- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ...................................................... 5
ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ ИЗОТОПОВ ГЕЛИЯ 14 § 1.1. Энергетические уровни изотопов гелия и
спектральные линии, используемые в методе
оптической ориентации................................. ^
§ 1.1 Л. Уровни и спектр*!) - линии%1е....................... 14
§ 1.1.2. Уровни и спектр Ф - линии%е................... 16
§ 1.2. Методы описания оптической ориентации атомов.. 17 § 1.2.1. Уравнения баланса населенностей и вероят-
• ности переходов............................... 17
§ 1.2.2* Феноменологическая теория оптической ориентации атомов....................................... 23
§ 1.3. Перемешивание Р -состояний и выбор модели
оптической ориентации атомов ................... 27
о
§ 1.4. Оптическая ориентация атомов Не................. 32
§ 1.4.1. Определение параметра ориентации <СР°^> и
времени накачки чГр ........................ 32
о
§ 1.4.2. Учет релаксационных процессов Не........... 34
§ 1.4.3. Оценка степени приближения феноменологической теории............................................. 37
§ 1.5. Оптическая ориентация атомов ^Не................ 38
§ 1.5.1. Определение параметра ориентации <Св°^>и
времени накачки Тр............................ 38
§ 1.5.2. Учет релаксационных процессов ^Не............. 43
§ 1.6. Выбор методики наблюдения оптических сигналов 44
ШВОДЫ К ГЛАВЕ I ............................................. 51
ГЛАВА 2. ТЕОРИЯ ПОПЕРЕЧНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ В
ПОСТОЯННОМ И МОДЕЛИРУЮЩИХ ПОЛЯХ.................... 52
§ 2.1. Эффект Ханле на изотопах гелия ................. 52
- З -
§ 2.1 Л. Эффект Ханле на %е .............................. 52
§ 2.1.2. Эффект Ханле на %е .............................. 55
§ 2.2. Параметрический резонанс в одном моделирующем
і
поле ............................................... 60
§ 2.2.1. Параметрический резонанс на ^Не и его применение для изучения релаксации ................................60
О
§ 2.2.2. Параметрический резонанс на Не и его применение для изучения кинетики оптической ори -ентации ..................................................... 65
О
§ 2.2.3. Влияние циркуляции когерентности в Не на
параметрический резонанс ...........................69
§ 2.3. Параметрический резонанс в двух модулирующих
полях............................................... 73
§ 2.3.1. Особенности параметрического резонанса
на %іе .......................................... 73
о
§ 2.3.2. Параметрический резонанс на Не.................80
§ 2.4. Параметрический резонанс в трех модулирующих
полях ................................................83
§ 2.4.1. Односпиновая система ........................... 83
§ 2.4.2. Трехспиновая система ............................. 90
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2 ...............................................94
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И РЕЗУЛЬТАТЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ.............................................96
§ 3.1. Экспериментальная установка и методика
измерений ............................................96
§ 3.1 Л. Экспериментальная установка........................96
§ 3.1.2. Методика измерений ..............................Г'05
§ 3.2. Исследование релаксации в ^Не с помощью
параметрического резонанса ........................107
§ 3.3. Исследование параметрического резонанса
на %е................................................114
- 4 -
§ 3.3.1. Изучение кинетики оптической накачки Л4
§ 3.3.2. Влияние циркуляции когерентности на параме -
трический резонанс ............................... ЇЧ9
§ 3.4. Параметрический резонанс в 4Не в двух модули -
рующих полях ....................................... Ї20
§ 3.5. Влияние неоднородности поля на эффект Ханле
в % ................................................-137
ВЫВОДЫ К ГЛАШ 3 ................................................/147
ГЛАВА 4. ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО
РЕЗОНАНСА В ГЕОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ................ !149
§4.1. Перспективы применения высокочувствительных
и /I
квантовых магнитометров ............................ 149
§ 4.2. Компонентный квантовый геомагнитометр с компен-
4 1' 1
сатором Ханле на Не ................................ 150
§ 4.3. Компонентный квантовый магнитометр с компенса -
з I'
тором Ханле на Не .................................. 153
§ 4.4. Компонентный квантовый магнитометр, использующий
боковые сигналы параметрического резонанса ......... 156
ВЫВОДЫ К ГЛАШ 4 ..................................................Ї60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................... 161
ПРИЛОЖЕНИЯ I. Цилиндрический магнитный экран ...................-164
2. Методика изготовления гелиевых ячеек и спектральных ламп ................................ 168
3. Датчик гелиевого магнитометра .................. 172
4. Определение оптимального давления
в ячейке с 4Не .................................475
СПИСОК ОСНОВНОЙ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ....................... І79
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Современный уровень развития науки и техники требует создания новых типов аппаратуры для регистрации физических полей.
Не затрагивая все области физических исследований, рассмотрим на примере геофизики требования к магниточувствительной аппара -туре.
В настоящее время практически все промышленные районы страны, в связи с интенсификацией производства и введением новых мощностей, нуждаются в дальнейшем наращивании добычи минерального сырья для промышленности. Месторождения Уральского региона, расположенные вблизи поверхности (200-300 м), вырабатываются, и приходится перебрасывать сырье из развивающихся районов Западно-Сибирского топливноэнергетического комплекса. В то же время геологическое строение Урала позволяет сделать положительные прог -нозы о наличии на большей (более 1000 м) глубине значительных запасов полезных ископаемых.
Существующие методы магниторазведки и аппаратура не позво -ляют достаточно эффективно решать задачи, связанные с поиском и оценкой запасов глубокозалегающих полезных ископаемых. Используемые в настоящее время геомагнитометры, имея достаточную чувствительность (до 0,01 нТл), позволяют измерять только модуль геомагнитного поля, что существенно сужает объем геофизической информации по сравнению с компонентными измерениями, а существующие компонентные геомагнитометры (оптико-механические и феррозондовые) либо имеют недостаточную чувствительность (порядка I нТл), либо при высокой (0,1 нТл) чувствительности обладают существенной нестабильностью магниточувствительных элементов. Исключение составляют магнитометры, использующие эффект сверхпроводимости, однако, их практическое использование встречает ряд трудностей, связанных
- 6 -
с тем, что магниточувствительный элемент работает при температуре жидкого гелия ~4°К.
Таким образом, для увеличения глубинности и повышения информативности методов магниторазведки необходимо создание качественно новой магнитометрической аппаратуры, которая позволила бы осуществлять компонентные измерения при достаточно высокой чувствительности, свойственной модульным измерениям.
Наличие такой аппаратуры позволило бы проводить новые виды геомагнитных исследований /31/, недоступные для существующих приборов. Сюда можно отнести исследования сейсмомагнитных эффектов /36/, связанных с изменением статического давления в геологичес -ких структурах,и, в связи с этим, выявление предвестников землетрясений, исследования современных тектонических процессов в земной коре /37/, поскольку они могут вызывать изменения локального геомагнитного поля, исследования природы магнитных аномалий по особенностям временных вариаций геомагнитного поля /26/ и т.д.
Необходимость создания новой магнитометрической аппаратуры вызывается также интенсивно развивающейся в последнее время разведкой континентального шельфа и океанической коры.
Первым этапом в решении этой проблемы можно считать работы Александрова Ё.Б. и др. /2,3/, в которых показана возможность высокоточных измерений модуля и направления слабого магнитного поля с помощью эффекта Ханле. Вскоре была открыта модификация этого эффекта - |?параметрический резонанс", который и стал предметом настоящего исследования с целью выяснения возможностей его ис -пользования для решения описанной выше проблемы. Эффект проявляется в резонансном изменении поглощения света оптически ориентированными атомами при изменении поперечного внешнего магнитного поля вблизи нулевой величины. При отсутствии модулирующих полей этот эффект был назван "эффектом Ханле" для основного состояния, поскольку он является аналогом известного ранее "эффекта Ханле"
для возбужденного состояния, названного по имени немецкого физика Ханле В. который в 1924 году открыл явление силь-
ной деполяризации резонансного света, рассеянного атомами при наложении внешнего магнитного поля. Наиболее полно история откры -тия, интерпретация и применения эффекта описаны в обзоре /19/.
На основе "параметрического резонанса" уже в 1971 году во Франции были разработаны магнитометры /39, 42/, позволяющие измерять три компоненты слабого магнитного поля. В качестве рабочего вещества в этих магнитометрах использовались пары рубидия. Позд -нее в Советском Союзе были разработаны аналогичные магнитометры, использующие в качестве рабочего вещества пары цезия /8/ и газ %е /17/. В советской литературе эти магнитометры получили на -звание "Ханле-магнитометры".
К сожалению, диапазон работы этих магнитометров лежит в области слабых полей, не превышающих 10 нТл для рубидия и цезия и 1 100 нТл для %е, поэтому они обычно используются для измерения остаточных полей и магнетизма различных слабомагнитных объектов. Их применение в геофизических исследованиях может ограничиться лишь измерением остаточной намагниченности геологических образ -цов. В настоящей работе проведены исследования, позволяющие расширить диапазон работы Ханле-магнитометров на область геомагнитного поля.
Ханле-магнитометры, использующие в качестве рабочего веще -ства пары щелочных металлов ( С$ , ), имеют существенные недо-
статки. Во-первых, резонансная ячейка требует термостатирования при рабочей температуре с точностью до 0,01°С, что усложняет конструкцию и эксплуатацию прибора. Во-вторых, чрезвычайно малая ширина линии Ханле в этих веществах приводит к тому, что пороги чувствительности при одновременном измерении компонент поля отличаются больше, чем на порядок. В настоящей работе показано, что
- 8 -
использование в магнитометрах ^Не позволяет устранить этот не -достаток.
Метод оптической ориентации атомов, используемый в настоящей работе, достаточно полно изучен и описан в монографии /21/.
Цель настоящей работы - теоретическое и экспериментальное исследование параметрического резонанса на изотопах гелия и изучение возможностей использования этого эффекта для построения высокочувствительных компонентных геомагнитометров.
Актуальность темы определяется необходимостью введения в практику геофизических исследований высокоточных компонентных измерений геомагнитного поля.
Научная новизна. Проведено теоретическое и эксперименталь -ное исследование параметрического резонанса в односпиновых (%е)
о
и многоспиновых (Не) системах. В случае одного модулирующего поля установлена ясвзь наблюдаемой ширины резонансной линии с ин -тенсивностями релаксационных и спин-обменных процессов на основе точного измерения ширины наблюдаемой резонансной линии при варьировании интенсивности света накачки и свечения резонансной ячей -ки. Показано, что такие эксперименты позволяют определить опти -мальные условия работы резонансной ячейки, при которых достигается максимальная чувствительность к измеряемому полю.
Экспериментально обнаружена зависимость наблюдаемой ширины линии и амплитуды сигнала параметрического резонанса в %е от частоты модулирующего поля. Дано теоретическое объяснение этого явления на основе эффекта циркуляции когерентности.
Теоретически и экспериментально показано, что при использовании параметрического резонанса на %е в двух модулирующих по -лях возможно получение практически одинаковых порогов чувстви -
тельности по всем трем компонентам измеряемого поля.
- 9 -
Проведено теоретическое исследование не рассмотренной ра -нее задачи наблюдения параметрического резонанса в трех модулирующих полях и показано, что в этом случае возможно получение одинаковых порогов чувствительности по всем трем компонентам измеряемого поля при использовании рабочих веществ с узкой линией Ханле (пары рубидия и цезия, газ %е).
Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование влияния неоднородности статического поля на параметрический резонанс и показана возможность наблюдения этого эффекта при компенсации геомагнитного поля с помощью колечных систем небольшого размера.
Практическая ценность работы. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований параметрического ре -зонанса предложена методика изучения релаксационных процессов в образце, которая может быть использована для эффективного контроля качества резонансных ячеек в случае серийного производства гелиевых квантовых магнитометров. Кроме того, эта методика по -зволяет измерять эффективные сечения взаимодействия метастабиль-ного состояния %е с различными молекулами, при введении конт -ролируемого их количества в ячейку.
На основе выполненных теоретических и экспериментальных ис-
3
следований параметрического резонанса в Не предложена новая ме-
3
тодика изучения кинетики оптической ориентации атомов Не, по -зволяющая определить временные характеристики всех процессов, протекающих в этом образце, и, следовательно, вычислить достиг -нутый параметр ориентации. Эта методика может быть полезна для исследования процессов в Не при изменении давления в ячейке, поскольку изменение характера разряда в этом случае остается не вполне ясным. Поэтому не вполне ясны условия получения макси -мального параметра ориентации, имеющего важное значение в
- 10 -
ядерной физике для создания ориентированных мишеней /28,68/.
Разработана аппаратура для одновременного измерения трех компонент слабого магнитного поля,с помощью которой исследовано внутреннее поле четырехслойного цилиндрического ферромагнитного экрана с открытыми концами. Эта экспериментальная установка с магнитным экраном успешно использована для калибровки фер-розондовых магнитометров и измерения магнетизма различных деталей. Она может найти применение при исследовании остаточной намагниченности геологических образцов.
На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований параметрического резонанса в неоднородном поле, сформулированы требования к компенсирующим колечным системам, позволяющим наблюдать параметрический резонанс в геомагнитном поле. Изготовлены соответствующие трехкоординатные колечные системы, пригодные для использования в полевых условиях.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всесоюзной конференции "Методы и средства измерения параметров магнитного поля" в Ленинграде (ноябрь 1980 г.) и "Республиканской научно-технической конференции молодых геофизиков, посвященной 60-летию установления Советской власти в Армении" в Ле-нинакане (май 1980 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах, защищены 3 авторскими свидетельствами.
Вклад автора. Все существенные теоретические выводы и экспериментальные результаты диссертации получены автором самостоятельно. Участие соавторов ограничивалось обоснованием принятых приближений при теоретическом анализе и изготовлении отдельных узлов электронной аппаратуры.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и четырех приложений, изложена на
- II -
страницах, иллюстрирована 48 рисунками и фотографиями, б таб -лицами. Список литературы включает 88 названий.
В первой главе, на основе теоретического анализа эффекта оптической ориентации атомов, дано обоснование приближенного описания исследуемых явлений феноменологическими уравнениями и введены необходимые для этого параметры. Здесь же, на основе имеющихся экспериментальных данных, приводится обоснование принятой в дальнейшем модели оптической ориентации %е (полное перемешивание Р- состояний).
Вторая глава содержит теоретические исследования эффекта Ханле и параметрического резонанса на Не и ^Не в одном, двух и трех модулирующих полях. Показано, что линия Ханле в %е, а также линия параметрического резонанса в одном модулирующем поле имеют аномально малую естественную полуширину (0,25 нТл). Процессы релаксации, оптической ориентации и спинового обмена приводят к существенному уширению наблюдаемой резонансной линии, что позволяет изучать эти процессы путем измерения ширины линии при варьировании интенсивностей света накачки и свечения ячейки. Показано, что при учете эффекта циркуляции когерентности появляется зависимость ширины линии от амлитуды и частоты модулирующего поля, и сформулированы условия, когда этим эффектом можно пренебречь.
Рассмотрен параметрический резонанс в %е в одном модули -рующем поле и показаны возможности этого эффекта для изучения релаксационных процессов в ячейке.
Выполнено исследование параметрического резонанса на ^Не в двух модулирующих полях для случая, когда параметры одного поля соответствуют быстрому прохождению, а параметры второго поля-медленному прохождению, и показана возможность получения в этом случае практически одинаковых порогов чувствительности по всем трем компонентам измеряемого поля.
- 12 -
Решена не рассмотренная ранее задача наблюдения параметрического резонанса в трех модулирующих полях, параметры которых соответствуют быстрому прохождению. Показано, что в этом случае односпиновые системы ( Са, йь , ^Не) и многоспиновые системы (3Не) в первом приближении ведут себя одинаково и позволяют получить практически одинаковые чувствительности по всем трех компонентам измеряемого поля, независимо от ширины наблюдаемой ре -зонансной линии, при использовании двух ячеек.
В третьей главе описана экспериментальная установка и представлены результаты экспериментальных исследований. Все теоретические выводы второй главы (кроме параметрического резонанса в трех модулирующих полях) подтверждены экспериментально.
В четвертой главе проведен анализ работы нескольких вариантов магнитометрических систем для компонентных геомагнитных из -мерений.
Каждая глава заканчивается выводами. В заключении перечислены основные результаты работы и перспективы дальнейших исследо -ваний. Все главы работы за исключением первых двух параграфов (§ 1.1, 1,2) первой главы и первого подпункта (§ 2.1.1) второй главы носят оригинальный характер.
На защиту выносятся:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметрического резонанса в нескольких модулирующих полях на односпиновых (%е) и многоспиновых (%е) системах.
2. Методика изучения релаксационных процессов в оптически ориентированных изотопах гелия.
3. Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния циркуляции когерентности на параметрический резонанс в ^Не.
- ІЗ -
4. Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния неоднородности статического поля на параметрический резонанс в ^Не.
5. Конструкция и результаты испытаний экспериментальной уста -новки, включающей магнитный экран и трехкомпонентный Ханле-магнитометр на %е.
6. Конструкция и результаты испытаний датчиков гелиевого магнитометра.
7. Технология изготовления гелиевых спектральных ламп и резонансных ячеек.
8. Анализ и конструкция схем компонентных квантовых геомагнитометров.
- 14 -
ГЛАВА I.
ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ ИЗГТ0П0В ГЕЛИЯ
§ 1.1. Энергетические уровни атомов гелия и спектральные линии, используемые в методе оптической ориентации
§ 1.1.1. Уровни и спектр 5) -линии ^Не
Схема уровней атома %е приведена на рис. 1.1. /21/. Атом гелия имеет два электрона, спиновые моменты которых в основном состоянии 1^ 2 0 направлены встречно, в соответствии с принципом Паули. Образуется замкнутая электронная оболочка с конфигурацией 1^2» суммарный спиновый момент которой равен нулю ( 3 =0). Поскольку у ядра %е ядерный спин равен нулю { I = 0), то в этом состоянии гелий диамагнитен и назван парагелием. При возбуждении одного из электронов на более высокие уровни образуется система возбужденных уровней парагелия. В ближайшем из них электронная оболочка имеет конфигурацию 1<3 х^Б];. При этой конфигурации оболочки возможно такое состояние гелия, в котором спиновые моменты электронов направлены в одну сторону, образуя результирующий спин 5 = I. В этом 2^£>х состоянии гелий парамагнитен и назван ортогелием. В нулевом приближении (без учета электрического взаимо -действия электронов между собой) энергия первого возбужденного состояния парагелия и основного состояния ортогелия одинаковы и равны Е . Учет этого взаимодействия приводит к расщеплению орто-и пара-состояний, причем поправка получается в виде двух членов-энергии кулоновского взаимодействия К и энергии обменного взаимодействия Я .
Переходы между пара- и орто- состояниями (интеркомбинационные) с поглощением или испусканием излучения имеют очень малую вероятность (запрещены), поэтому время жизни низшего уровня ортогелия может достигать миллисекунд и это состояние называют
- 15 -
Л о
Аі
Но
13,
Рис.1.1 Схема уровней атома %е.
%
- 16 -
также метастабильным. Именно это состояние используется в качестве основного в методе оптической ориентации. Для создания необходимой концентрации атомов ортогелия в гелиевой ячейке используется обычно высокочастотный разряд.
Ближайшим возбужденным уровнем ортогелия является 2^ Р -уровень ( Ь =1), который, благодаря спин-орбитальному взаимодействию, расщеплен на три подуровня, в соответствии с тремя возможными значениями квантового числа 3= 3 ( 3 =0,1,2).
Переходы между 2^5 х и 2^ Р уровнями соответствуют погло -щению или испусканию 3) - линии, которая благодаря тонкой
структуре 23Р уровня расщеплена на три близких линии -Ф.
(10829,08 8 ), 3)^10830,25 А ) и 3^(10630,34 А). Именно
эти линии используются при оптической ориентации атомов гелия /55/. Структура и относительные интенсивности компонент 3) -линии %е приведены на рис.1.3 /47/.
Метастабильный уровень 23£| во внешнем полне Но расщепляется на три эквидистантных зеемановских подуровня, в соответствии с тремя возможными ориентациями спина 2 = I (то= —I*0, +1), расстояние между которыми равно у = }Г(чНе)Нв> гДе ГИР° -магнитное отношение для ортогелия равно й’(чЦе) =28,0235 Гц/нТл /64/.
§ І.І.2. Уровни и спектр 3) -линии 3Не.
Схема уровней атома 3Не приведена на рис.1.2 /21/. Разница в схемах уровней 3Не и %е обусловлена наличием у ^Не ядерного спина I = 1/2. Основной уровень I* 2 о паРагелия во внеш -
нем поле Ц0 расщепляется на два зеемановских подуровня, в со -ответствии с двумя возможными ориентациями спина I = 1/2 ( гп^ = +1/2, -1/2), расстояние между которыми равно 5=^1Н0 »
- Київ+380960830922