Magnetometr Mx

Mx- magnetometr je nejběžnějším typem optického kvantového magnetometru pracujícího na pary alkalických kovů ( cesium , rubidium , draslík ).

Jak to funguje

Při pokojové teplotě je tepelná energie atomů mnohem větší než rozdíl energií základního stavu - , proto jsou podle Boltzmannovy distribuce populace všech úrovní stejné, viz schéma atomů rubidia Rb87. Když atomy interagují s optickým polem kruhové polarizace v atomovém plynu, vytvoří se nerovnovážné rozložení populace atomů na Zeemanových podúrovních základních stavů. V důsledku toho je atomový plyn polarizován a má magnetický moment . $kT$ $\Delta E$ $(kT\ll \Delta E)$ ${\displaystyle \sigma ^{+))$ $\mu$

Je známo, že magnetický moment umístěný v konstantním magnetickém poli začíná precesovat s frekvencí . Toto chování je popsáno pomocí Blochových rovnic . ${\displaystyle B_{o))$ $\omega _{L}=\gamma B_{o}$ $\mu$

V Mx-magnetometru se laserový paprsek šíří pod úhlem 45 stupňů vzhledem ke směru měřeného magnetického pole . Kromě pole se kolmo na něj aplikuje i malé oscilační pole . Toto pole vnucuje fázi atomů (spins) precessing kolem pole Bo na frekvenci magnetického momentu. Průmět magnetického momentu na směr šíření světla předcházející polarizace zůstane konstantní až do zapnutí pole . Zahrnutí tohoto pole povede ke změně populace mezi Zeemanovými podúrovněmi a v důsledku toho toto pole způsobí absorpční modulaci projekce magnetického momentu , který je zaznamenáván fotodetektorem, poté zesílen signálem. fáze je korigována fázovým posuvníkem a přiváděna do radiofrekvenční cívky. To vytváří pozitivní zpětnou vazbu. Po zachycení fáze signálu dosáhnou generování pole na frekvenci Larmorovy precese . Tato frekvence se měří pomocí frekvenčního měřiče a z její hodnoty se určí hodnota magnetického pole. ${\displaystyle B_{o))$ ${\displaystyle B_{o))$ $B_{RF}(t)$ $B_{RF}(t)$ $\omega _{L}$ $B_{RF}(t)$ $B_1$ $\omega _{L}$

Citlivost magnetometru

Citlivost $\delta B$ magnetometru je určena vztahem _ _ _ _ _ _ _ $\delta B={\frac {\kappa }{\gamma }}{\frac {N\Gamma }{S)),$ $\Gamma$ $S$ $\gamma$ $N$ $\tau$ $\kappa$

$\delta B^{short}=\kappa {\frac {\Gamma }{\gamma }}{\frac {\rho }{S}}{\frac {1}{\sqrt {2\pi \ tau }}}$

$\rho$ je hustota šumu výstřelu , V případě převahy kvantového šumu ve fotoproudu detektoru to vypadá takto:

$\delta B^{quant}={\frac {1}{\gamma }}{\frac {1}{\sqrt {N_{a}{T_{2}}\tau }}}$

$T_{2}$ je příčná relaxační doba polarizace atomu

Rezonanční světlo laseru (světelný zdroj) pumpuje atomy do úrovní základního stavu . Lineární polarizace laserového světla je převedena na kruhovou polarizaci pomocí fázové desky . Kvůli tomu se nerovnovážná populace Zeemanových podúrovní hromadí na úrovních s velkou projekcí hybnosti . Vektor šíření světla a směr měřeného magnetického pole jsou vůči sobě natočeny o úhel 45 stupňů (modrá šipka). Kolmo k poli se zapne vysokofrekvenční pole . Prostup světla procházejícího článkem je modulován tímto polem a zaznamenáván fotodiodou . $5S_{1/2},F=2$ $\lambda/4$ ${\displaystyle \sigma ^{+))$ $m_{F}$ ${\displaystyle B_{o))$ ${\displaystyle B_{o))$ $B_{RF}(t)$

K modulaci světla polem dochází v důsledku dvou procesů: v důsledku změny absorpce v důsledku přesunu populace z jedné Zeemanovy podúrovně do druhé a v důsledku modulace pravděpodobnosti interakce světla s atomem v důsledku vytvoření kvantové koherence mezi nimi. $B_{RF}(t)$

Šířka rezonance je určena různými relaxačními procesy [2] :

srážky s buněčnými stěnami, s molekulami tlumivých plynů a srážky atom-atom
rozšíření pole způsobené jak optickými, tak radiofrekvenčními poli;
konečný čas interakce s optickým polem, určený průchodem atomů průřezem optického pole

Poznámky

↑ S. Groeger, G. Bison, J.-L. Schenker, R. Wynands a A. Weis, Eur. Phys. J. D 38, 239-247 (2006), DOI: 10.1140/epjd/e2006-00037-y
↑ A. K. Vershovsky, Nové kvantové radiooptické systémy a metody měření slabých magnetických polí, disertační práce pro titul doktora fyzikálních a matematických věd, Ústav. A. F. Ioffe, Petrohrad, 2007

Literatura

Georg Bison, Vývoj optického kardiomagnetometru, kapitola 2. Optimalizace a výkon optického kardiomagnetometru, der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen FakultÄat der Universitäat Freiburg in der Schweiz, Nummer der Dissertation: 1450 UniversitÄatsdruckerei Freiburg, 2000
D. Budker, W. Gavlik, DF Kimball, SM Rochester, VV Yashuchuk a A. Weis, Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms, Review of Modern Physics, V. 74 1153–1201 (2002)
Dmitry Budker a Michael Romalis, Optická magnetometrie, Fyzika přírody, v.3 227–234 (2007)
S. Groeger, G. Bison, J.-L. Schenker. R. Wynands a A. Weis, Vysoce citlivý laserem čerpaný magnetometr Mx, Eur. Phys. J. D, v. 38, 239-247 (2006)
optická magnetometrie. redakce: Dmitry Budker, Derek F. Jackson Kimball,

Cambridge University Press, VYDÁNO: duben 2013, ISBN 9781107010352