矢量Overhauser磁力仪的研制
发布时间：2021-08-24 14:01
近年来,受益于电子技术和计算机技术的快速发展,量子磁力仪的各项性能指标均得到了巨大的提升,尤其是Overhauser磁力仪。然而,地磁场是一个既有大小也有方向的矢量场,Overhauser磁力仪只能测量磁场的大小,而不能给出磁场的方向信息。因此,为了解决Overhauser磁力仪获取地磁要素单一的问题,又能够充分利用它高灵敏度和低噪声的优势,矢量Overhauser磁力仪的研制也被提上了日程。本文研究的对象就是实验室自主研发的JOM-4SF型Overhauser磁力仪样机,以及如何在它的基础上,通过装有正交线圈系统来测量磁场的方向,即矢量Overhauser磁力仪的研制。首先,本文详细介绍了Overhauser磁力仪测量地磁场大小的原理、JOM-4SF型Overhauser磁力仪样机的系统架构以及灵敏度的评估方法。将磁力仪样机测得的磁场数据用同步法处理后,灵敏度能达到0.014nT@3s,达到世界领先水平,为矢量Overhauser磁力仪的研制奠定了良好的基础。其次,从射频极化信号能影响接收到的拉莫尔信号质量的角度入手,研制了一种射频频率可变的、简易的Overhauser磁力仪来研究射...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
矢量质子磁力仪的概念模型
第1章绪论3用dIdD法研制的磁力仪又被称作dIdD磁力仪。几十年来，dIdD磁力仪几乎没有什么进展，只有很少的仪器被制造出来，主要是因为当时所有的仪器都采用亥姆霍兹线圈来产生偏置磁场，不仅体积过大、安装十分复杂，而且还存在着一些稳定性问题。直到上世纪末期，dIdD磁力仪才进入了快速发展时期：20世纪90年代初由USGS（美国地质调查局）和ELGI（匈牙利埃尔吉公司）合作的一个项目为dIdD磁力仪带来了突破性进展—用直径只有300mm的球形线圈代替了亥姆霍兹线圈[5]，解决了之前体积过大的缺点；20世纪90年代中期IvanHrvoic提出用GEM公司生产的Overhauser磁力仪来代替质子磁力仪，这不仅提高了测量的灵敏度，而且缩短了测量周期，减小了在测量周期内磁场变化引起的测量误差；2000年左右ELGI公司设计并建造了一种悬挂系统，悬挂系统能消除支架的倾斜，改善了仪器的稳定性问题，显著地提高了总体性能；2002年GEM公司研制了一种直径为150mm的新型磁传感器,对于这个新型传感器，Heilig等人在2004年重新设计了一个直径为200mm的球形线圈[11]。目前最成熟的dIdD磁力仪是加拿大GEM公司研制的悬挂式dIdD矢量磁力仪，有钾光泵和Overhauser两种类型的传感器。以Overhauser传感器为例，如图1.2所示，该磁力仪具备良好的性能，温漂低至0.1nT/°C，时漂小于2nT/年，地磁强度F、磁倾角I和磁偏角D的灵敏度优于0.05nT、1arcsec和4arcsec，它已经逐渐被世界各地的磁观测台所接受和使用。图1.2使用Overhauser磁传感器的GEM-dIdD磁力仪
第2章标量Overhauser磁力仪及灵敏度评估7磁矩增大，如图2.1(b)所示。当外部施加一个垂直与地磁场方向（垂直是理想情况，合磁场最大）的极化磁场BP时，合磁矩围绕合磁场旋转，由于纵向弛豫的原因，氢质子最终会处于一个新的平衡态，此时合磁矩与合磁场的方向保持一致，如图2.1(c)所示。当过一段时间后撤掉射频信号合极化磁场BP，质子合磁矩会围绕地磁场进动，如图2.1(d)所示。由于横向弛豫的原因，氢质子最终会处于图2.1(a)所示的平衡态。上述便是Overhauser磁传感器中自由基溶液极化的全过程，图2.1(d)所示的质子围绕地磁场进动的过程被称作拉莫尔进动。拉莫尔进动角频率的大小与地磁场B0的大小呈线性关系，关系式[28]为00=PB........................(2.1)被称作质子旋磁比，将国际推荐的质子旋磁比=2.67515255(81)×10811[29]带入到公式(2.1)可得00B=23.48720378f.....................(2.2)公式(2.2)中B0的单位为，的单位为。因此，只要我们能够获得拉莫尔信号的频率值，我们就可以求出外界的磁场值。2.1.2Overhauser磁力仪的系统架构实验室研发的JOM-4SF型Overhauser磁力仪的实物图如图2.2所示，主要包括磁传感器和主机两部分。图2.2JOM-4SF型Overhauser磁力仪的实物图图2.2左侧的圆柱状物体是Overhauser传感器，它是由直流极化线圈、电容加载型同轴谐振腔和装满自由基溶液的玻璃瓶三部分组成，通过按照一定时序施
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于OVERHAUSER效应磁探头的矢量磁场测量仪[J]. 王晓美,滕云田,范晓勇,王晨,王喆. 仪器仪表学报. 2018(08)
[2]地球物理矢量场磁测技术的研究进展[J]. 林君,刁庶,张洋,张扬,赵静. 科学通报. 2017(23)
[3]椭球形线圈磁场均匀性的研究[J]. 江俊勤. 大学物理. 2017(04)
[4]OVERHAUSER磁力仪灵敏度表征方法研究[J]. 王超,陈曙东,张爽. 吉林大学学报(信息科学版). 2016(03)
[5]FHD分量质子磁力仪标定技术[J]. 纪加迎,夏忠,蒋延林,杨冯威,居海华. 华北地震科学. 2013(03)
[6]椭圆低通滤波器的设计与仿真[J]. 杨威,左月明,吴海云. 机电工程技术. 2012(01)
[7]OVERHAUSER磁力仪激发接收系统设计[J]. 谭超,董浩斌,葛自强. 仪器仪表学报. 2010(08)
[8]应用于地磁相对记录的数字矢量磁力仪[J]. 王晓美,滕云田,谭婧,王喜珍,王晨,吴琼. 地震地磁观测与研究. 2010 (02)
[9]基于C8051F041的高精度频率计设计[J]. 杨明涛,杨海明,侯文,郑宾. 电子元器件应用. 2010(02)
[10]悬挂式球形分量线圈研制简介[J]. 居海华,冯志生,于华,夏忠,田韬. 地震. 2009(04)
博士论文
[1]地磁场相对变化观测技术研究[D]. 王晓美.中国地震局地球物理研究所 2019
硕士论文
[1]JOM-4型Overhauser磁力仪改进与指标研究[D]. 赵建昌.吉林大学 2019
本文编号：3360121
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
矢量质子磁力仪的概念模型
第1章绪论3用dIdD法研制的磁力仪又被称作dIdD磁力仪。几十年来，dIdD磁力仪几乎没有什么进展，只有很少的仪器被制造出来，主要是因为当时所有的仪器都采用亥姆霍兹线圈来产生偏置磁场，不仅体积过大、安装十分复杂，而且还存在着一些稳定性问题。直到上世纪末期，dIdD磁力仪才进入了快速发展时期：20世纪90年代初由USGS（美国地质调查局）和ELGI（匈牙利埃尔吉公司）合作的一个项目为dIdD磁力仪带来了突破性进展—用直径只有300mm的球形线圈代替了亥姆霍兹线圈[5]，解决了之前体积过大的缺点；20世纪90年代中期IvanHrvoic提出用GEM公司生产的Overhauser磁力仪来代替质子磁力仪，这不仅提高了测量的灵敏度，而且缩短了测量周期，减小了在测量周期内磁场变化引起的测量误差；2000年左右ELGI公司设计并建造了一种悬挂系统，悬挂系统能消除支架的倾斜，改善了仪器的稳定性问题，显著地提高了总体性能；2002年GEM公司研制了一种直径为150mm的新型磁传感器,对于这个新型传感器，Heilig等人在2004年重新设计了一个直径为200mm的球形线圈[11]。目前最成熟的dIdD磁力仪是加拿大GEM公司研制的悬挂式dIdD矢量磁力仪，有钾光泵和Overhauser两种类型的传感器。以Overhauser传感器为例，如图1.2所示，该磁力仪具备良好的性能，温漂低至0.1nT/°C，时漂小于2nT/年，地磁强度F、磁倾角I和磁偏角D的灵敏度优于0.05nT、1arcsec和4arcsec，它已经逐渐被世界各地的磁观测台所接受和使用。图1.2使用Overhauser磁传感器的GEM-dIdD磁力仪
第2章标量Overhauser磁力仪及灵敏度评估7磁矩增大，如图2.1(b)所示。当外部施加一个垂直与地磁场方向（垂直是理想情况，合磁场最大）的极化磁场BP时，合磁矩围绕合磁场旋转，由于纵向弛豫的原因，氢质子最终会处于一个新的平衡态，此时合磁矩与合磁场的方向保持一致，如图2.1(c)所示。当过一段时间后撤掉射频信号合极化磁场BP，质子合磁矩会围绕地磁场进动，如图2.1(d)所示。由于横向弛豫的原因，氢质子最终会处于图2.1(a)所示的平衡态。上述便是Overhauser磁传感器中自由基溶液极化的全过程，图2.1(d)所示的质子围绕地磁场进动的过程被称作拉莫尔进动。拉莫尔进动角频率的大小与地磁场B0的大小呈线性关系，关系式[28]为00=PB........................(2.1)被称作质子旋磁比，将国际推荐的质子旋磁比=2.67515255(81)×10811[29]带入到公式(2.1)可得00B=23.48720378f.....................(2.2)公式(2.2)中B0的单位为，的单位为。因此，只要我们能够获得拉莫尔信号的频率值，我们就可以求出外界的磁场值。2.1.2Overhauser磁力仪的系统架构实验室研发的JOM-4SF型Overhauser磁力仪的实物图如图2.2所示，主要包括磁传感器和主机两部分。图2.2JOM-4SF型Overhauser磁力仪的实物图图2.2左侧的圆柱状物体是Overhauser传感器，它是由直流极化线圈、电容加载型同轴谐振腔和装满自由基溶液的玻璃瓶三部分组成，通过按照一定时序施
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于OVERHAUSER效应磁探头的矢量磁场测量仪[J]. 王晓美,滕云田,范晓勇,王晨,王喆. 仪器仪表学报. 2018(08)
[2]地球物理矢量场磁测技术的研究进展[J]. 林君,刁庶,张洋,张扬,赵静. 科学通报. 2017(23)
[3]椭球形线圈磁场均匀性的研究[J]. 江俊勤. 大学物理. 2017(04)
[4]OVERHAUSER磁力仪灵敏度表征方法研究[J]. 王超,陈曙东,张爽. 吉林大学学报(信息科学版). 2016(03)
[5]FHD分量质子磁力仪标定技术[J]. 纪加迎,夏忠,蒋延林,杨冯威,居海华. 华北地震科学. 2013(03)
[6]椭圆低通滤波器的设计与仿真[J]. 杨威,左月明,吴海云. 机电工程技术. 2012(01)
[7]OVERHAUSER磁力仪激发接收系统设计[J]. 谭超,董浩斌,葛自强. 仪器仪表学报. 2010(08)
[8]应用于地磁相对记录的数字矢量磁力仪[J]. 王晓美,滕云田,谭婧,王喜珍,王晨,吴琼. 地震地磁观测与研究. 2010 (02)
[9]基于C8051F041的高精度频率计设计[J]. 杨明涛,杨海明,侯文,郑宾. 电子元器件应用. 2010(02)
[10]悬挂式球形分量线圈研制简介[J]. 居海华,冯志生,于华,夏忠,田韬. 地震. 2009(04)
博士论文
[1]地磁场相对变化观测技术研究[D]. 王晓美.中国地震局地球物理研究所 2019
硕士论文
[1]JOM-4型Overhauser磁力仪改进与指标研究[D]. 赵建昌.吉林大学 2019
本文编号：3360121
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