Instrument jest pompowanym optycznie magnetometrem helowym o zupełnie nowej konfiguracji. Jako medium sensoryczne używany jest hel pod niskim ciśnieniem. Zasada działania urządzenia jest oparta na paramagnetycznym rezonansie helu-4 na metastabilnym poziomie energetycznym 23S1. Przy obecności pola magnetycznego B0 ten poziom jest rozdzielany trzy podpoziomy, których poziomy energetyczne są rozdzielone na skute efektu Zeemana przez energię ΔE, która jest bezpośrednio proporcjonalna do przyłożonego pola magnetycznego, w tym wypadku pola magnetycznego Ziemi. Określenie rozdzielenia podpoziomów jest bezpośrednią metodą pomiaru pola magnetycznego B0. Jest to osiągane dzięki zjawisku rezonansu magnetycznego. Wprowadzenie zmiennego pola magnetycznego B1cos(2πνt) indukuje przejścia między tymi podpoziomami gdy częstotliwość ν jest zbliżona do częstotliwości Larmora ν0 zdefiniowanej przez zależność h*ν0 = ΔE. Działa to jak konwerter pola do częstotliwości z czynnikiem proporcjonalnym znanym jako promień żyromagnetyczny równym w tym wypadku γHe4 ≈ 28 GHz / T. Jednak taki rezonans, który prowadzi do wyrównania populacji podpoziomów Zeemana nie jest obserwowany bezpośrednio, ponieważ w normalnych warunkach równowagi termodynamicznej te populacje już na początku są prawie równe. Tak więc w skali makroskopowej rezonans nie indukuje wykrywalnej zmiany w stanie par helu. Tak więc wykorzystywany jest tu proces pompowania optycznego istotnie zmieniający rozmieszczenie atomów na tych trzech podpoziomach. Zasada tej metody opera się na zjawisku zachowywania momentu kątowego między atomami i fotonami. W tym wypadku komórka zawierająca hel jest naświetlana wiązką laserową o długości fali równej przejściu D0 (23S1 - 23P0). Prawdopodobieństwa przejścia, zależne od polaryzacji światła są generalnie różne dla tych trzech podpoziomów, tak więc ten proces prowadzi do mechanizmu selektywnej depopulacji. Z drugiej strony spontaniczne radiacyjne cofanie wzbudzenia helu działa z równym prawdopodobieństwem w kierunku wszystkich trzech podpoziomów metastabilnych, tak więc globalnie cykl pompowania prowadzi do redystrybucji która może znacznie odbiegać od dystrybucji zrównoważonej termodynamicznie. Rezonans jest wtedy znacznie łatwej wykrywalny, jest wzmocniony o czynnik rzędu 10^6. Ostatecznie detekcja rezonansu jest wykonywana poprzez pomiar intensywności światła przepuszczanego przez hel. Jego zmiany wynikają z nakładających się dwóch sygnałów: ciągłego sygnału odzwierciedlającego ewolucję populacji podpoziomów Zeemana (detekcja wzdłużna), oraz modulacji zarówno pobudzenia RF jak i podwojenia jego wartości odzwierciedlającej ewolucję zgodności podpoziomów (detekcja poprzeczna). Tak więc źródło światła pełni dwie funkcje: pozwala na uzyskanie rozmieszczenia atomów zależnego od podpoziomów Zeemana znacznie różniącego się od rozkładu Boltzmanna, oraz na detekcję rezonansu.
W celu maksymalnego wykorzystania zdolności magnetometru skalarnego, w wypadku ruchowej platformy konieczne jest zastosowanie architektury w której zachowanie się instrumentu nie jest zależne od orientacji przestrzennej sensora, czyli pozwalającej na uzyskanie izotropowości. W tym celu konieczne jest uwzględnienie trzech procesów. Po pierwsze rozmieszczenie atomów na trzech podpoziomach 23S1 wyklinające z cyklu pompowania optycznego jest bezpośrednio zależne od orientacji θF względem statycznego pola magnetycznego B0 oraz polaryzacji lasera E0 (w przypadku zastosowanej tu polaryzacji linowej) lub kierunku propagacji wiązki k0 (w przypadku polaryzacji kołowej używanej w innych typach magnetometrów). Dla określonych kierunków (θF = 55 stopni w przypadku polaryzacji linowej) cykl pompowania optycznego nie zmienia równowagi termodynamicznej. W takich warunkach rezonans magnetyczny nie jest obserwowalny. Ponadto tylko komponent częstotliwości radiowej B1 prostopadły do pola magnetycznego B0 indukuje rezonujące przejścia pomiędzy podpoziomami Zeemana, co prowadzi do powstaniowa drugiego możliwego źródła wygaszania sygnału rezonansu. Po trzecie zastosowana metoda detekcji prowadzi do powstawania martwych stref w których pomiar amplitudy pola magnetycznego B0 nie może być uzyskany. Uzyskanie architektury izotropowej jest możliwe na kilka sposobów. W przypadku ASM zastosowano pojedynczą komórkę rezonacyjną nie wymagającą stosowania permanentnej kontroli orientacji instrumentu. Użyta metoda opiera się na fakcie, iż dla liniowo spolaryzowanej wiązki pompującej amplituda sygnału rezonansu przy częstotliwościach 0 (ciągła absorpcja odpowiadająca schematowi detekcji wzdłużnej) i 2 ν0 osiągają wartości ekstremalne gdy kierunek polaryzacji E0 jest prostopadły do pola magnetycznego B0 i kiedy sygnał przy ν0jest równy zeru. Ten wymóg może być spełniony w dowolnej orientacji sensora względem pola magnetycznego: kontrola kierunku polaryzacji jest wykonywana poprzez rotację polaryzatora umieszczonego przed komórką, co jest znacznie łatwiejsze od obracania całego sensora. Ponadto ponieważ pole częstotliwości radiowej jest prostopadłe do statycznego pola magnetycznego (w celu uzyskania maksymalnej efektywności) użyte zostały zwojnice wzbudzające, dzięki którym pole RF jest równoległe do polaryzatora liniowego. Narzuca to kierunek polaryzacji światła E0. Dzięki temu magnetometr jest idealnie izotropowy. Do obrotu takiego sensora izotropowego zastosowano silnik piezoelektryczny. Zastosowanie tej technologii było wymuszone koniecznością użycia silnika pracującego z częstotliwością kilkuset kHz - znacznie ponad pasmem pomiarowym sensora oraz poniżej częstotliwości wzbudzającej odpowiadającej minimalnej częstotliwości pola magnetycznego której można się spodziewać podczas misji (około 500 kHz, co odpowiada około 17 μT). Ponadto taki silnik nie zawiera materiałów ferromagnetycznych, dzięki czemu nie generuje zaburzeń magnetycznych. Jest to bardzo istotne, ponieważ znajduje się bardzo blisko komórki detekcyjnej z helem.
Skalarny magnetometr izotropowy może też wykonywać pomiary wektorów pola magnetycznego poprzez użycie informacji dostarczanych przez trzy nakładające się ortogonalne pola magnetyczne o niskiej częstotliwości (<50 Hz), generowane za pomocą trzech zwojnic. Zasadę działania można zilustrować za pomocą pojedynczego oscylującego pola magnetycznego Bω * cos ωt. Jeśli Bω jest równoległe do B0, to mierzone pole BM wynosi BM = B0 + Bω * cos ωt. Jeśli jest ortogonalne w stosunku do B0 to mierzone pole BM wynosi BM = (B0^2 + (Bω * cos ωt)^2)^1/2 ≈ B0 * (1 + 1/2 * (Bω / B0 * cos ωt)^2) , przy założeniu że Bω / B0 < 1 co występuje w przypadku pola magnetycznego Ziemi przy wartości Bω około 50 nT. Dlatego modulacja pola magnetycznego przy częstotliwości ω jest widoczna gdy pole modulujące jest równoległe do pola magnetycznego, ale nie gdy jest ortogonalne w stosunku do niego. Amplituda pola magnetycznego przy częstotliwości ω/2π jest faktycznie obrazem pola magnetycznego w kierunku modulacji magnetycznej.
W stosunku do magnetometrów Overhausera zastosowanych w misjach Ørsted i CHAMP, które okazały się częściowo niewystarczające proces pompowania optycznego zastępuje tutaj dynamiczną polaryzację jądrową. Jest to dużo wydajniejsza metoda polaryzacji, prowadzącą do uzyskania prawie całkowitej polaryzacji. Dzięki temu amplituda sygnału nie zależy od siły pola magnetycznego co pozwala na uzyskanie rozdzielczości rzędu 1 pT/ (Hz)^1/2 w całym zakresie pomiarowym. W przeciwieństwie do innych typów magnetometrów pompowanych optycznie wykorzystujących światło spolaryzowane kołowo, w ASM używane jest światło spolaryzowane liniowo. Przyczyny tego stanu rzeczy są dwie. Po pierwsze silne oddziaływanie pomiędzy pompującą wiązką laserową a atomami helu może zmienić ich poziom energetyczny, powodują tzw. przesunięcie światła gdy długość fali światła pompującego jest rozstrajana z centralnej długości fali przejścia energetycznego helu. Użycie polaryzacji liniowej tłumi ten efekt, znacznie zwiększają dokładność instrumentu. Po drugie głównym czynnikiem wpływającym na zależność kątową pompowania optycznego w przypadku polaryzacji linowej jest kierunek polaryzacji wiązki laserowej. W przypadku polaryzacji kołowej głównym czynnikiem jest kierunek propagacji wiązki. Podczas projektowania instrumentu izotropowego jest znacznie łatwiej kontrolować kierunek polaryzacji liniowej niż przeprowadzać rotację całego sensora w celu jego prawidłowego dopasowania do kierunku pola magnetycznego. W tym wypadku izotropia jest uzyskiwana w prosty sposób, dzięki użyciu niemagnetycznego silnika piezoelektrycznego permanentnie kontrolującego kierunek polaryzacji i kierunek pola magnetycznego RF, tak że są one prostopadle do statystycznego pola magnetycznego.
Ponadto w stosunku do magnetometrów Overhausera u których konstrukcja wymusza zawarcie kompromisu między rozdzielczością a omnikierunkowością magnetometr helowy zawsze działa w optymalny sposób dzięki zastosowaniu serwomechanizmów. Jednak wymusza to zastosowanie dedykowanego mechanizmu. Znacznie szersza linia rezonansu magnetometru helowego (bliska 70 nT w stosunku do mniej niż 7 nT w przypadku magnetometru Overhausera) redukuje wpływ niehomogenicznych pól magnetycznych w środowisku na pracę urządzenia. Ponadto zasada działania i architektura magnetometru tego typu sprawia, że jest on bardzo przydatny do pomiarów pół magnetycznych o niskich częstotliwościach.
Wątek: Swarm (kompendium) (Przeczytany 25731 razy)