CN1034069A

CN1034069A - 跟踪式氦(He4)光泵磁力仪

Info

Publication number: CN1034069A
Application number: CN 88100010
Authority: CN
Inventors: 王庆萼
Original assignee: AEROPHYSICAL SURVEY TEAM (GENERAL) MINISTRY OF GEOLOGY AND MINERALS
Current assignee: AEROPHYSICAL SURVEY TEAM (GENERAL) MINISTRY OF GEOLOGY AND MINERALS
Priority date: 1988-01-05
Filing date: 1988-01-05
Publication date: 1989-07-19
Also published as: CN1011352B

Abstract

本发明跟踪式氦(He₄)光泵磁力仪是一种检测地球磁场变化的仪器。其要点是：

1、对探头中的高频激励系统，氦灯及吸收室磁场系统作了新的设计，提高了讯噪比，从而提高仪器的灵敏度。

2、利用误差讯号中的二倍频讯号设置了快速跟踪外磁场变化的自动控制电路。

3、跟踪环路设有自身高次锁定倍频，简化了倍频电路，既提高了电路的可靠性，又提高了显示灵敏度。

4、本发明的显示灵敏度为：

0.5秒采样 0.02nT

1秒采样 0.01nT

Description

本发明是一种检测地球磁场变化的仪器。

利用“光泵”技术构成磁力仪是卡斯特拉（Kastlar）于1956年提出来的（“Optical methode of atomic orcentation and of magnetic resonance”J·opti，soc，Am，47，460-465）。

根据这一原理，美国德克萨斯（Texas）仪器公司于1967年制作了跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪。（A.R.Keyser，J.A.Rice，L.D.Schearer“A metastable Helium magnetometer for observing small geomagnetic fluctuations”）。从设计摘要（Bernard Kovit“Ulra-Precise magnetometer for underser or spece”DESIGN DIGEST 1961）可知其基本工作原理。

由高频功率源、氦灯、凸镜、园偏振片、绕有共振线圈的吸收室及光电检测器组成的探头，是产生光泵作用，提供误差讯号的部件。其讯噪比的高低，是决定仪器灵敏度的关键所在。

由共振线圈（射频磁场线圈）、吸收室、光电检测器、相敏检波器及压控振荡器组成了跟踪环路。要使仪器进入自动跟踪，探头必须输出具有一定幅度的基频误差讯号（调制频率）。由于在跟踪区域附近，基频误差讯号与外磁场的关系如图1之1所示。一旦当外磁场的变化超出了磁共振的正常跟踪区域3，基频误差讯号就变得很小而使仪器不能正常跟踪。这对需要以较快速率进行连续测量和采样的系统将是不适应的。由跟踪原理可知，被测磁场值Hr可用跟踪状态下的共振频率fr即拉莫尔频率（Larmar）来表示，用计数脉冲来表示的显示灵敏度S由式（1）确定：

S＝ 2/(rpmT) （1）

式中rp为氦（He⁴）光泵磁力仪的旋磁化，约28Hz/nT。

m为提高显示灵敏度，对共振频率fr进行倍频的倍频数。

T为每次采样的周期（秒）。

为在快速采样中提高仪器的显示灵敏度，需要对共振频率fr进行高次倍频（日本专利昭和-55-151275）后再进入计数器。这种方法在频率较高而且需要变化范围较大的情况下，其电路是比较复杂而且可靠性不高。

基于上述跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪的原理和已有技术，本发明提供一种跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，其目的在于：

（1）为尽可能提高仪器的灵敏度，对探头中的高频激励系统、氦灯、吸收室周围的射频磁场和调制磁场提出了新的设计，从提高探头的讯噪比以提高仪器的灵敏度。

（2）利用误差讯号中存在的二倍频误差讯号幅值变化的特点如图1中之2，提供了能在大的外磁场变化速率时具有快速跟踪的自动控制、防止失踪能力的电路。

（3）利用跟踪环路自身对射频共振磁场的频率进行了高次锁定倍数，以提高被测磁场的显示灵敏度。

本发明根据上述三点提供的跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，由高频功率激励系统（4-9）、光学系统（10-19）、吸收室磁场系统（18、19）所组成的探头及跟踪环路系统所组成。如图2及图3所示。

高频振荡器4产生高频电压，经变压器5供功率放大器6以提高输出功率，再通过变压器7输出，经传输电缆传到调谐回路8以激励氦灯10并以激励电极9激发吸收室14。

氦灯10被激励后发出1.083μm的光经凸镜11形成平行光，通过偏振片12及1/4波长片13变成园偏振光，此光射至吸收室14在外磁场Hr淖饔孟虏獗米饔谩Ｎ帐?4周围绕有提供射频磁场的线圈18和产生调制磁场的线圈19在吸收室14内所产生的磁场与之产生磁共振。磁共振使通过吸收室14的光线最弱。此光线经凸镜15聚焦于光敏器件16产生带调制的光电源。该光电流即以调制场频率输出误差讯号，经前置放大器17放大和经传输电缆20进入仪器主体的基频误差讯号选频放大器21。经选频放大后的基频误差讯号在相敏检测器22解调检波产生直流控制电压，此电压经可控滤波器23抑制较高频率的噪声后控制压控振荡器24的振荡频率fv，此频率供计数器进行计数以显示外磁场的强度值Hr。另外此频率经可予置分频器25分频m次，得到频率为fr的拉莫尔频率（fr＝fv/m），供给射频磁场线圈18，从而形成了跟踪环路，使压控振荡器24提供的频率能自动跟踪外磁场Hr的变化。

前置放大器17输出的讯号除调制频率的基频误差讯号外，还伴有调制频率的二倍频误差讯号。它进入仪器主体后，经二倍频误差讯号选频放大器26，二倍频误差讯号幅值鉴别器27和触发控制器28去控制可控环路滤波器23。

调制讯号发生器29提供了调制解调讯号。

本发明的特点是：

（1）光学系统中氦灯10是吸收室14产生光泵作用的光源。为使之能形成强的近似于点光源的泵谱光，本发明的氦灯10呈粗短哑铃状，其两个端部直径为14-20mm，颈部长度为3-7mm，颈粗不大于5mm。此形态最易受高频功率激发，所以能在较低的激励功率下获得需要的光强度，本发明的氦灯10较一般棒状或哑铃状氦灯至少可降低30%的激励功率。这就有效的降低了噪声，提高了探头的讯噪比。

（2）为使吸收室14内沿长度均匀地产生磁共振而获得较高的讯噪比，吸收室磁场系统由亥姆赫兹（Helmholtz）线圈组成的射频磁场线圈18和调制磁场线圈19是相互独立又相互正交的。该两组线圈的中心点与吸收室14的中心点重合，使吸收室14周围获得均匀磁场而提高讯噪比。

（3）由压控振荡器24提供经可予置分频器25分频的共振讯号加在射频磁场线圈18上，当此讯号较弱时，共振区域3变窄，这对改善讯噪比有利，但由于其讯号强度的减小又直接使讯噪比下降，反之亦然，因此必须适当选择共振讯号的强度，以期获得最佳的讯噪比，同样，调制磁场的大小也直接影响共振区域宽度3和共振强度。故二者磁场间存在一最佳比例。本发明设计成在吸收室14区域形成150-200nT的射频磁场，射频磁场与调制磁场的强度比为1∶（0.6-1.2）。

（4）高频振荡器4采用高稳定振荡器，以提高光源的稳定性，其振荡频率为15-60MHz，经功率放大器6输出功率为3-5W。

由于氦灯10和吸收室14均属高阻抗负载，且其阻抗又与多种因素有关，故功率传输用的变压器5及7采用宽带传输变压器以提高适应能力。调谐回路调谐于高频振荡器4的振荡频率附近，实现阻抗的匹配和高的Q值。

激励电极9为一对其长度大于吸收室14长度的长方形铜片组成的平板电极，使之在吸收室14的区域内形成均匀的高频激励电场，以增加磁共振讯号强度。

根据以上四点制成的探头具有高的讯噪比。

（5）由图1所示看出在跟踪区域3附近基频误差讯号1及二倍频误差讯号2之幅值与外磁场之关系。由跟踪原理可知，只有当基频误差讯号1存在，并且满足一定的幅值时，仪器才能进行正常的跟踪，而二倍频误差讯号2在跟踪环路中是作为无用讯号而被基频误差讯号选频放大器21所抑制。从图1还可知，当外磁场变化超出正常跟踪区域3时，基频误差讯号1就迅速变小而使仪器不能正常跟踪，与此同时，二倍频误差讯号2亦变得很小。

本发明利用这二倍频误差讯号2在跟踪区域3附近幅值的变化特性，提供一个快速跟踪外磁场变化的自动控制电路。由二倍频误差讯号选频放大器26，二倍频误差讯号幅值鉴别器27、触发控制器28及可控环路滤波器23组成。在跟踪区域3内，二倍频误差讯号2幅值较大，高于幅值鉴别器27设定的门限电压，此时触发控制器28输出一控制讯号，使可控环路滤波器23处于正常的设计状态下工作。一旦外磁场的变化突然超出正常跟踪区域3，基频误差讯号变得很小，仪器将不能进行正常的跟踪。与此同时，二倍频误差讯号2之幅值亦下降，当其幅值低于幅值鉴别器27所设定的门限电压，触发控破?8输出另一控制讯号，使可控环路滤波器23的带宽立即展宽（可控环路滤波器23带宽的展宽要降低仪器的讯噪比，而使灵敏度下降），加速了压控振荡器24的控制速度，从而使仪器又立即处于跟踪状态。一旦仪器进入跟踪区域3时，二倍频误差讯号2幅值又将高于幅值鉴别器27设定的门限电压，于是触发控制器28又发出一控制讯号，使可控环路滤波器23又恢复到正常的设计状态下工作，保持仪器原有的讯噪比和灵敏度。

在航空地球物理测量中经常会遇到大的磁场变化，采用本发明的快速自动跟踪系统将使仪器获得有效的快速跟踪能力。

（6）从式（1）可知，要得到高的显示灵敏度S，需要对共振频率fr进行高次倍频。

本发明与已有技术在环路以外倍频的方法不同，而是在跟踪环路中设有环路自身高次锁定倍频，它是在跟踪环路中增设了可予置分频器25。提高了m倍的压控振荡器24的振荡频率fv通过予置分频器m次分频后，获得所需要的共振频率fr馈送到探头的射频共振线圈18。可予置分频器的分频数m为2-16或更高。这时，供计数器计数用的即从压控振荡器24输出的频率fv等于共振频率fr的m次倍频。这种方法既简化了倍频电路，又提高了倍频器的可靠性。

本发明附图说明：

图1：跟踪误差讯号与二倍频误差讯号幅值在正常跟踪区域附近

与外磁场变化的关系曲线

1-误差讯号幅值曲线

2-二倍频误差讯号幅值曲线

3-正常跟踪区域

图2：实施例中的高频激励系统框图

4-高频振荡器

5-变压器

6-功率放大器

7-变压器

8-调谐回路

9-吸收室激励电极

图3：实施例的电路框图

（4-9）-高频激励系统

10-氦灯 11-凸镜

12-园偏振片 13-1/4波长片

14-吸收室 15-凸镜

16-光敏器件 17-前置放大器

18-射频磁场线圈 19-调制磁场线圈

20-传输电缆

21-基频误差讯号选频放大器

22-相敏检波器 23-可控环路滤波器

24-压控振荡器 25-可予置分频器

26-二倍频误差讯号选频放大器

27-二倍频误差讯号幅值鉴别器

28-触发控制器 29-调制讯号源

图4：本发明实施的HC-85型航空跟踪式氦光泵磁力仪外型照

片

（包括探头、传输电缆及仪器主体）

本发明实施的HC-85航空跟踪式氦光泵磁力仪，其主要设计参数为：

（1）高频振荡器4的振荡频率为25MHz

（2）功率放大器6的输出功率为4W

（3）氦灯10的颈部长度为6mm，颈粗不大于5mm，端部直径为16mm。

（4）射频磁场线圈18在吸收室14中心所形成的磁场强度之比为1∶0.9

（5）可予置分频器24的分频数m＝4

根据上述设计的仪器特点是：

（1）

采样时间显示灵敏度四次差分噪声

0.5秒 0.02nT 0.01nT

1秒 0.01nT 0.008nT

（2）在外磁场变化速率达1000nT/S时，仪器能可靠跟踪

（3）仪器正常工作区域为200nT

（4）测量地磁场范围为35000-75000nT

（5）重量：

主机：4Kg

探头：1Kg

电缆：4Kg/20m

6、耗电：28V1A

Claims

1、一种跟踪式氦(He⁴)光泵磁力仪，由高频功率激励系统、光学系统、吸收室磁场系统所组成的探头、跟踪环路系统及计数输出系统所组成，其特征在于：

(1)光学系统中氦灯10呈粗短哑铃状。

(2)吸收室磁场系统由亥姆赫兹线圈组成。

(3)高频功率激励系统由高频振荡器4、变压器5及7、功率放大器6、调谐回路8及吸收室激励电极9所组成。

(4)跟踪环路设有快速跟踪外磁场变化的自动控制电路。

(5)跟踪环路设有环路自身高次锁定倍频电路。

2、按照权利要求1所说的跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，其特征在于粗短哑铃状氦灯10其二个端部直径为14-20mm，颈部长度为3-7mm，颈粗不大于5mm。

3、按照权利要求1所说的跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，其特征在于亥姆赫兹线圈是两个互相独立又互相正交地组成射频磁场线圈18和调制磁场线圈19。

4、按照权利要求1、3所说的跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，其特征在于射频磁场线圈18和调制磁场线圈19的中心点均与吸收室14的中心重合。

5、按照权利要求1、3所说的跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，其特征在于射频磁场线圈18和调制磁场线圈19在吸收室14区域形成的磁场强度比为1∶（0.6-1.2）。

6、按照权利要求1所说的跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，其特征在于高频振荡器4的振荡频率为15-60MHz。

7、按照权利要求1所说的跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，其特征在于高频激励系统中的变压器5及7是宽频带传输变压器。

8、按照权利要求1所说的跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，其特征在于调谐回路8调谐在高频振荡器4的振荡频率点附近。

9、按照权利要求1所说的跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，其特征在于吸收室激励电极9为一对其长度大于吸收室14长度的长方形铜片组成的平板电极。

10、按照权利要求1所说的跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，其特征在于快速跟踪外磁场变化的自动控制电路由二倍频误差讯号选频放大器26、二倍频误差讯号幅值鉴别器27、触发控制器28以及可控环路滤波器23组成。

11、按照权利要求1所说的跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，其特征在于环路自身锁定高次倍频由跟踪环路中增设可予置分频器25组成，可予置分频器的分频数m为2-16或更高。