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Authors: Koch, Hans-Christian
Title: An accurate combined 3 He,Cs magnetometer with fT sensitivity for the nEDM experiment at PSI
Online publication date: 8-Dec-2015
Language: english
Abstract: Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung, Konstruktion und Untersuchung eines Magnetometers zur exakten und präzisen Messung schwacher Magnetfelder. Diese Art von Magnetometer eignet sich zur Anwendung in physikalischen hochpräzisions Experimenten wie zum Beispiel der Suche nach dem elektrischen Dipolmomentrndes Neutrons. Die Messmethode beruht auf der gleichzeitigen Detektion der freien Spin Präzession Kern-Spin polarisierten 3He Gases durch mehrere optisch gepumpte Cäsium Magnetometer. Es wird gezeigt, dass Cäsium Magnetometer eine zuverlässige und vielseitige Methode zur Messung der 3He Larmor Frequenz und eine komfortable Alternative zur Benutzung von SQUIDs für diesen Zweck darstellen. Ein Prototyp dieses Magnetometers wurde gebaut und seine Funktion in der magnetisch abgeschirmten Messkabine der Physikalisch Technischen Bundesanstalt untersucht. Die Sensitivität des Magnetometers in Abhängigkeitrnvon der Messdauer wurde experimentell untersucht. Es wird gezeigt, dass für kurze Messperioden (< 500s) Cramér-Rao limitierte Messungen möglich sind während die Sensitivität bei längeren Messungen durch die Stabilität des angelegten Magnetfeldes limitiert ist. Messungen eines 1 muT Magnetfeldes mit einer relative Genauigkeit von besser als 5x10^(-8) in 100s werden präsentiert. Es wird gezeigt, dass die Messgenauigkeit des Magnetometers durch die Zahl der zur Detektion der 3He Spin Präzession eingesetzten Cäsium Magnetometer skaliert werden kann. Prinzipiell ist dadurch eine Anpassung der Messgenauigkeit an jegliche experimentellen Bedürfnisse möglich. Es wird eine gradiometrische Messmethode vorgestellt, die es erlaubt den Einfluss periodischerrnmagnetischer Störungen auf dieMessung zu unterdrücken. Der Zusammenhang zwischen der Sensitivität des kombinierten Magnetometers und den Betriebsparametern der Cäsium Magnetometer die zur Spin Detektion verwendet werden wird theoretisch untersucht und anwendungsspezifische Vor- und Nachteile verschiedener Betriebsartenwerden diskutiert. Diese Zusammenhänge werden in einer Formel zusammengefasst die es erlaubt, die erwartete Sensitivität des Magnetometers zu berechnen. Diese Vorhersagen befinden sich in perfekter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die intrinsische Sensitivität des Magnetometer Prototyps wird auf Basis dieser Formel theoretisch bestimmt. Ausserdem wird die erwartete Sensitivität für die Anwendung im Rahmen des Experiments der nächsten Generation zur Bestimmung des elektrischenrnDipolmoments des Neutrons am Paul Scherrer Institut abgeschätzt. Des weiteren wird eine bequeme experimentelle Methode zur Messung des Polarisationsgrades und des Rabi Flip-Winkels der 3He Kernspin Polarisation vorgestellt. Letztere Messung ist sehr wichtig für die Anwendung in hochpräzisions Experimenten.
This work describes the development, construction and examination of a magnetometer for the accurate and precise measurement of weak magnetic fields. The magnetometer is envisioned to be used in high precision fundamental physics experiments, e.g., the search for the electric dipole moment of the neutron. The device is based on the simultaneous detection of the free spin precession of nuclear polarized 3He gas by multiple optically pumped Cesium magnetometers. It is shown that Cesium magnetometers provide a reliable and versatilernway of measuring the 3He Larmor frequency and a convenient alternative to the use of superconducting quantum interference devices for this purpose. A prototype magnetometer was built and it’s performance investigated at the magnetically shielded room of Physikalisch-Technische Bundesanstalt. The sensitivity of the magnetometer as a function of the measurement time is experimentally investigated and it is proven that the device performs Cramér-Rao lower bound limited field measurements on short timescales (< 500s) while the sensitivity becomes limited by the stability of the applied magnetic field for longer times. Measurements of a 1 muT magnetic field with a relative precision of better than 5x10^(-8) in 100s integration time are presented. It isrnshown that the sensitivity of the device can be scaled by the number of applied Cesium magnetometers to virtually any desired value. A gradiometric measurement technique is demonstrated which allows to suppress periodic magneticrnperturbations. The dependence of the combined magnetometer’s sensitivity on the parameters of operation of the Cesium magnetometers used for readout is theoretically studied and application-specific merits and drawbacks of different modes of operation are discussed. A semi-empirical formula is derived that allows to predict the achievable sensitivity of the combined magnetometer and is found to be in excellent agreement with the experimental results. The ultimate intrinsic sensitivity of the magnetometer is estimated usingrnthis formula and implications for the second generation neutron electric dipole moment experiment at Paul Scherrer Institute are discussed. An experimental method for measuring the degree of polarization and Rabi flipping angle of the 3He spin polarization is also presented which is important for the application in high precision experiments.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3618
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
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