Optisch gepumpte Quantenmagnetometer für transiente Elektromagnetik (OPTEM)

Abstract

Das Projekt OPTEM hatte das Ziel, innovative optisch gepumpte Magnetometer (OPM) für die geophysikalische Exploration tiefliegender mineralischer Lagerstätten zu entwickeln. Dabei sollte die transiente Elektromagnetik (TEM) genutzt werden, um Rohstoffquellen wie Massivsulfide, seltene Erden und Platingruppenelemente effizienter zu erkunden. Während konventionelle Sensoren wie Induktionsspulen und supraleitende SQUIDs entweder eine begrenzte Empfindlichkeit oder hohe Betriebskosten aufweisen, sollten OPMs als kryogenfreie und hochauflösende Alternative dienen. Ein Schwerpunkt des Projekts war die Entwicklung eines vektoriellen OPM-Systems, das Messungen im Erdmagnetfeld ermöglicht und eine hohe Sensitivität aufweist. Im Rahmen des Projekts wurden mehrere technologische Fortschritte erzielt. Ein zentraler Erfolg war die Implementierung von Heizelementen aus transparenten Oxiden auf den OPM-Zellfenstern, wodurch die Kondensation von Cäsium im optischen Strahlengang unterbunden und somit die Langzeitstabilität der Magnetometer verbessert wurde. Zudem wurde ein fasergekoppelter Sensorkopf entwickelt und in mehreren Iterationen optimiert. Erste Messungen im Labor zeigten eine hohe magnetische Sensitivität mit einem Rauschen unter 60 fT/√Hz und einer Bandbreite von über 5 kHz. Diese Erkenntnisse flossen in die Konstruktion zweier feldtauglicher Sensorköpfe ein, die mit integrierten Laserdioden ausgestattet wurden und vergleichbare Leistungswerte erreichten. Die entwickelten Sensorköpfe konnten erfolgreich in einer robusten Halterung und einem wetterfesten Koffer unter realen Einsatzbedingungen im Feld getestet werden. Da die vom Projektpartner Supracon entwickelte Elektronik zu diesem Zeitpunkt noch nicht fehlerfrei funktionierte, wurde dieser Feldtest unter Verwendung von Laborelektroniken durchgeführt. Die grundsätzliche Funktionsfähigkeit des Systems wurde bestätigt und vielversprechende Ergebnisse erhalten. Zusammenfassend konnte eine leistungsfähige Plattform für vektorielle Magnetfeldmessungen entwickelt werden. Die erzielten Fortschritte bieten eine solide Grundlage für weitere Optimierungen und die künftige Anwendung in geomagnetischen Messungen. Datei-Upload durch TIB The OPTEM project aimed to develop innovative optically pumped magnetometers (OPM) for the geophysical exploration of deep-seated mineral deposits. The aim was to use transient electromagnetics (TEM) to explore raw material sources such as massive sulphides, rare earths and platinum group elements more efficiently. While conventional sensors such as induction coils and superconducting SQUIDs suffer from either limited sensitivity or high operational costs, OPMs offer a cryogen-free and high-resolution alternative. One focus of the project was the development of a vectorial OPM system that allows measurements in the Earth's magnetic field and has a high sensitivity. Several technological advances have been achieved during the project. A key success was the implementation of heating elements made of transparent oxides on the OPM cell windows, which prevented the condensation of cesium in the optical beam path and thus improved the long-term stability of the magnetometers. In addition, a fiber-coupled sensor head was developed and optimized in several iterations. Initial measurements in the laboratory showed a high magnetic sensitivity with a noise below 60 fT/√Hz and a bandwidth of more than 5 kHz. These findings were incorporated into the design of two field-compatible sensor heads, which were equipped with integrated laser diodes and achieved comparable performance values. The developed sensor heads were successfully tested in a robust holder and a weatherproof case under real operating conditions in the field. As the electronics developed by project partner Supracon did not yet function faultlessly at this time, this field test was carried out using laboratory electronics. The basic functionality of the system was confirmed and promising results were obtained. In summary, a powerful platform for vector magnetic field measurements was developed. The progress achieved provides a solid basis for further optimization and future application in geomagnetic measurements.