CN113376703B - 一种新型碱金属光泵磁力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型碱金属光泵磁力仪，涉及磁法测量领域。本发明创造性的设计出单波长反射腔，从而实现泵浦光波长自锁、单轴双向泵浦。本光泵磁力仪探头具备较强的光泵效应，其磁共振信号高于传统结构磁力仪探头，同时磁力仪灵敏度更高。同时本结构简化了光泵磁力仪泵灯与原子吸收室结构，实现泵源与原子吸收室一体化。在不降低磁力仪性能的前提下，简化了光泵探头结构及附属电路，有助于光泵探头小型化。本发明具有技术难度低、生产成本低廉的优势，可满足光泵探头小型化的现实要求，具有实用性。

Description

一种新型碱金属光泵磁力仪

技术领域

本发明涉及磁法测量的领域，具体涉及一种新型碱金属光泵磁力仪。

背景技术

在地质构造中,由于地壳中不同岩层介质具有密度、弹性、导电性、磁性、放射性以及导热性等方面差异，因而造成局部地球物理场发生变化。通过测量这些物理场的分布和变化特征,对其进行地质构造分析,进而推断地质性状。地球物理勘探的主要任务是对局部地壳导电、放射性、磁性、重力等参数进行测量，为地质分析提供参考信息，便于今后矿产勘探及开采。为实现地质磁性参数收集，地球物理勘探人员通过操作各类磁法勘探设备开展磁法勘探以收集地壳磁性参数。

在地球地壳中，存留着大量铁铬镍等顺磁材料。在地球强磁场作用下，顺磁材料磁化后具有较强磁性。因具有良好的结构强度、材料特性以及丰富的储藏，铁铬镍顺磁材料而被人们广泛应用于日常生产生活领域及军事用途。未爆炸物UXO、地面、水下不明物体因具有大量磁性体而引起周围地球磁场变化。它们的磁特性常被作为一种探测目标。磁探测设备是主要的探测与定位装备。

光泵磁力仪是一种高灵敏磁探测设备，其工作原理是磁场中特定原子在光泵作用下发生磁共振，通过去取向作用的跟踪环路或者拉莫尔磁共振频率自激环路实现对外磁场的进行跟踪测量。因光泵磁力仪灵敏度高，而成为军民用高精度、高性能磁法勘探及磁异常探测的主要装备。本新型碱金属光泵磁力仪采用的是自激式磁力仪。只有自激跟踪环路中拉莫尔信号幅度足够大、相位满足自激条件时，光泵探头产生拉莫尔信号的自激振荡。通过对拉莫尔频率进行测量，可计算出外磁场值。为实现光泵效应，传统光泵磁力仪中泵灯和原子吸收室采用分离结构。独立的泵灯对原子吸收室内的原子产生光泵效应，原子吸收室内的原子发生磁共振。该方式中泵浦效应为单向泵浦，碱金属原子的泵浦几率有限。为保证足够的泵浦光强，技术人员将对泵灯施加较高功率的高频激励。同时，由于泵灯光谱较宽，泵浦光外光波将引入光噪声。如果采用激光器作为泵源，其结构更为复杂，配套电路众多，激光泵磁力仪的技术难度较高、生产成本高昂。此外，为了保证碱金属泵灯和碱金属原子吸收室内的金属蒸汽浓度，通常设计人员采用两套电路分别对灯、室实现加热、保温。因此，传统光泵探头结构较为繁琐、尺寸较大、电路复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种新型碱金属光泵磁力仪，具有泵浦光波长自锁、单轴双向泵浦、结构简单、技术难度较小、生产成本较低的优势。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种新型碱金属光泵磁力仪，包括探头、磁力仪主机和磁传感器，所述探头通过电缆与磁力仪主机电连接；探头包括探头外罩，探头外罩的内腔置入磁传感器，磁传感器外周环绕设置线圈，线圈通过电缆与磁力仪主机电连接，用于对磁传感器施加拉莫尔信号射频场；磁传感器为两端封闭的管状结构，磁传感器内填充有碱金属，磁传感器的外壁上均匀缠绕有加热丝，用于加热碱金属至气态，加热丝与电缆电连接实现供电；电极的一端连接电缆，电极的另一端插入磁传感器内，用于高频激励碱金属蒸汽，使碱金属蒸汽发光；磁传感器内安装有偏振片，用于将碱金属光转换为泵浦光；磁传感器的两端均安装有反射镜，从而在磁传感器内腔形成双向反射通道，泵浦光沿双向反射通道反复泵浦碱金属蒸汽原子，以发生光泵效应；光电探测器固定在磁传感器靠近磁力仪主机的一端，用于检测含有拉莫频率的光信号，并将其转为电信号，通过电缆传输至磁力仪主机，实现对外磁场的测量。

作为进一步的技术方案，所述磁传感器的外壁与探头外罩的内壁之间填充有保温层。

作为进一步的技术方案，所述管状结构为玻璃外套管，玻璃外套管套设在磁共振玻璃管外周；磁共振玻璃管具有梨形端和柱形端；玻璃外套管的一端与磁共振玻璃管的梨形端外壁焊接密封，玻璃外套管的另一端与磁共振玻璃管的柱形端口部焊接密封。

作为进一步的技术方案，所述磁共振玻璃管的梨形端密封焊接有球面反射镜，平面反射镜焊接密封在磁共振玻璃管的柱形端口部。

作为进一步的技术方案，偏振片固定在磁共振玻璃管内，光电探测器固定在平面反射镜上；磁共振玻璃管内充入碱金属和缓冲气体，在磁共振玻璃管内形成磁共振腔。

作为进一步的技术方案，所述磁力仪主机通过对外接口模块与外部设备电连接，实现供电和通信。

作为进一步的技术方案，所述磁力仪主机还包括高频激励模块，高频激励模块的一端与对外接口模块电连接，高频激励模块的另一端通过电缆连接电极，用于提供可调谐、高频激励功率。

作为进一步的技术方案，所述磁力仪主机还包括信号处理模块和主控模块，信号处理模块的一端通过电缆与光电探测器电连接，用于接收拉莫频率电信号，信号处理模块的另一端与主控模块电连接，用于输出模拟或者TTL频率信号；主控模块将接收到的信号转化成磁场值并输出至对外接口模块。

作为进一步的技术方案，所述磁力仪主机还包括温控模块，温控模块的一端通过电缆分别与线圈和加热丝电连接，用于控制加热丝的加热温度和线圈的电流大小，温控模块的另一端与对外接口模块电连接。

本发明的有益效果为：

1、采用泵浦光波长自锁技术方案，可克服光泵磁力仪光泵探头内泵源光谱较宽，光泵效应较弱、光噪声较大的不足；

2、采用光轴双向泵浦方式，可增加碱金属原子的泵浦几率，可克服磁传感器尺寸缩小，磁共振信号下降，磁力仪性能下降的不足；

3、采用光泵源与原子吸收室一体化设计，将有助于光泵探头结构及附属电路的简化；

4、具有体积小、灵敏度较强等优点，可广泛应用各领域的磁法测量任务。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为探头的结构示意图。

图3为磁传感器的结构示意图。

图4为磁力仪主机的结构示意图。

附图标记说明：探头1、电缆2、磁力仪主机3、磁传感器4、线圈5、电极6、保温层7、加热丝8、球面反射镜9、偏振片10、磁共振玻璃管11、玻璃外套管12、平面反射镜13、光电探测器14、高频激励模块15、信号处理模块16、温控模块17、主控模块18、对外接口模块19、探头外罩20。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

实施例：如附图1～4所示，这种新型碱金属光泵磁力仪，包括探头1、磁力仪主机3和磁传感器4，所述探头1通过电缆2与磁力仪主机3电连接；探头1包括探头外罩20，探头外罩20的内腔置入磁传感器4，磁传感器4外周环绕设置线圈5，线圈5通过电缆2与磁力仪主机3电连接，用于对磁传感器4施加拉莫尔信号射频场；磁传感器4为两端封闭的管状结构，磁传感器4内填充有碱金属，磁传感器4的外壁上均匀缠绕有加热丝8，用于加热碱金属至气态，加热丝8与电缆2电连接实现供电；电极6的一端连接电缆2，电极6的另一端插入磁传感器4内，用于高频激励碱金属蒸汽，使碱金属蒸汽发光；磁传感器4内安装有偏振片10，用于将碱金属光转换为泵浦光；磁传感器4的两端均安装有反射镜，从而在磁传感器4内腔形成双向反射通道，泵浦光沿双向反射通道反复泵浦碱金属蒸汽原子，以发生光泵效应；光电探测器14固定在磁传感器4靠近磁力仪主机3的一端，用于检测含有拉莫频率的光信号，并将其转为电信号，通过电缆2传输至磁力仪主机3，实现对外磁场的测量。

进一步地，如图3所示，管状结构为玻璃外套管12，玻璃外套管12套设在磁共振玻璃管11外周；磁共振玻璃管11具有梨形端和柱形端；玻璃外套管12的一端与磁共振玻璃管11的梨形端外壁焊接密封，玻璃外套管12的另一端与磁共振玻璃管11的柱形端口部焊接密封。磁共振玻璃管11的梨形端密封焊接有球面反射镜9，平面反射镜13焊接密封在磁共振玻璃管11的柱形端口部。偏振片10固定在磁共振玻璃管11内，光电探测器14固定在平面反射镜13上；磁共振玻璃管11内充入碱金属和缓冲气体，在磁共振玻璃管11内形成磁共振腔。

进一步地，如图4所示，磁力仪主机3通过对外接口模块19与外部设备电连接，实现供电和通信。磁力仪主机3还包括高频激励模块15、信号处理模块16、温控模块17和主控模块18，高频激励模块15的一端与对外接口模块19电连接，高频激励模块15的另一端通过电缆2连接电极6，用于提供可调谐、高频激励功率。信号处理模块16的一端通过电缆2与光电探测器14电连接，用于接收拉莫频率电信号，信号处理模块16的另一端与主控模块18电连接，用于输出模拟或者TTL频率信号；主控模块18将接收到的信号转化成磁场值并输出至对外接口模块19。温控模块17的一端通过电缆2分别与线圈5和加热丝8电连接，用于控制加热丝8的加热温度和线圈5的电流大小，温控模块17的另一端与对外接口模块19电连接。

优选地，参考附图2，磁传感器4的外壁(即玻璃外套管12)与探头外罩20的内壁之间填充有保温层7。阻挡磁传感器4内部加热传到外面，避免受外界温度影响。

本发明的工作原理：本发明是自激式的碱金属光泵磁力仪，在缓充气体及高频激励的影响下磁共振玻璃管11内的碱金属发光，在偏振片10的作用下，形成偏振光泵浦光。泵浦光在球面反射镜9、平面反射镜13之间往返泵浦碱金属原子(以铯原子为例)。当磁传感器4的外周的线圈5在磁共振玻璃管11内(即磁共振腔)产生的射频场的频率与外磁场在铯原子能级跃迁产生的拉莫尔频率相一致时，在移相器的作用下，铯光泵磁力仪光泵探头产生自激现象。铯原子在磁共振腔内发生磁共振现象，原子跃迁的拉莫尔频率信号由光电探测器14采集并传输至磁力仪主机3，磁力仪主机3的信号处理模块16接收拉莫频率电信号，并输出模拟或者TTL频率信号给主控模块18，主控模块18将接收到的信号转化成磁场值并输出至对外接口模块19。在实际使用中，当线圈5产生的频率和拉莫尔频率一致才能产生磁共振，但并不能形成自激。需对接收拉莫尔频率信号移相才能实现自激。此时，通过对该拉莫尔频率进行计数，代入拉莫尔频率与外磁场的关系式就可以推导出光泵磁力仪所处位置的磁场值。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种新型碱金属光泵磁力仪，其特征在于：包括探头（1）、磁力仪主机（3）和磁传感器（4），所述探头（1）通过电缆（2）与磁力仪主机（3）电连接；探头（1）包括探头外罩（20），探头外罩（20）的内腔置入磁传感器（4），磁传感器（4）外周环绕设置线圈（5），线圈（5）通过电缆（2）与磁力仪主机（3）电连接，用于对磁传感器（4）施加拉莫尔信号射频场；磁传感器（4）为两端封闭的管状结构，磁传感器（4）内填充有碱金属，磁传感器（4）的外壁上均匀缠绕有加热丝（8），用于加热碱金属至气态，加热丝（8）与电缆（2）电连接实现供电；电极（6）的一端连接电缆（2），电极（6）的另一端插入磁传感器（4）内，用于高频激励碱金属蒸汽，使碱金属蒸汽发光；磁传感器（4）内安装有偏振片（10），用于将碱金属光转换为泵浦光；磁传感器（4）的两端均安装有反射镜，从而在磁传感器（4）内腔形成双向反射通道，泵浦光沿双向反射通道反复泵浦碱金属蒸汽原子，以发生光泵效应；光电探测器（14）固定在磁传感器（4）靠近磁力仪主机（3）的一端，用于检测含有拉莫频率的光信号，并将其转为电信号，通过电缆（2）传输至磁力仪主机（3），实现对外磁场的测量；

所述磁传感器（4）的外壁与探头外罩（20）的内壁之间填充有保温层（7）；

所述管状结构为玻璃外套管（12），玻璃外套管（12）套设在磁共振玻璃管（11）外周；磁共振玻璃管（11）具有梨形端和柱形端；玻璃外套管（12）的一端与磁共振玻璃管（11）的梨形端外壁焊接密封，玻璃外套管（12）的另一端与磁共振玻璃管（11）的柱形端口部焊接密封；

所述磁共振玻璃管（11）的梨形端密封焊接有球面反射镜（9），平面反射镜（13）焊接密封在磁共振玻璃管（11）的柱形端口部；

偏振片（10）固定在磁共振玻璃管（11）内，光电探测器（14）固定在平面反射镜（13）上；磁共振玻璃管（11）内充入碱金属和缓冲气体，在磁共振玻璃管（11）内形成磁共振腔。

2.根据权利要求1所述的新型碱金属光泵磁力仪，其特征在于：所述磁力仪主机（3）通过对外接口模块（19）与外部设备电连接，实现供电和通信。

3.根据权利要求2所述的新型碱金属光泵磁力仪，其特征在于：所述磁力仪主机（3）还包括高频激励模块（15），高频激励模块（15）的一端与对外接口模块（19）电连接，高频激励模块（15）的另一端通过电缆（2）连接电极（6），用于提供可调谐、高频激励功率。

4.根据权利要求2所述的新型碱金属光泵磁力仪，其特征在于：所述磁力仪主机（3）还包括信号处理模块（16）和主控模块（18），信号处理模块（16）的一端通过电缆（2）与光电探测器（14）电连接，用于接收拉莫频率电信号，信号处理模块（16）的另一端与主控模块（18）电连接，用于输出模拟或者TTL频率信号；主控模块（18）将接收到的信号转化成磁场值并输出至对外接口模块（19）。

5.根据权利要求2所述的新型碱金属光泵磁力仪，其特征在于：所述磁力仪主机（3）还包括温控模块（17），温控模块（17）的一端通过电缆（2）分别与线圈（5）和加热丝（8）电连接，用于控制加热丝（8）的加热温度和线圈（5）的电流大小，温控模块（17）的另一端与对外接口模块（19）电连接。