铯光泵原子磁力仪自激反馈回路研究

发布时间：2020-04-09 04:43

【摘要】：磁场是一种既看不见又摸不着而又在我们的生活中无处不在的特殊物质,也影响改变着我们的生活,因此各国研究团队对磁场的精密测量方法展开了深入的研究。原子磁力仪凭借其高灵敏度的特点成为当前国内外各研究团队的重点。原子磁力仪中的光泵磁力仪凭借其体积小,灵敏度高的特点应用广泛,近年来得到快速发展与研究。我国虽然研究起步晚,但是经过多年的研究也取得了一定的成果,缩短了与发达国家的差距。但是对于自激振荡式的光泵磁力仪,我国各研究团队研究较少,研究成果与国外相比有一定差距。在自激式光泵原子磁力仪中自激反馈回路是其最关键的部位之一。整个反馈回路由射频线圈激励源,光电转化电路和信号放大移相反馈电路构成,其中线圈激励源需要在大频率范围内为射频线圈提供稳定的能量,信号放大移相反馈电路同样需要在宽的信号频率范围内对输入信号的相位提供稳定的90°相位延迟。但是目前国内相关研究较少,相关研究中的反馈移相回路移相精度不高、稳定性不好、反馈系统过于复杂不利于调试且成本高昂。因此本文以自激式铯光泵原子磁力仪为研究对象,研究一种由低成本,高稳定性的射频线圈激励源和宽工作频率的信号放大移相反馈回路构成的自激式铯光泵磁力仪。本研究中主要以铯原子为自激式磁力仪工作物质,从对光泵磁力仪基本物理原理研究入手,分析研究了自激式光泵磁力仪的光学结构以及光学信号特点,完成自激式磁力仪光学系统搭建并测试。根据磁力仪中铯原子气室的规格,设计了亥姆霍兹线圈及其恒流驱动源,该驱动源在信号频率为1kHz至1MHz范围内输出电流误差不超过0.5mA;再根据自激式磁力仪中光学信号特点设计了信号放大移相反馈回路,反馈回路在信号频率20kHz至360kHz范围内信号移相最大误差不超过2.9°,在220kHz信号频率以下最小误差仅为0.07°。最后将整体反馈回路与磁力仪光学结构结合,完成整个自激式铯光泵原子磁力仪系统搭建,并对在不同磁场环境下的磁力仪系统所测得的磁共振信号频率值进行了测量和分析。
【图文】：

明了第一个测量磁场强度的装置, 该装置由悬挂在空气中的棒着科技的不断进步，人们对世界认识的不断深入，对磁场探测的探测精度和灵敏度的要求也不断提高，并随着人们对光磁共振、应以及原子物理的深入研究，制造出了更多种类的磁探测装置可以发现所有的磁探测装置都可以分为两个主要类别，即经典测装置。经典探测装置基于传统电磁原理，如悬浮在细线上的磁等。原子探测装置主要分为两种类型：基于约瑟夫森效应的超导SQUID）和基于原子极化或核磁共振效应的原子磁力仪。原子磁化法和 Overhauser 效应法的质子磁力仪[3]-[5]是工作原理最为简种；碱金属光泵原子磁力仪是当中最先进的一种磁力仪，基于塞能级跃迁极化；基于铯、铷、氦元素的碱金属磁力仪是目前研究光泵原子磁力仪；钾光泵原子磁力仪由于其谱线宽、谱线间没有的特点具有更高的灵敏度和绝对精度，灵敏度极限可达10fT 0.1nT[6]-[8]，但是目前并未有成熟的产品，也是将来磁力仪发展对象。基于不同测量原理的磁探测装置分类如图 1.1 所示。

3.1 自激式铯光泵磁力仪系统光学结构铯光泵磁力仪基于光泵作用和磁共振基本原理，，需要将气室内的铯原子通过光泵浦作用集中在磁量子数 =+4Fm 的塞曼子能级上实现原子极化，再通过磁共振作用打乱极化后的铯原子塞曼子能级分布，需要通过检测磁共振的频率来计算外界待测磁场大小，如何检测磁共振是否发生是其中的关键。在自激式光泵磁力仪中发生磁共振时候探测到的光强将成与磁共振频率相同频率的正弦变化，因此为提高测量信号的信噪比，需要将磁力仪中将气室内铯原子的相邻塞曼子能级之间的能量变换转换为透射光强的变化并测量，通过光强信号变化的频率来测得磁共振信号的频率。在第二章中从理论上分析了自激式光泵磁力仪的基本原理，在自激式光泵磁力仪中当外加射频磁场rfB 方向与光路方向平行，待测磁场0B 在光路垂直的方向上时光电探测器测得的光信号的相位将超前射频信号相位 90°，因此可以将光信号放大移相后反馈到射频线圈构成自激振荡回路，如图 3.1 所示。
【学位授予单位】：重庆师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH89

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本文编号：2620304