than the intrinsic, schrotrauschbegrenzte Value. This is due to noise of the light source and the magnetic field caused.
Der
Einfluss des Pumplichtrauschens ist prinzipiell eliminierbar, erfordert
aber dafür einen großen Aufwand bei der Stabilisierung
der Lichtquelle, den man gern vermeiden möchte. Das Magnetfeld enthält
immer Fluktuationen, die über die Frequenzmischung an der
Larmorfrequenz dem Messsignal überlagert sind. Dies gilt
sowohl für das natürliche Erdfeld als auch künstlich
erzeugte Magnetfelder mittels Spulensystemen. Entsprechend
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einfluss des Rauschens der Pumplichtquelle und, bei entsprechendem Schaltungsaufbau, des Magnetfelds auf die rauschbegrenzte Magnetfeldauflösung von optischen Magnetometern zu verringern und dem intrinsischen, schrotrauschbegrenzten Wert anzunähern.Of the Invention is based on the object, the influence of noise the pump light source and, with appropriate circuitry, the magnetic field on the noise-limited magnetic field resolution of optical Magnetometers and the intrinsic, schrotrauschbegrenzten Approximate value.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte und weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche.The The object of the invention is characterized by the characterizing features of Claim 1 solved. Advantageous and further embodiments are the subject of the subordinate claims.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass bei Verwendung eines an sich bekannten optischen Magnetometers, mit den an sich dort üblichen Baugruppen, die Anordnung erfindungsgemäß dahingehend verändert ausgeführt ist, dass von der gleichen Lichtquelle, neben der üblichen Alkalidampfzelle eines Magnetometers, eine zweite Alkalidampfzelle mit Licht beaufschlagt wird, die einem dem Magnetometer parallelen Zweig zugeordnet ist, wobei diese zweite Alkalidampfzelle einem von die ersten Alkalidampfzelle des Magnetometers erfassenden Magnetfeld abweichendem Magnetfeld ausgesetzt ist, und welcher ebenfalls ein Photodetektor nachgeordnet ist und die verstärkten Signale des ersten Photodetektors und des zweiten Photodetektors unmittelbar anschließend einem elektronischen Differenzbildner zugeführt werden und erst danach dessen Ausgangssignal auf den diesem Magnetometer zugeordneten Phasendetektor zugeführt wird, der mit einem Frequenzgenerator in Verbindung steht, welcher die Alkalidampfzelle des Magnetometers mit einem definiert einstellbaren magnetischen Wechselfeld beaufschlagt. In einer speziellen Ausführung der Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, den als Referenzweg dienenden zweiten Zweig der Anordnung, unter ansonsten gleicher vorstehend beschriebener Anordnung, ebenfalls als Magnetometer zu gestalten, was in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher beschrieben wird.The essence of the invention is that when using a known optical magnetometer, with the usual per se assemblies there, the arrangement according to the invention changed to the effect that of the same light source, in addition to the usual alkali vapor cell of a magnetometer, a second alkali vapor cell with Light is applied, which is associated with a branch parallel to the magnetometer, said second alkali vapor cell is exposed to one of the first Alkalidampfzelle the magnetometer magnetic field deviating magnetic field, and which is also a photodetector and the amplified signals of the first photodetector and the second photodetector directly are then fed to an electronic difference former and only then its output signal is supplied to the magnetometer associated with this phase detector, which is in communication with a frequency generator, wel cher the alkali metal vapor cell of the magnetometer with a defined adjustable magnetic alternating field applied. In a special embodiment of the invention, it is further proposed that the second branch of the arrangement serving as the reference path, with the otherwise identical arrangement described above, also be designed as a magnetometer, which will be described in more detail in the following exemplary embodiments.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to embodiments be explained in more detail. Show it:
Die erfindungsgemäß weiter unten vorgeschlagenen Anordnungen bauen auf diesem bekannten Gradiometerprinzip auf. Ein solches Gradiometer verwendet zwei optische Magnetometer, die an unterschiedlicher Stelle im zu messenden Magnetfeld angeordnet sind und deren Ausgangssignale subtrahiert werden. Auf diese Weise werden gleiche Werte des Magnetfeldes, die an den Orten der beiden Magnetometer vorliegen, eliminiert und nur Unterschiede detektiert. Dies gilt allerdings nur für die direkt gemessenen Werte des Magnetfeldes. Die Rauschbeiträge vom Pumplicht, die von Wellenlängenschwankungen der Strahlungsquelle hervorgerufen werden, bleiben im Signal erhalten. Dieses wird erst bei der Absorption in der Alkalidampfzelle in Amplitudenrauschen umgewandelt, das danach bei verschiedenen Zellen nicht mehr korreliert ist, also nicht mehr durch die Subtraktion der Magnetometersignale eliminiert werden kann und die Auflösung verschlechtert.The According to the invention proposed below arrangements build on this famous gradiometer principle. Such a gradiometer is used two optical magnetometers in different places in the are arranged measuring magnetic field and subtracted their output signals become. In this way, same values of the magnetic field, the present at the locations of the two magnetometers, eliminated and only Differences detected. This is true only for the directly measured values of the magnetic field. The noise contributions from the pump light, by wavelength fluctuations of the radiation source caused, remain in the signal received. This is only in the absorption in the alkali vapor cell in amplitude noise which then no longer correlates with different cells is, so no longer by the subtraction of the magnetometer signals can be eliminated and the resolution deteriorates.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke zugrunde, vor der Demodulierung der mit der Larmorfrequenz gemischten Signale die beiden Photosignale voneinander zu subtrahieren. Auf diese Weise wird auch ein Großteil der auf den Photodiodensignalen liegenden Fluktuationen des Photostromes, die vom Rauschen des Pumplichts herrühren, eliminiert. Danach verwenden beide Auswerteelektroniken dieses gemeinsame Differenzsignal.Of the inventive solution is the idea underlying, before the demodulation of the mixed with the Larmorfrequenz Signals to subtract the two photosignals from each other. On This way, much of the on the photodiode signals lying fluctuations of the photocurrent, the noise of the pump light come, eliminated. Then use both evaluation electronics this common difference signal.
In
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in
Eine
weitere grundsätzliche Möglichkeit zur Schaffung
eines rauschkompensierten optischen Magnetometers ist in
Für
vorstehendes Beispiel zeigt
In
der bei Gradiometern üblichen nachfolgenden Differenzbildung
Bei
der neuen erfindungsgemäßen Anordnung gemäß
Damit die Separation zweier Larmorfrequenzen aus einem gemeinsamen Photosignal gewährleistet ist, müssen die Larmorfrequenzen soweit auseinander liegen, dass zwei Bedingungen erfüllt sind: Zum einen müssen die Peaks des gemeinsamen Photosignals von den einzelnen Elektroniken getrennt aufgelöst werden können. Bei Peakbreiten von 10 Hz beispielsweise sollte der Mindestabstand also 20 Hz betragen. Zum anderen muss gewährleistet sein, dass im Messfeld auftretende Gradienten nicht zu einer Zusammenführung der Larmorfrequenzen führen. Erwartet man also beispielsweise Gradienten von maximal 30 nT, so werden entsprechend der Relation fL = γ·B0 z. B. bei Cäsium als Alkalidampf mit seinem gyromagnetischen Faktor von 3,5 kHz/μT die Larmorfrequenzen 100 Hz verschoben sein. Diesen Abstand muss man dann also zusätzlich mindestens vorhalten.To ensure the separation of two Larmor frequencies from a common photo signal, the Larmor frequencies must be far enough apart that two conditions are met: Firstly, the peaks of the common photo signal must be able to be resolved separately from the individual electronics. For example, with peak widths of 10 Hz, the minimum distance should be 20 Hz. On the other hand, it must be ensured that gradients occurring in the measuring field do not lead to a combination of the Larmor frequencies. If, for example, one expects gradients of a maximum of 30 nT, then according to the relation f L = γ · B 0 z. B. in cesium as alkali vapor with its gyromagnetic factor of 3.5 kHz / μT Larmorfrequenzen 100 Hz be moved. In addition, you must at least maintain this distance.
Nachfolgend werden einige Möglichkeiten zur Erzeugung dieses Magnetfeldunterschiedes beispielhaft vorgestellt:Below are some options to generate this magnetic field difference exemplified:
-
– In der Nähe eines der beiden
Magnetometer (in
4 ist dies die Zelle2b ) wird eine geringe Menge von Material angebracht, das entweder einen eigenen Magnetismus aufweist oder das äußere Magnetfeld entweder verdrängt oder fokussiert. Im ersten Fall (bspw. Einsatz eines Permanentmagneten) wird ein konstanter Beitrag zum äußeren Feld addiert, im zweiten Fall wird ein Teil des äußeren Magnetfeldes zusätzlich zur Alkalidampfzelle hin oder von ihr weg gelenkt. In jeder dieser Realisierungsvarianten wird das resultierende Magnetfeld an der Zelle davon abhängig sein, wie das äußere Magnetfeld B0 zur Zelle orientiert ist, da sich die einzelnen Magnetfelder vektoriell addieren und sich daher die Resultierende mit unterschiedlicher Lage der Einzelfelder zueinander verändert. Diese Lösung ist daher bevorzugt für Anordnungen geeignet, die eine feste Orientierung gegenüber dem Erdfeld oder einem künstlich erzeugten Messfeld haben, also für stationäre Messsysteme.- Near one of the two magnetometers (in4 this is the cell2 B ), a small amount of material is applied which either has its own magnetism or either displaces or focuses the external magnetic field. In the first case (for example use of a permanent magnet), a constant contribution to the external field is added, in the second case a part of the external magnetic field is directed in addition to or away from the alkali vapor cell. In each of these implementation variants, the resulting magnetic field at the cell will depend on how the external magnetic field B 0 is oriented to the cell, since the individual magnetic fields add up vectorally and therefore the resultant changes with different position of the individual fields relative to one another. This solution is therefore preferably suitable for arrangements which have a fixed orientation relative to the earth's field or an artificially generated measuring field, that is to say for stationary measuring systems. -
– Das zusätzliche Feld für eine der
beiden Zellen (
2a oder2b in4 ) kann durch eine stromdurchflossene Spule in der Nähe dieser Zelle erzeugt werden. Nachteilig hieran ist jedoch, dass dann das Rauschen des Stromes auf die Magnetometerzelle aufgeprägt wird. Diesen Nachteil kann man weitestgehend vermeiden, wenn man beide Zellen mit Spulen versieht, die vom gleichen Strom durchflossen werden, aber so geringfügig unterschiedlich ausgelegt sind, dass die geforderte Differenz der Magnetfelder realisiert wird. Ebenso kann für beide Magnetometer ein gemeinsames Feld erzeugt werden, das einen leichten Gradienten aufweist. Ebenso im Rahmen der Erfindung liegt, eine der beiden Spulen zusätzlich mit einem definierten Gleichstromanteil zu beaufschlagen. Auch diese Anordnungen benötigen eine feste Orientierung gegenüber dem äußeren Magnetfeld, sind also für stationäre Messsysteme geeignet.- The additional field for one of the two cells (2a or2 B in4 ) can be generated by a current-carrying coil in the vicinity of this cell. The disadvantage here, however, is that then the noise of the current is impressed on the magnetometer cell. This disadvantage can be largely avoided if you provide both cells with coils that are traversed by the same stream, but are designed so slightly different that the required difference of the magnetic fields is realized. Likewise, a common field can be generated for both magnetometers, which has a slight gradient. It is also within the scope of the invention to apply one of the two coils additionally with a defined DC component. These arrangements also require a fixed orientation with respect to the external magnetic field, so they are suitable for stationary measuring systems. - – Eine richtungsunabhängige Erzeugung leicht unterschiedlicher Felder kann man weiterhin erreichen, wenn eine der beiden Alkalidampfzellen von einem hier nicht dargestellten Hohlkörper (bspw. einer Kugel) umhüllt wird, die mit einem Material versehen ist, welches das Magnetfeld geringfügig dämpft. Dafür geeignet hat sich ein Mn-Zn-Ferrit-Pulver erwiesen. Der Dämpfungsfaktor kann über die Materialauswahl und Dicke eingestellt werden.- A direction independent generation slightly different Fields can still be reached if one of the two alkali steam cells of a hollow body (not shown here, for example, a Ball), which is provided with a material, which slightly attenuates the magnetic field. Therefore a Mn-Zn ferrite powder has proved suitable. The damping factor can be set via the material selection and thickness.
Die Vorteile und die einfache Art der Realisierung von Lösungen, gemäß vorliegender Aufgabenstellung, werden besonders deutlich, wenn man rückschauend dazu einen Vergleich mit bekannten Detaillösungen nach dem Stand der Technik vornimmt.The Advantages and the simple way of realization of solutions, according to the present task, become special clearly, if you look back to a comparison with known detailed solutions according to the prior art makes.
Die
Subtraktion der Photoströme nach den Alkalidampfzellen,
wie in vorliegender Erfindung vorgeschlagen, ist dem bekannten Stand
der Technik nicht zu entnehmen. Es sind nur Lösungen zur
Minderung des Rauschens der Strahlungsquelle allein bekannt, realisiert
durch zwei zueinander balancierte Photoempfänger:
Auch
die Methoden zur gezielten Einstellung der geforderten unterschiedlichen
Magnetfelder sind so und für den vorgesehenen Verwendungszweck dem
bekannten Stand der Technik nicht entnehmbar. Der Einsatz magnetischer
Materialien zur Führung magnetischer Flusslinien ist zwar
grundsätzlich bekannt (z. B.
Die erfindungsgemäße Anordnung verwendet bevorzugt mindestens zwei optische Magnetometer, die mit der gleichen Quelle gepumpt werden, nämlich einer Gasentladungslampe, gefüllt mit dem gleichen Material wie die Alkalidampfzellen, oder einen Laser, dessen Wellenlänge entsprechend abgestimmt ist. Die Signale von jeweils zwei wie beschrieben nachgeordneten Photoempfängern werden subtrahiert und in den nachfolgenden Elektroniken wiederum separat ausgewertet. Diese Magnetometersignale können bereits separat ausgegeben werden. Man erhält so Signale mit deutlich geringerem weißem Rauschen als dies bei Magnetometern ohne die erfindungsgemäße Subtraktion der Photodiodensignale am vorgeschlagenen Ort innerhalb der Anordnung der Fall ist. Werden die Ausgangssignale der beiden Magnetometer zusätzlich noch subtrahiert, also ein Gradiometer gebildet, wird auch das niederfrequente Rauschen des Magnetfeldes erheblich verringert.The arrangement according to the invention preferably uses at least two optical magnetometers which are pumped with the same source, namely a gas discharge lamp filled with the same material as the alkali vapor cells, or a laser whose wavelength is correspondingly adjusted. The signals from two downstream photoreceivers as described are subtracted and in turn evaluated separately in the subsequent electronics. These magnetometer signals can already be output separately. This gives signals with significantly less white noise than is the case with magnetometers without the inventive subtraction of the photodiode signals at the proposed location within the arrangement. If the output signals of the two magnetometers additionally subtracted, so formed a gradiometer, and the low-frequency noise of the magnetic field is considerably ver Ringert.
Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Methoden einer Phasensynchronisation bekannt, nämlich die Mx- und Mz-Methode, bei der ein Wechselfeld B1 eingesetzt wird, dessen Frequenz an die Larmor-Frequenz angepasst wird, die Nichtlineare Magneto-Optische Rotation (NMOR) und die Bell-Bloom-Methode, bei denen die Amplitude des Pumplichts mit der Larmor-Frequenz moduliert wird. Um die Präzessionsfrequenz zu messen, wird der Photostrom eines Photoempfängers ausgewertet, auf den das Pumplicht nach Durchtritt durch den Alkalidampf, nun bis zu einem gewissen Anteil mit der Larmor-Frequenz moduliert, auftrifft. Die erfindungsgemäße Anordnung für die Rauschminderung ist unabhängig von vorstehenden Methoden für diese Modulation und Demodulation einsetzbar. Der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber wurde in Vorstehendem, ohne die Erfindung daraus zu beschränken, nur die Mx-Methode beispielhaft gewählt. Hier ist eine gängige Methode für die Demodulation der Magnetfeldinformation vom Frequenzbereich um die Larmor-Frequenz zu den originalen Frequenzen, einen Lock-in-Verstärker als Phasendetektor einzusetzen und den Generator für die Referenzfrequenz auf die Larmor-Frequenz abzustimmen. Alternative andere technische Umsetzungen der erfindungsgemäßen Grundidee liegen für den Fachmann auf der Hand.According to the prior art, various methods of phase synchronization are known, namely the M x and M z methods, in which an alternating field B 1 is used whose frequency is adapted to the Larmor frequency, the non-linear magneto-optical rotation (NMOR ) and the Bell Bloom method, in which the amplitude of the pump light is modulated with the Larmor frequency. To measure the precession frequency, the photocurrent of a photoreceiver is evaluated, to which the pumping light after passing through the alkali vapor, now modulated to a certain extent with the Larmor frequency impinges. The arrangement according to the invention for noise reduction can be used independently of the above methods for this modulation and demodulation. For simplicity and clarity, in the foregoing, without limiting the invention thereof, only the M x method has been exemplified. Here is a common method for demodulating the magnetic field information from the frequency range around the Larmor frequency to the original frequencies, using a lock-in amplifier as the phase detector, and tuning the reference frequency generator to the Larmor frequency. Alternative other technical implementations of the basic idea according to the invention are obvious to the person skilled in the art.
- 11
- Lichtquellelight source
- 2a, 2b2a, 2 B
- AlkalidampfzellenAlkali vapor cell
- 33
- Alkalidampfzelle im ReferenzwegAlkali vapor cell in the reference path
- 3a3a
- Photodetektor im Referenzwegphotodetector in the reference path
- 4a, 4b4a, 4b
- Photodetektorenphotodetectors
- 5, 5a, 5b5, 5a, 5b
- elektronische Differenzbildnerelectronic differentiator
- 6a, 6b6a, 6b
- Phasendetektorenphase detectors
- 7a, 7b7a, 7b
- Frequenzgeneratorenfrequency generators
- 88th
- weiterer elektronischer DifferenzbildnerAnother electronic subtractor
- B1 (1), B1 (2) B 1 (1) , B 1 (2)
- magnetische Wechselfeldermagnetic alternating fields
- ΔB0 ΔB 0
- statisches äußeres Magnetfeldstatic outside magnetic field
- M1, M2 M 1 , M 2
- Magnetometermagnetometer
- GG
- Gradiometergradiometer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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