CN104181604A - 一种自激式铯-133元素光泵磁力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自激式铯-133元素光泵磁力仪，它包括光系组件和电子组件，光系组件由铯原子元件和光学元件组成，电子组件与光系组件形成自激震荡回路，输出频率与外界磁场成正比的正弦波信号。本发明具有结构简单、性能稳定的特点，可在10000nT-100000nT（0.1高斯-1高斯）整个量程范围内连续工作，在外界磁场大范围突变情况下也能快速响应，保证输出信号实时不间断，其静态噪声均方根值2pt。

Description

一种自激式铯-133元素光泵磁力仪

技术领域

本发明属于磁探技术领域，具体涉及一种自激式铯-133元素光泵磁力仪。

背景技术

磁法勘察一直是地球物理调查的重要内容，广泛用于航磁测量、海底资源勘探、地震预测、搜救打捞以及军用反潜等领域。磁力仪按工作原理可以分为磁通门式、质子旋进式、光泵式、超导式等不同种类型。相比较而言，基于光泵技术的高灵敏度磁探仪，灵敏度高、无零点漂移、不须严格定向，环境梯度容限高，可连续测量等显著优点，广泛用于航空及海洋地球物理勘探。

铯光泵磁力仪是利用铯133元素的原子受激发后，在外磁场作用下超精细能级（F=3,F=4能级）的塞曼效应来测量外部磁场的。在加热或电激发作用下的铯原子，再以满足F=3,F=4能级跃迁频率的光束照射，原子吸收光的能量，将由低能级跃迁到高能级，这一效应称之为光泵作用。处于高能级的铯原子在外磁场下会产生能级分裂，分裂后的原子两相邻子能级间的能量差可用塞曼跃迁频率f0来表示，f0大小与外磁场成正比。因此，设法测得f0，就可测得外磁场，而且具有很高的灵敏度。铯光泵磁力仪输出的f0与外界磁场的比例关系为f0 = 3.498577 x H，其中H为外部磁场值，单位为nT。在10000nT - 100000nT的量程范围，f0为35khz - 350Khz。

以碱金属铯133为工作介质的铯光泵磁力仪使用寿命长，性能稳定可靠，在国内尚属空白产品。除了应用于物探与海洋勘探应用领域，还由于铯光泵磁力仪在军事应用上的潜在价值，高指标的铯光泵磁力仪属于对华限制出口产品。因此，研发出铯光泵磁力仪刻不容缓。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的空白而提供的一种自激式铯-133元素光泵磁力仪，它具有结构简单、性能稳定的特点，具有在外界磁场大范围波动情况下实时输出信号的能力。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种自激式铯-133元素光泵磁力仪，特点是它包括光系组件及电子组件，光系组件与电子组件之间用无磁性电缆连接，所述光系组件包括铯原子灯、第一窄带干涉滤光片、第二窄带干涉滤光片、红外聚焦透镜、偏振分光棱镜、铯蒸汽室及硅光电池，铯蒸汽室外部绕有励磁线圈；所述铯原子灯、第一窄带干涉滤光片、红外聚焦透镜、偏振分光棱镜、铯蒸汽室、第二窄带干涉滤光片、硅光电池依次排列并安装处于同一轴线上；高频交流电激发铯原子灯发光，经过第一窄带干涉滤光片后，红外聚焦透镜聚焦为平行光，通过偏振分光棱镜后变为右旋圆偏振光，随后经过铯蒸汽室被气态的铯133原子调制，再经过第二窄带干涉滤光片滤除杂散光，照射到硅光电池上，变为电信号输出；

所述电子组件包括温度控制器、高频驱动器、低噪声前置放大器及后级驱动器，由光系组件输出的硅光电池信号经过低噪声前置放大器放大，通过后级驱动器稳定幅度，信号输入光系组件中铯蒸汽室外部的励磁线圈中，构成一个量子反馈震荡器，该振荡器输出的频率信号即为与外部磁场成正比的正弦波信号，通过测量正弦波信号的频率即可测量外部磁场值；温度控制器控制铯原子灯及铯蒸汽室的温度，高频驱动器产生110 MHz～130 MHz的信号驱动铯原子灯发光。

所述光系组件中的光路为铯原子灯光线先经过第一窄带干涉滤光片，再进行透镜聚焦，所述红外聚焦透镜的焦距仅对于894nm的光线，提高了聚焦效率。

所述铯蒸汽室外部的励磁线圈为沿铯蒸汽室圆柱体外部绕制，线圈磁场的轴向与经过铯蒸汽室内的光路轴向相同，圈数为5～7。

所述铯蒸汽室外部还绕有正向加热线圈及反向加热线圈。

所述偏振分光棱镜由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜，对894nm波长附近的光线透过率达90%以上，直接将自然光变为右旋圆偏振光。

所述铯蒸汽室为圆柱体，直径24.5mm～25.5mm，长19.5mm～20.5mm；铯原子灯直径为9.5mm～10.5mm的球型玻璃泡。

经过铯蒸汽室的光线，再经过第二干涉滤光片，滤除了杂散光，提高了硅光电池信号的信噪比。

本发明可在10000nT - 100000nT（0.1高斯-1高斯）整个量程范围内连续工作，在外界磁场大范围突变情况下也能快速响应，保证输出信号实时不间断，其静态噪声均方根值2pt。 

附图说明

图1为本发明外形图；

图2为本发明结构示意图；

图3为本发明铯蒸汽室外部线圈结构示意图；

图4为本发明温度控制器结构示意图；

图5为本发明高频驱动器结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明内容。

参阅图1，本发明由光系组,1和电子组件2组成，中间用无磁性电缆连接。

参阅图2，本发明的光系组件1中铯原子灯3收到高频交流电的激发发光，通过第一窄带干涉滤光片1和偏振分光棱镜5后变为右旋圆偏振光，经过圆柱形的铯蒸汽室7，光线的强度受到子蒸汽吸收的调制，再经过第二窄带滤光片8后照射到硅光电池9上，变为电信号。在圆柱形铯蒸汽室7外部绕有励磁线圈71。电子组件2中的低噪声前置放大器13、后级驱动器12将光系组件1中硅光电池9输出的电信号放大、反馈回光系组件1中的铯蒸汽室7外围的励磁线圈中，构成反馈震荡回路。

所述的光系组件1中，按照光通路的先后，各量子和光学元件的排列次序为铯原子灯3、第一窄带干涉滤光片4、红外聚焦透镜5、偏振分光棱镜6、铯蒸汽室7、第二窄带干涉滤光片8、硅光电池9。各元件的安装处于同一轴线上。

所述的电子组件2中，信号的通路为硅光电池9输出的信号先经过低噪声前置放大器13、由后级驱动器12反馈给光系组件1中铯蒸汽室7外围的励磁线圈71，构成量子反馈回路，电路输出即为与外界磁场成正比的正弦波信号。

参阅图3，铯蒸汽室7外部的励磁线圈71为沿铯蒸汽室圆柱体外部绕制，线圈磁场的轴向与经过铯蒸汽室7内的光路轴向相同，圈数为5～7圈。铯蒸汽室7外部还绕有正向加热线圈72及反向加热线圈73。

    参阅图4，本发明的电子组件2中，温度控制电路11由模拟运算放大器构成，通过绕制在铯原子灯3和铯蒸汽室7外围的2个方向相反的线圈加热铯原子灯3和铯蒸汽室7，使得加热电流磁场互相抵消。加热线圈中安装有温敏电阻，通过运放构成的积分电路测量通过温敏电阻的电流值，控制加热线圈的电压幅度，达到恒温控制的目的。

参阅图5，所述的电子组件2中，高频驱动器产生110Mhz-120Mhz的高频信号，输出功率3W，输出阻抗50欧姆，用以驱动光系组件1中的铯原子灯3发光。高频驱动器带有过流过压保护功能。

实施例

本实施例是基于光检测磁共振的光泵效应基本原理，设计出的产品级的实用装置。该装置由光系组件1和电子组件2组成，光系组件1中铯原子灯3收到高频交流电的激发发光，通过窄带干涉滤光片4和偏振分光棱镜5后变为右旋圆偏振光，经过圆柱形的铯蒸汽室7，光线的强度受到蒸汽状态的铯原子的调制，再经过一个窄带滤光片8后照射到硅光电池9上，变为电信号。在圆柱形铯蒸汽室7外部绕有励磁线圈71。电子组件2中的低噪声前置放大器13、后级驱动器12将光系组件1中硅光电池9输出的电信号放大、反馈回光系组件1中的铯蒸汽室7外围的励磁线圈71中，构成反馈震荡回路。

参阅图1-2，本实施例光系组件1包括铯原子灯3、窄带干涉滤光片4、红外聚焦透镜5、偏振分光棱镜6、铯蒸汽室7；电子组件2包括温度控制器11、高频驱动器10、低噪声前置放大器13及后级驱动器12，具体实现方式如下：

 铯原子灯3：设计为球形玻璃泡，直径9.5mm，内部充有铯133金属单质和惰性气体。铯133金属单质采用多道提纯工艺，纯度可达到6个9以上。球形玻璃泡周围设置有金属电极，金属电极通过高频交流电激发铯原子灯发光。铯133原子受到激发后主要发射D1线（894nm）和D2线（852nm），处于近红外波段。此外还有惰性气体原子受到激发后发射的相关线光谱。铯原子灯3外部绕有加热线圈，为消除加热电流的磁场影响，采用两个绕向相反的线圈，通以反方向的电流。线圈内埋设有温敏电阻，测量铯原子灯的温度。

窄带干涉滤光片4和8：滤除除了D1谱线(894nm) 的其他波的光。

红外聚焦透镜5：将铯原子灯3发出的D1谱线光变成平行光束。

偏振分光棱镜6：把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。此偏振分光棱镜由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。棱镜将入射的D1谱线自然光变为右旋圆偏振光。

铯蒸汽室7：设计为圆柱形玻璃容器，直径25.5mm，长20.5mm。铯蒸汽室为磁力仪的磁敏感部件，体积越小，则设备对外界磁场的梯度容限越高，本实施例中的铯蒸汽室尺寸设计可满足对环境梯度容限40000nT/m的要求。铯蒸汽室内部抽高真空，并充有铯-133金属及缓冲惰性气体。铯133金属单质采用多道提纯工艺，纯度可达到6个9以上。圆柱形玻璃容器内壁采用特殊工艺喷涂有透红外的高分子材料，以降低铯原子与内壁玻璃碰撞造成的能级变化，提高仪器灵敏度。铯蒸汽室外部绕有加热线圈，为消除加热电流的磁场影响，采用2个绕向相反的线圈，通以反方向的电流。线圈内埋设有温敏电阻，测量铯蒸汽室的温度。除了加热线圈外，铯蒸汽室外部还绕有励磁线圈，作为反馈震荡电路的激励信号输入。

硅光电池9：将光信号转换成电信号。采用中心波长在895nm左右的硅光电池元件，由于所测信号十分微弱，硅光电池内部集成有前置放大器，提供20db的信号增益能力。

电子组件2中的低噪声前置放大器13、后级驱动器12与光系组件1构成自激励共振反馈通路。整个电路的通带为30kHz – 400Khz,增益55db左右，在通带内增益特性平坦，满足磁力仪在10000nT- 100000nT范围内的频率响应要求。

参阅图4，电子组件2中的温度控制器11，采取模拟运算放大器设计，与铯原子灯3及铯蒸汽室7的加热线圈、温敏电阻一起构成负反馈电路，根据温敏电阻值调节加热线圈的电流大小，达到恒温控制的目的。为同时调节铯原子灯3及铯蒸汽室7的温度，温度控制器11内部有两个独立的模块，每个模块可驱动2组绕向相反，圈数相同的加热线圈，以抵消加热电流带来的附加磁场。

参阅图5，电子组件2中的高频驱动器10，内部由压控振荡器、射频功率放大器、过压过流保护电路组成，压控振荡器输出120Mhz左右，10dbm信号，经过射频功放放大至3W输出。高频驱动器输出的频率可以微调，与铯原子灯3负载的阻抗匹配，达到最佳输出效率。高频驱动器10设计有过压过流保护电路，当负载阻抗不匹配，或者开路的时候，可保护射频功放不至于损坏。

Claims (6)

1.一种自激式铯-133元素光泵磁力仪，其特征在于它包括光系组件（1）及电子组件（2），光系组件（1）与电子组件（2）之间用无磁性电缆连接，所述光系组件（1）包括铯原子灯（3）、第一窄带干涉滤光片（4）、第二窄带干涉滤光片（8）、红外聚焦透镜（5）、偏振分光棱镜（6）、铯蒸汽室（7）及硅光电池（9），铯蒸汽室（7）外部绕有励磁线圈（71）及正向加热线圈（72）、反向加热线圈（73）；所述铯原子灯（3）、第一窄带干涉滤光片（4）、红外聚焦透镜（5）、偏振分光棱镜（6）、铯蒸汽室（7）、第二窄带干涉滤光片（8）、硅光电池（9）依次排列并安装处于同一轴线上；高频交流电激发铯原子灯（3）发光，经过第一窄带干涉滤光片（4）后，红外聚焦透镜（5）聚焦为平行光，通过偏振分光棱镜（6）后变为右旋圆偏振光，随后经过铯蒸汽室（7）被气态的铯133原子调制，再经过第二窄带干涉滤光片（8）滤除杂散光，照射到硅光电池（9）上，变为电信号输出；所述电子组件（2）包括温度控制器（11）、高频驱动器（10）、低噪声前置放大器（13）及后级驱动器（12），由光系组件（1）输出的硅光电池信号经过低噪声前置放大器（13）放大，通过后级驱动器（12）稳定幅度，信号输入光系组件（1）中铯蒸汽室（7）外部的励磁线圈（71）中，构成一个量子反馈震荡器，该振荡器输出的频率信号即为与外部磁场成正比的正弦波信号，通过测量正弦波信号的频率即可测量外部磁场值；温度控制器（11）控制铯原子灯（3）及铯蒸汽室（7）的温度，高频驱动器（10）产生110 MHz～130 MHz的信号驱动铯原子灯发光。

2.根据权利要求1 所述的自激式铯-133元素光泵磁力仪，其特征在于所述红外聚焦透镜（5）的焦距仅对于894nm的单色光线。

3.根据权利要求1 所述的自激式铯-133元素光泵磁力仪，其特征在于所述偏振分光棱镜（6）由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜，对894nm波长附近的光线透过率达90%以上，直接将自然光变为右旋圆偏振光。

4.根据权利要求1 所述的自激式铯-133元素光泵磁力仪，其特征在于所述铯蒸汽室（7）为圆柱体，直径24.5mm ～25.5mm，长19.5mm ～20.5mm；铯原子灯（3）直径为9.5mm ～10.5mm的球型玻璃泡。

5.根据权利要求1 所述的自激式铯-133元素光泵磁力仪，其特征在于铯蒸汽室（7）外部的励磁线圈(71)为沿铯蒸汽室圆柱体外部绕制，线圈磁场的轴向与经过铯蒸汽室内的光路轴向相同，励磁线圈(71)的圈数为5～7。

6.根据权利要求1 所述的自激式铯-133元素光泵磁力仪，其特征在于所述铯蒸汽室（7）外部还绕有正向加热线圈（72）及反向加热线圈（73）。