一種自激式銫-133元素光泵磁力儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自激式銫-133元素光泵磁力儀，它包括光系組件和電子組件，光系組件由銫原子元件和光學(xué)元件組成，電子組件與光系組件形成自激震蕩回路，輸出頻率與外界磁場(chǎng)成正比的正弦波信號(hào)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，可在10000nT-100000nT（0.1高斯-1高斯）整個(gè)量程范圍內(nèi)連續(xù)工作，在外界磁場(chǎng)大范圍突變情況下也能快速響應(yīng)，保證輸出信號(hào)實(shí)時(shí)不間斷，其靜態(tài)噪聲均方根值2pt。
【專利說明】一種自激式銫-133元素光泵磁力儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于磁探【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種自激式銫-133元素光泵磁力儀。

【背景技術(shù)】
[0002]磁法勘察一直是地球物理調(diào)查的重要內(nèi)容，廣泛用于航磁測(cè)量、海底資源勘探、地震預(yù)測(cè)、搜救打撈以及軍用反潛等領(lǐng)域。磁力儀按工作原理可以分為磁通門式、質(zhì)子旋進(jìn)式、光泵式、超導(dǎo)式等不同種類型。相比較而言，基于光泵技術(shù)的高靈敏度磁探儀，靈敏度高、無零點(diǎn)漂移、不須嚴(yán)格定向，環(huán)境梯度容限高，可連續(xù)測(cè)量等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空及海洋地球物理勘探。
[0003]銫光泵磁力儀是利用銫133元素的原子受激發(fā)后，在外磁場(chǎng)作用下超精細(xì)能級(jí)(F=3，F(xiàn)=4能級(jí))的塞曼效應(yīng)來測(cè)量外部磁場(chǎng)的。在加熱或電激發(fā)作用下的銫原子，再以滿足F=3，F(xiàn)=4能級(jí)躍遷頻率的光束照射，原子吸收光的能量，將由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，這一效應(yīng)稱之為光泵作用。處于高能級(jí)的銫原子在外磁場(chǎng)下會(huì)產(chǎn)生能級(jí)分裂，分裂后的原子兩相鄰子能級(jí)間的能量差可用塞曼躍遷頻率f0來表示，f0大小與外磁場(chǎng)成正比。因此，設(shè)法測(cè)得f0，就可測(cè)得外磁場(chǎng)，而且具有很高的靈敏度。銫光泵磁力儀輸出的fO與外界磁場(chǎng)的比例關(guān)系為f0 = 3.498577 x H，其中H為外部磁場(chǎng)值，單位為nT。在1000nT -1OOOOOnT的量程范圍，f0為35khz - 350Khz。
[0004]以堿金屬銫133為工作介質(zhì)的銫光泵磁力儀使用壽命長(zhǎng),性能穩(wěn)定可靠,在國(guó)內(nèi)尚屬空白產(chǎn)品。除了應(yīng)用于物探與海洋勘探應(yīng)用領(lǐng)域，還由于銫光泵磁力儀在軍事應(yīng)用上的潛在價(jià)值，高指標(biāo)的銫光泵磁力儀屬于對(duì)華限制出口產(chǎn)品。因此，研發(fā)出銫光泵磁力儀刻不容緩。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的空白而提供的一種自激式銫-133元素光泵磁力儀，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，具有在外界磁場(chǎng)大范圍波動(dòng)情況下實(shí)時(shí)輸出信號(hào)的能力。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是:
一種自激式銫-133元素光泵磁力儀，特點(diǎn)是它包括光系組件及電子組件，光系組件與電子組件之間用無磁性電纜連接，所述光系組件包括銫原子燈、第一窄帶干涉濾光片、第二窄帶干涉濾光片、紅外聚焦透鏡、偏振分光棱鏡、銫蒸汽室及硅光電池，銫蒸汽室外部繞有勵(lì)磁線圈；所述銫原子燈、第一窄帶干涉濾光片、紅外聚焦透鏡、偏振分光棱鏡、銫蒸汽室、第二窄帶干涉濾光片、硅光電池依次排列并安裝處于同一軸線上；高頻交流電激發(fā)銫原子燈發(fā)光，經(jīng)過第一窄帶干涉濾光片后，紅外聚焦透鏡聚焦為平行光，通過偏振分光棱鏡后變?yōu)橛倚龍A偏振光，隨后經(jīng)過銫蒸汽室被氣態(tài)的銫133原子調(diào)制，再經(jīng)過第二窄帶干涉濾光片濾除雜散光，照射到硅光電池上，變?yōu)殡娦盘?hào)輸出；
所述電子組件包括溫度控制器、高頻驅(qū)動(dòng)器、低噪聲前置放大器及后級(jí)驅(qū)動(dòng)器，由光系組件輸出的硅光電池信號(hào)經(jīng)過低噪聲前置放大器放大，通過后級(jí)驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定幅度，信號(hào)輸入光系組件中銫蒸汽室外部的勵(lì)磁線圈中，構(gòu)成一個(gè)量子反饋震蕩器，該振蕩器輸出的頻率信號(hào)即為與外部磁場(chǎng)成正比的正弦波信號(hào)，通過測(cè)量正弦波信號(hào)的頻率即可測(cè)量外部磁場(chǎng)值；溫度控制器控制銫原子燈及銫蒸汽室的溫度，高頻驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生110 MHz?130 MHz的信號(hào)驅(qū)動(dòng)銫原子燈發(fā)光。
[0007]所述光系組件中的光路為銫原子燈光線先經(jīng)過第一窄帶干涉濾光片，再進(jìn)行透鏡聚焦，所述紅外聚焦透鏡的焦距僅對(duì)于894nm的光線，提高了聚焦效率。
[0008]所述銫蒸汽室外部的勵(lì)磁線圈為沿銫蒸汽室圓柱體外部繞制，線圈磁場(chǎng)的軸向與經(jīng)過銫蒸汽室內(nèi)的光路軸向相同，圈數(shù)為5?7。
[0009]所述銫蒸汽室外部還繞有正向加熱線圈及反向加熱線圈。
[0010]所述偏振分光棱鏡由一對(duì)高精度直角棱鏡膠合而成，其中一個(gè)棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質(zhì)膜，對(duì)894nm波長(zhǎng)附近的光線透過率達(dá)90%以上，直接將自然光變?yōu)橛倚龍A偏振光。
[0011]所述銫蒸汽室為圓柱體，直徑24.5mm?25.5mm,長(zhǎng)19.5mm?20.5mm ;銫原子燈直徑為9.5mm?10.5mm的球型玻璃泡。
[0012]經(jīng)過銫蒸汽室的光線，再經(jīng)過第二干涉濾光片，濾除了雜散光，提高了硅光電池信號(hào)的信噪比。
[0013]本發(fā)明可在1000nT -1OOOOOnT (0.1高斯-1高斯)整個(gè)量程范圍內(nèi)連續(xù)工作，
在外界磁場(chǎng)大范圍突變情況下也能快速響應(yīng)，保證輸出信號(hào)實(shí)時(shí)不間斷，其靜態(tài)噪聲均方根值2pt。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明外形圖；
圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明銫蒸汽室外部線圈結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明溫度控制器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明高頻驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不限定本
【發(fā)明內(nèi)容】
。
[0016]參閱圖1，本發(fā)明由光系組，I和電子組件2組成，中間用無磁性電纜連接。
[0017]參閱圖2，本發(fā)明的光系組件I中銫原子燈3收到高頻交流電的激發(fā)發(fā)光，通過第一窄帶干涉濾光片I和偏振分光棱鏡5后變?yōu)橛倚龍A偏振光，經(jīng)過圓柱形的銫蒸汽室7，光線的強(qiáng)度受到子蒸汽吸收的調(diào)制，再經(jīng)過第二窄帶濾光片8后照射到硅光電池9上，變?yōu)殡娦盘?hào)。在圓柱形銫蒸汽室7外部繞有勵(lì)磁線圈71。電子組件2中的低噪聲前置放大器13、后級(jí)驅(qū)動(dòng)器12將光系組件I中硅光電池9輸出的電信號(hào)放大、反饋回光系組件I中的銫蒸汽室7外圍的勵(lì)磁線圈中，構(gòu)成反饋震蕩回路。
[0018]所述的光系組件I中，按照光通路的先后，各量子和光學(xué)元件的排列次序?yàn)殇C原子燈3、第一窄帶干涉濾光片4、紅外聚焦透鏡5、偏振分光棱鏡6、銫蒸汽室7、第二窄帶干涉濾光片8、硅光電池9。各元件的安裝處于同一軸線上。
[0019]所述的電子組件2中，信號(hào)的通路為硅光電池9輸出的信號(hào)先經(jīng)過低噪聲前置放大器13、由后級(jí)驅(qū)動(dòng)器12反饋給光系組件I中銫蒸汽室7外圍的勵(lì)磁線圈71，構(gòu)成量子反饋回路，電路輸出即為與外界磁場(chǎng)成正比的正弦波信號(hào)。
[0020]參閱圖3，銫蒸汽室7外部的勵(lì)磁線圈71為沿銫蒸汽室圓柱體外部繞制，線圈磁場(chǎng)的軸向與經(jīng)過銫蒸汽室7內(nèi)的光路軸向相同，圈數(shù)為5?7圈。銫蒸汽室7外部還繞有正向加熱線圈72及反向加熱線圈73。
[0021]參閱圖4，本發(fā)明的電子組件2中，溫度控制電路11由模擬運(yùn)算放大器構(gòu)成，通過繞制在銫原子燈3和銫蒸汽室7外圍的2個(gè)方向相反的線圈加熱銫原子燈3和銫蒸汽室7，使得加熱電流磁場(chǎng)互相抵消。加熱線圈中安裝有溫敏電阻，通過運(yùn)放構(gòu)成的積分電路測(cè)量通過溫敏電阻的電流值，控制加熱線圈的電壓幅度，達(dá)到恒溫控制的目的。
[0022]參閱圖5，所述的電子組件2中，高頻驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生110Mhz-120Mhz的高頻信號(hào)，輸出功率3W，輸出阻抗50歐姆，用以驅(qū)動(dòng)光系組件I中的銫原子燈3發(fā)光。高頻驅(qū)動(dòng)器帶有過流過壓保護(hù)功能。
實(shí)施例
[0023]本實(shí)施例是基于光檢測(cè)磁共振的光泵效應(yīng)基本原理，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品級(jí)的實(shí)用裝置。該裝置由光系組件I和電子組件2組成，光系組件I中銫原子燈3收到高頻交流電的激發(fā)發(fā)光，通過窄帶干涉濾光片4和偏振分光棱鏡5后變?yōu)橛倚龍A偏振光，經(jīng)過圓柱形的銫蒸汽室7，光線的強(qiáng)度受到蒸汽狀態(tài)的銫原子的調(diào)制，再經(jīng)過一個(gè)窄帶濾光片8后照射到硅光電池9上，變?yōu)殡娦盘?hào)。在圓柱形銫蒸汽室7外部繞有勵(lì)磁線圈71。電子組件2中的低噪聲前置放大器13、后級(jí)驅(qū)動(dòng)器12將光系組件I中娃光電池9輸出的電信號(hào)放大、反饋回光系組件I中的艷蒸汽室7外圍的勵(lì)磁線圈71中，構(gòu)成反饋震湯回路。
[0024]參閱圖1-2，本實(shí)施例光系組件I包括銫原子燈3、窄帶干涉濾光片4、紅外聚焦透鏡5、偏振分光棱鏡6、銫蒸汽室7 ；電子組件2包括溫度控制器11、高頻驅(qū)動(dòng)器10、低噪聲前置放大器13及后級(jí)驅(qū)動(dòng)器12，具體實(shí)現(xiàn)方式如下:
銫原子燈3:設(shè)計(jì)為球形玻璃泡，直徑9.5mm,內(nèi)部充有銫133金屬單質(zhì)和惰性氣體。銫133金屬單質(zhì)采用多道提純工藝，純度可達(dá)到6個(gè)9以上。球形玻璃泡周圍設(shè)置有金屬電極，金屬電極通過高頻交流電激發(fā)銫原子燈發(fā)光。銫133原子受到激發(fā)后主要發(fā)射Dl線(894nm)和D2線(852nm)，處于近紅外波段。此外還有惰性氣體原子受到激發(fā)后發(fā)射的相關(guān)線光譜。銫原子燈3外部繞有加熱線圈，為消除加熱電流的磁場(chǎng)影響，采用兩個(gè)繞向相反的線圈，通以反方向的電流。線圈內(nèi)埋設(shè)有溫敏電阻，測(cè)量銫原子燈的溫度。
[0025]窄帶干涉濾光片4和8:濾除除了 Dl譜線(894nm)的其他波的光。
[0026]紅外聚焦透鏡5:將銫原子燈3發(fā)出的Dl譜線光變成平行光束。
[0027]偏振分光棱鏡6:把入射的非偏振光分成兩束垂直的線偏光。其中P偏光完全通過，而S偏光以45度角被反射，出射方向與P光成90度角。此偏振分光棱鏡由一對(duì)高精度直角棱鏡膠合而成，其中一個(gè)棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質(zhì)膜。棱鏡將入射的Dl譜線自然光變?yōu)橛倚龍A偏振光。
[0028]銫蒸汽室7:設(shè)計(jì)為圓柱形玻璃容器，直徑25.5mm，長(zhǎng)20.5mm。銫蒸汽室為磁力儀的磁敏感部件，體積越小，則設(shè)備對(duì)外界磁場(chǎng)的梯度容限越高，本實(shí)施例中的銫蒸汽室尺寸設(shè)計(jì)可滿足對(duì)環(huán)境梯度容限40000nT/m的要求。銫蒸汽室內(nèi)部抽高真空，并充有銫_133金屬及緩沖惰性氣體。銫133金屬單質(zhì)采用多道提純工藝，純度可達(dá)到6個(gè)9以上。圓柱形玻璃容器內(nèi)壁采用特殊工藝噴涂有透紅外的高分子材料，以降低銫原子與內(nèi)壁玻璃碰撞造成的能級(jí)變化，提高儀器靈敏度。銫蒸汽室外部繞有加熱線圈，為消除加熱電流的磁場(chǎng)影響，采用2個(gè)繞向相反的線圈，通以反方向的電流。線圈內(nèi)埋設(shè)有溫敏電阻，測(cè)量銫蒸汽室的溫度。除了加熱線圈外，銫蒸汽室外部還繞有勵(lì)磁線圈，作為反饋震蕩電路的激勵(lì)信號(hào)輸入。
[0029]娃光電池9:將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。米用中心波長(zhǎng)在895nm左右的娃光電池兀件，由于所測(cè)信號(hào)十分微弱，硅光電池內(nèi)部集成有前置放大器，提供20db的信號(hào)增益能力。
[0030]電子組件2中的低噪聲前置放大器13、后級(jí)驅(qū)動(dòng)器12與光系組件I構(gòu)成自激勵(lì)共振反饋通路。整個(gè)電路的通帶為30kHz - 400Khz，增益55db左右，在通帶內(nèi)增益特性平坦，滿足磁力儀在1000nT-1OOOOOnT范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)要求。
[0031]參閱圖4，電子組件2中的溫度控制器11，采取模擬運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)，與銫原子燈3及銫蒸汽室7的加熱線圈、溫敏電阻一起構(gòu)成負(fù)反饋電路，根據(jù)溫敏電阻值調(diào)節(jié)加熱線圈的電流大小，達(dá)到恒溫控制的目的。為同時(shí)調(diào)節(jié)銫原子燈3及銫蒸汽室7的溫度，溫度控制器11內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的模塊，每個(gè)模塊可驅(qū)動(dòng)2組繞向相反，圈數(shù)相同的加熱線圈，以抵消加熱電流帶來的附加磁場(chǎng)。
[0032]參閱圖5，電子組件2中的高頻驅(qū)動(dòng)器10，內(nèi)部由壓控振蕩器、射頻功率放大器、過壓過流保護(hù)電路組成，壓控振蕩器輸出120Mhz左右，1dbm信號(hào)，經(jīng)過射頻功放放大至3W輸出。高頻驅(qū)動(dòng)器輸出的頻率可以微調(diào)，與銫原子燈3負(fù)載的阻抗匹配，達(dá)到最佳輸出效率。高頻驅(qū)動(dòng)器10設(shè)計(jì)有過壓過流保護(hù)電路，當(dāng)負(fù)載阻抗不匹配，或者開路的時(shí)候，可保護(hù)射頻功放不至于損壞。
【權(quán)利要求】
1.一種自激式銫-133元素光泵磁力儀，其特征在于它包括光系組件(I)及電子組件(2)，光系組件(I)與電子組件(2)之間用無磁性電纜連接，所述光系組件(I)包括銫原子燈(3)、第一窄帶干涉濾光片(4)、第二窄帶干涉濾光片(8)、紅外聚焦透鏡(5)、偏振分光棱鏡(6)、銫蒸汽室(7)及硅光電池(9)，銫蒸汽室(7)外部繞有勵(lì)磁線圈(71)及正向加熱線圈(72)、反向加熱線圈(73);所述銫原子燈(3)、第一窄帶干涉濾光片(4)、紅外聚焦透鏡(5)、偏振分光棱鏡(6)、銫蒸汽室(7)、第二窄帶干涉濾光片(8)、硅光電池(9)依次排列并安裝處于同一軸線上；高頻交流電激發(fā)銫原子燈(3)發(fā)光，經(jīng)過第一窄帶干涉濾光片(4)后，紅外聚焦透鏡(5)聚焦為平行光，通過偏振分光棱鏡(6)后變?yōu)橛倚龍A偏振光，隨后經(jīng)過銫蒸汽室(7)被氣態(tài)的銫133原子調(diào)制，再經(jīng)過第二窄帶干涉濾光片(8)濾除雜散光，照射到硅光電池(9)上，變?yōu)殡娦盘?hào)輸出；所述電子組件(2)包括溫度控制器(11)、高頻驅(qū)動(dòng)器(10)、低噪聲前置放大器(13)及后級(jí)驅(qū)動(dòng)器(12)，由光系組件(I)輸出的硅光電池信號(hào)經(jīng)過低噪聲前置放大器(13)放大，通過后級(jí)驅(qū)動(dòng)器(12)穩(wěn)定幅度，信號(hào)輸入光系組件(I)中銫蒸汽室(7)外部的勵(lì)磁線圈(71)中，構(gòu)成一個(gè)量子反饋震蕩器，該振蕩器輸出的頻率信號(hào)即為與外部磁場(chǎng)成正比的正弦波信號(hào)，通過測(cè)量正弦波信號(hào)的頻率即可測(cè)量外部磁場(chǎng)值；溫度控制器(11)控制銫原子燈(3)及銫蒸汽室(7)的溫度，高頻驅(qū)動(dòng)器(10)產(chǎn)生110 MHz?130 MHz的信號(hào)驅(qū)動(dòng)銫原子燈發(fā)光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自激式銫-133元素光泵磁力儀，其特征在于所述紅外聚焦透鏡(5)的焦距僅對(duì)于894nm的單色光線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自激式銫-133元素光泵磁力儀，其特征在于所述偏振分光棱鏡(6 )由一對(duì)高精度直角棱鏡膠合而成，其中一個(gè)棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質(zhì)膜，對(duì)894nm波長(zhǎng)附近的光線透過率達(dá)90%以上，直接將自然光變?yōu)橛倚龍A偏振光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自激式銫-133元素光泵磁力儀，其特征在于所述銫蒸汽室(7)為圓柱體,直徑24.5_?25.5mm,長(zhǎng)19.5_?20.5mm ;銫原子燈(3)直徑為9.5_?10.5mm的球型玻璃泡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自激式銫-133元素光泵磁力儀，其特征在于銫蒸汽室(7)夕卜部的勵(lì)磁線圈(71)為沿銫蒸汽室圓柱體外部繞制，線圈磁場(chǎng)的軸向與經(jīng)過銫蒸汽室內(nèi)的光路軸向相同，勵(lì)磁線圈(71)的圈數(shù)為5?7。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自激式銫-133元素光泵磁力儀，其特征在于所述銫蒸汽室(7)外部還繞有正向加熱線圈(72)及反向加熱線圈(73)。
【文檔編號(hào)】G01V3/00GK104181604SQ201410444711
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】許慶豐, 許貴琳, 李明, 周捷, 謝俊杰, 莫翔 申請(qǐng)人:上海通用衛(wèi)星導(dǎo)航有限公司