一种高准确度磁强计的制作方法

本发明属于磁场计量，尤其涉及一种高准确度磁强计。

背景技术：

1、高准确度弱磁场磁强计在磁异常探测、水下目标磁定位、磁导航、深空磁探测、地磁普查等军民领域有着重要的应用，其主要包括：质子磁强计、overhauser磁强计。质子磁强计采用给富含质子的介质中施加垂直于测量磁场的磁场进行磁化，关闭极化，质子沿测量磁场进行自由旋进，自由旋进的频率与测量磁场成正比，由于质子旋进时间很短，频率很低，因此质子磁强计的精度不是很高，最高只能达到0.5nt。overhauser磁强计是动态核极化磁强计双重极化磁强计，采用电磁自旋共振esr和核磁共振nmr，传感器介质包含自由电子含质子的溶剂中，高频场激发的电子，能量传给氢核，此种方式可以提高极化，使得灵敏度和分辨力较高，磁强计的准确度可以达到0.1nt。

2、现在技术对于高准确度磁场测量，主要采用核磁共振原理，主要工作介质是质子，质子的旋磁比42.576mhz/t，其弱磁场磁强计的测量最大值100mt的测量范围，其输出的频率直达只有4258hz，频率低，精确测量低；在空间磁场研究中，nmr磁强计分辨率不高。对于弱磁场测量，使用电子顺磁共振esr磁强计，相对于nmr传感器，he的旋磁比比较高，进而频率输出比较高，测量精度比较高，采用esr效应的工作的he光泵磁强计、cs光泵磁强计，he光泵磁强计，由于he元素只有一根谱线，更容易测量，准确较高；cs光泵磁强计有两根相邻谱线，存在一定干扰，准确度相对he光泵磁强计低。采用esr原理的光泵磁强计，通过光学激发，存在光频移，导致测量磁场的准确性较低。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种高准确度磁强计，采用cs原子激化亚稳态he原子的方法，消除he原子极化的光频移，大大提高了磁场测量的准确度。

2、一种高准确度磁强计，包括cs光源、光学组件、吸收室、亚稳态激励电路、电极、射频线圈、检测组件、拉莫尔频率探测电路，其中，射频线圈缠绕在吸收室外部，电极安装于吸收室内部，吸收室中含有he、cs工作物质；

3、所述亚稳态激励电路用于激励电极冷发光，使吸收室中的he原子极化为亚稳态；所述射频线圈用于在吸收室中形成交变磁场，使he原子在交变磁场和待测的外部磁场的作用下，形成光磁共振效应；所述cs光源发出的光束经光学组件转换为圆偏振光后入射至吸收室；圆偏振光将吸收室中的cs原子由基态激发为激发态，使得激发态的cs原子和亚稳态的he原子发生自旋交换；不断改变射频线圈中交流电信号的频率，采用检测组件在不同频率下，根据吸收室透射的光信号判断he原子是否与外部磁场发生光磁共振效应，若为是，则此时he原子围绕外部磁场作拉莫尔进动，同时采用拉莫尔频率探测电路根据吸收室当前透射的光信号获取拉莫尔进动频率，再根据拉莫尔进动频率与外部磁场的映射关系得到外部磁场的大小。

4、进一步地，所述光学组件包括第一凸透镜5、894nm滤波片4、偏振片3、1/4波片2；

5、cs光源发出的光束经过第一凸透镜5后由发散光变为平行光，平行光经过894nm滤波片4后得到894nm光，894nm光通过偏振片3后变为线偏振光，线偏振光经过1/4波片2后变为圆偏振光。

6、进一步地，所述检测组件包括光电探测器10、锁相放大电路12、信号发生器13；

7、吸收室透射的光信号由光电探测器11接收转化为电信号，电信号经锁相放大电路12后以得到鉴频信号，信号发生器13根据鉴频信号判断he原子是否与外部磁场发生光磁共振效应，若未发生光磁共振效应，则生成调制信号改变射频线圈中交流电信号的频率，直到发生光磁共振效应。

8、进一步地，信号发生器13根据鉴频信号判断he原子与外部磁场已发生光磁共振效应的依据为：吸收室透射的光信号的光强最弱，鉴频信号的幅度最小。

9、进一步地，一种高准确度磁强计，还包括第二凸透镜11；

10、吸收室透射的光信号经过第二凸透镜11聚焦后再入射至光电探测器11。

11、进一步地，所述亚稳态激励电路采用每隔1ms激励1ms的方式激励电极冷发光。

12、有益效果：

13、1、本发明提供一种高准确度磁强计，采用cs光源发出的光谱激发cs原子，激发态的cs原子与亚稳态的he原子发生自旋交换，进入激发态，通过调整共振频率，he原子与外部磁场形成磁共振，根据产生的共振频率信号计算出拉莫尔共振频率从而实现磁场测量；也就是说，基于he原子的旋磁比为28.025ghz/t，输出频率高的特点，本发明通过极化的cs原子激发he原子的方式，消除了he原子极化的光频移，相比传统磁强计，磁场测量的准确度可以提高1个数量级，测量准确度大大提高，尤其适用于测量地磁场范围内磁场的准确度。

14、2、本发明提供一种高准确度磁强计，检测组件包括光电探测器、锁相放大电路、信号发生器，并采用跟踪式对射频线圈的频率信号进行检测，相对于自激式信号检测，消除了信号相位误差，提高了检测的准确度。

15、3、本发明提供一种高准确度磁强计，亚稳态激励电路采用每隔1ms激励1ms的方式激励电极冷发光，提高了激励效率，降低了连续激励对磁强计准确度的影响。

技术特征：

1.一种高准确度磁强计，其特征在于，包括cs光源、光学组件、吸收室、亚稳态激励电路、电极、射频线圈、检测组件、拉莫尔频率探测电路，其中，射频线圈缠绕在吸收室外部，电极安装于吸收室内部，吸收室中含有he、cs工作物质；

2.如权利要求1所述的一种高准确度磁强计，其特征在于，所述光学组件包括第一凸透镜(5)、894nm滤波片(4)、偏振片(3)、1/4波片(2)；

3.如权利要求1所述的一种高准确度磁强计，其特征在于，所述检测组件包括光电探测器(10)、锁相放大电路(12)、信号发生器(13)；

4.如权利要求3所述的一种高准确度磁强计，其特征在于，信号发生器(13)根据鉴频信号判断he原子与外部磁场已发生光磁共振效应的依据为：吸收室透射的光信号的光强最弱，鉴频信号的幅度最小。

5.如权利要求3所述的一种高准确度磁强计，其特征在于，还包括第二凸透镜(11)；

6.如权利要求1～5任一权利要求所述的一种高准确度磁强计，其特征在于，所述亚稳态激励电路采用每隔1ms激励1ms的方式激励电极冷发光。

技术总结
本发明提供一种高准确度磁强计，采用Cs光源发出的光谱激发Cs原子，激发态的Cs原子与亚稳态的He原子发生自旋交换，进入激发态，通过调整共振频率，He原子与外部磁场形成磁共振，根据产生的共振频率信号计算出拉莫尔共振频率从而实现磁场测量；也就是说，基于He原子的旋磁比为28.025GHz/T，输出频率高的特点，本发明通过极化的Cs原子激发He原子的方式，消除了He原子极化的光频移，相比传统磁强计，磁场测量的准确度可以提高1个数量级，测量准确度大大提高，尤其适用于测量地磁场范围内磁场的准确度。

技术研发人员：韩晓东,张樊,官业欣,顾清
受保护的技术使用者：宜昌测试技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12