CN105588555B - 一种主被动磁屏蔽方法 - Google Patents

一种主被动磁屏蔽方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105588555B
CN105588555B CN201410571671.3A CN201410571671A CN105588555B CN 105588555 B CN105588555 B CN 105588555B CN 201410571671 A CN201410571671 A CN 201410571671A CN 105588555 B CN105588555 B CN 105588555B
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic field
atom
shielding
passive
dimensional
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410571671.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105588555A (zh
Inventor
郑辛
秦杰
汪世林
杨磊
高溥泽
韩文法
王宇虹
孙晓光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Original Assignee
Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI filed Critical Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Priority to CN201410571671.3A priority Critical patent/CN105588555B/zh
Publication of CN105588555A publication Critical patent/CN105588555A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105588555B publication Critical patent/CN105588555B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

本发明属于陀螺技术领域，具体涉及一种核磁共振陀螺用磁屏蔽方法。本发明的主被动磁屏蔽方法，包括：步骤一、被动屏蔽：在核磁共振陀螺的外部设置被动屏蔽层，所述屏蔽层为高导磁材料；步骤二、主动补偿：在核磁共振陀螺敏感结构的外部，被动屏蔽装置的内部设置主动补偿装置，所述主动补偿装置包括原子磁强计、三维磁场线圈和电流源。发明需要解决的技术问题为：现有磁屏蔽方法难以满足目前小体积核磁共振陀螺对环境磁场高效屏蔽要求的问题。本发明的方法在未增加核磁共振陀螺硬件部件的基础上，提高磁屏蔽性能。

Description

一种主被动磁屏蔽方法
技术领域
本发明属于陀螺技术领域，具体涉及一种核磁共振陀螺用磁屏蔽方法。
背景技术
近十年来，随着量子调控技术的发展，原子陀螺发展迅速，已成为下一代陀螺的重要发展方向。核磁共振陀螺属于原子陀螺的一类，基于核自旋的磁共振频率在惯性空间的不变性测量角运动。该陀螺具有突出的高精度、小体积、纯固态、对加速度不敏感等特点，代表了未来高精度、小体积陀螺的发展方向。
核磁共振陀螺工作中，角运动会导致观测得到的核磁共振频率发生改变，但同时磁场也会引起核磁共振频率的改变。因此，需要高效地屏蔽环境磁场，隔离磁场对核磁共振频率测量的影响，提高核磁共振陀螺的精度。
由于核磁共振陀螺体积较小，难以放入一个辅助的三轴磁强计进行磁场测量，一般仅采用被动磁屏蔽，通过测量信号的数学差分，降低磁场对核磁共振陀螺的影响，但是制约了核磁共振陀螺动态性能的提高；传统的原子磁强计，可以进行磁场的原位测量，但一般为标量(测量总磁场大小)、或矢量(测量一维磁场大小)，难以对三维磁场进行同时测量。因此，现有磁屏蔽方法难以满足目前小体积核磁共振陀螺对环境磁场高效屏蔽的要求。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为：现有磁屏蔽方法难以满足目前小体积核磁共振陀螺对环境磁场高效屏蔽要求。
本发明的一种主被动磁屏蔽方法，包括以下步骤：
步骤一、被动屏蔽：在核磁共振陀螺的外部设置被动屏蔽层，所述屏蔽层为高导磁材料；
步骤二、主动补偿：在核磁共振陀螺敏感结构的外部，被动屏蔽装置的内部设置主动补偿装置，所述主动补偿装置包括原子磁强计、三维磁场线圈2和电流源。
所述原子磁强计用于检测经被动屏蔽层屏蔽后剩余的磁场大小，并将检测结果反馈至电流源；所述三维磁场线圈放置在被动屏蔽层内部，用于产生三个正交方向的补偿磁场；所述电流源用于驱动三维磁场线圈，根据原子磁强计测量得到的三维剩余磁场大小，驱动三维磁场线圈产生反向三维磁场，使原子磁强计的测量输出始终维持在零位；
其中，所述原子磁强计检测屏蔽后剩余磁场大小的具体方式为：利用检测激光和驱动激光以及核磁共振陀螺自有的原子气室构成原子磁强计，所述驱动激光垂直射入原子气室的一个面，用于极化原子自旋，定义其入射方向为Z轴正向；所述检测激光从驱动激光入射面的邻面垂直入射原子气室，用于检测原子自旋，定义其入射方向为X轴正向；根据右手法则定义Y轴正向，建立XYZ直角坐标系；设置于原子气室外部的三维磁场线圈施加的三维磁场用于对原子进行调制，辅助三维磁场的测量；通过检测激光获得的自旋进动信息，则：
(a)提取碱金属原子电子顺磁共振的2倍频信息，获得X轴的磁场大小；
(b)直接提取自旋进动信息，获得Y轴的磁场大小；
(c)提取两种核自旋原子的核磁共振频率，经过数学运算，获得Z轴的磁场大小。
优选的，步骤一中所述被动屏蔽层为圆筒状或方筒状或内部中空的球状，共两层或三层，采用1J85材料或其它磁导系数高的高导磁材料，所有的被动屏蔽层共形心，相邻的两层之间使用无磁材料填充或支撑。
优选的，步骤二中所述检测激光采用线偏振光，波长为碱金属原子的D1线或D2线的失谐频率；
所述驱动激光采用圆偏振光，波长选择为碱金属原子的D1线或D2线。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的主被动磁屏蔽装置，采用核磁共振陀螺自身应该具备的原子气室、驱动与检测激光、三维磁场线圈，进行主动屏蔽，在未增加核磁共振陀螺硬件部件的基础上，提高磁屏蔽性能；
(2)本发明提供的原子磁强计用三维磁场测量方法，利用一次测量，同时获得三维原位磁场信息，解决主动磁补偿中磁场测量难以获得三维原位磁场、三维磁场同时测量的难题，提高主动磁补偿的精度与带宽。
附图说明
图1为本发明的主被动磁屏蔽方法所使用的主被动磁屏蔽装置示意图；
图2为原子磁强计检测三维磁场的原理图；
图中，1-被动屏蔽层，2-三维磁场线圈，3-原子气室，4-检测激光，5-驱动激光。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种主被动磁屏蔽方法进行详细说明。
一种主被动磁屏蔽方法，包括以下步骤：
1)被动屏蔽，在核磁共振陀螺的外部设置被动屏蔽层1，所述被动屏蔽层1如图1所示，具有圆筒状外形，共有三层，采用1J85材料或其它磁导系数高的高导磁材料，用于衰减环境磁场大小。三层被动屏蔽层1共同一形心，相邻的两层之间使用无磁材料填充或支撑。
所述被动屏蔽层1还可以为内部中空的球状或方筒状，其层数可以为两层。
2)主动补偿，在核磁共振陀螺的外部，被动屏蔽装置的内部设置主动补偿装置，所述主动补偿装置包括原子磁强计、三维磁场线圈2和电流源。
所述原子磁强计由原子气室3、检测激光4和驱动激光5构成，用于测量经被动屏蔽层1屏蔽后剩余三维磁场的大小。所述原子气室3为立方体形状，与核磁共振陀螺共用，所述检测激光4和驱动激光5分别垂直射入原子气室3的相邻的两个面。
所述三维磁场线圈2放置在被动屏蔽装置内部，用于产生三个正交方向的磁场，其形状根据被动屏蔽装置的形状可以为圆柱状、球状或四棱柱状。
所述电流源用于驱动三维磁场线圈，根据原子磁强计测量得到的三维剩余磁场大小，产生反向三维磁场，使原子磁强计的测量输出始终维持在零位。
原子磁强计测量三维剩余磁场的原理如图2所示，原子气室3中包含钾、铷、铯等碱金属原子中至少一种，本实施例为铯原子，以核自旋原子如氦3、氖21、氪83、氙129、氙131等中的两种，本实施例中为氙129原子与氙131原子，用于敏感磁场。所述驱动激光5用于极化原子自旋，所述检测激光4用于检测原子自旋；设置于原子气室3外部的三维磁场线圈2施加的三维磁场用于对原子进行调制，辅助三维磁场的测量。
所述驱动激光5采用圆偏振光，波长可选择为铯原子的D1线或D2线，通过光子角动量的传递，对铯原子的极化、氙129原子与氙131原子的超极化，实现对原子气室内部的原子自旋进行极化，并定义其入射方向为Z轴正向。
所述检测激光4采用线偏振光，从驱动激光5入射面的邻面垂直入射原子气室，定义其入射方向为X轴正向。检测激光4的波长可选择为铯原子的D1线或D2线的失谐频率，检测铯原子的电子自旋在X轴的投影大小，后续为描述方便，定义所述投影大小为
根据右手原则，定义XYZ直角坐标系，设X、Y、Z轴的三个环境磁场分别为：Bx、By、Bz，是三维磁场测量的对象。
为测量Bx，在Z方向主动施加一个调制磁场B-Cs，该磁场是一个交流对称磁场，以正弦波驱动，频率对应铯原子电子自旋的顺磁共振频率ωL-Cs。此时，提取检测得到的信号中2倍ωL-Cs频率的信号，即可得到Bx的大小。
为测量By，直接由检测得到的信号给出。Bx、Bz在中均作为高阶项予以忽略。
为测量Bz，在X方向主动施加2个调制磁场：B-129Xe与B-131Xe，这两个磁场均是交流对称磁场，以正弦波驱动，频率分别对应氙129原子、氙131原子的核磁共振频率ωL-129Xe、ωL-131Xe。当载体以角速率Ω发生转动时，通过提取中的信号，可以得到在载体系观测的氙129原子、氙131原子的核磁共振频率ω-129Xe与ω-131Xe，并具有关系式：
由于氙129原子、氙131原子的固有核磁共振频率为：
其中γn-129Xe、γn-131Xe分别为氙129原子、氙131原子的核自旋旋磁比，为物理常量。结合上述两式可以得到：
即可获得Bz的大小。
综上所述，Bx、By通过铯原子的电子自旋特性可以进行同时测量，Bz通过氙129原子、氙131原子的核自旋特性可以进行同时测量；上述方法不仅可使三维磁场进行同时测量，而且由于铯原子、氙129原子、氙131原子的自由扩散混合，三维磁场为同一区域的原位测量。

Claims (3)

1.一种主被动磁屏蔽方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、被动屏蔽：在核磁共振陀螺的外部设置被动屏蔽层(1)，所述屏蔽层为高导磁材料；
步骤二、主动补偿：在核磁共振陀螺的外部，被动屏蔽装置的内部设置主动补偿装置，所述主动补偿装置包括原子磁强计、三维磁场线圈(2)和电流源，
所述原子磁强计用于检测经被动屏蔽层(1)屏蔽后剩余的磁场大小，并将检测结果反馈至电流源；所述三维磁场线圈(2)放置在被动屏蔽层(1)内部，用于产生三个正交方向的补偿磁场；所述电流源用于驱动三维磁场线圈，根据原子磁强计测量得到的三维剩余磁场大小，驱动三维磁场线圈(2)产生反向三维磁场，使原子磁强计的测量输出始终维持在零位；
所述原子磁强计检测屏蔽后剩余磁场大小的具体方式为：利用检测激光(4)和驱动激光(5)以及核磁共振陀螺自有的原子气室(3)构成原子磁强计，所述驱动激光(5)垂直射入原子气室(3)的一个面，用于极化原子自旋，定义其入射方向为Z轴正向；所述检测激光(4)从驱动激光(5)入射面的邻面垂直入射原子气室(3)，用于检测原子自旋，定义其入射方向为X轴正向；根据右手法则定义Y轴正向，建立XYZ直角坐标系；设置于原子气室(3)外部的三维磁场线圈(2)施加的三维磁场用于对原子进行调制，辅助三维磁场的测量；通过检测激光(4)获得的自旋进动信息，则：
(a)提取碱金属原子电子顺磁共振的2倍频信息，获得X轴的磁场大小；
(b)直接提取自旋进动信息，获得Y轴的磁场大小；
(c)提取两种核自旋原子的核磁共振频率，经过数学运算，获得Z轴的磁场大小。
2.如权利要求1所述的主被动磁屏蔽方法，其特征在于：步骤一中所述被动屏蔽层(1)为圆筒状或方筒状或内部中空的球状，共两层或三层，采用1J85材料，所有的被动屏蔽层(1)共形心，相邻的两层之间使用无磁材料填充或支撑。
3.如权利要求1或2所述的主被动磁屏蔽方法，其特征在于：步骤二中所述检测激光(4)采用线偏振光，波长为碱金属原子的D1线或D2线的失谐频率；
所述驱动激光(5)采用圆偏振光，波长选择为碱金属原子的D1线或D2线。
CN201410571671.3A 2014-10-23 2014-10-23 一种主被动磁屏蔽方法 Active CN105588555B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410571671.3A CN105588555B (zh) 2014-10-23 2014-10-23 一种主被动磁屏蔽方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410571671.3A CN105588555B (zh) 2014-10-23 2014-10-23 一种主被动磁屏蔽方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105588555A CN105588555A (zh) 2016-05-18
CN105588555B true CN105588555B (zh) 2018-07-17

Family

ID=55928316

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410571671.3A Active CN105588555B (zh) 2014-10-23 2014-10-23 一种主被动磁屏蔽方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105588555B (zh)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105828594B (zh) * 2016-06-03 2018-09-07 哈尔滨工业大学 具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置
CN106024260B (zh) * 2016-07-12 2018-02-09 北京航天控制仪器研究所 一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构
CN106602741A (zh) * 2016-12-16 2017-04-26 中海阳能源集团股份有限公司 一种高效率、高安全系数的磁耦合无线充电装置
CN107064593B (zh) * 2017-06-14 2019-05-28 电子科技大学 一种适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器
CN108394286A (zh) * 2017-10-19 2018-08-14 蔚来汽车有限公司 一种动态有源漏磁屏蔽装置及方法
CN109883410B (zh) * 2017-12-06 2021-09-14 北京自动化控制设备研究所 一种双核自旋磁致频移抑制方法
CN111060853B (zh) * 2018-10-17 2022-04-12 北京自动化控制设备研究所 基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法
CN109597010A (zh) * 2018-12-04 2019-04-09 北京昆迈生物医学研究院有限公司 一种基于主动补偿的高性能磁屏蔽装置与方法
CN109567785A (zh) * 2018-12-05 2019-04-05 北京昆迈生物医学研究院有限公司 一种基于磁屏蔽筒的量子脑磁图系统及方法
CN114217248B (zh) * 2021-12-13 2022-11-15 北京航空航天大学 一种主被动混合磁屏蔽系统及设计方法
CN114974791B (zh) * 2022-07-29 2022-11-01 华中科技大学 一种超导磁体被动抵消式外磁屏蔽线圈的优化方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5488622A (en) * 1994-07-29 1996-01-30 Litton Systems, Inc. Simplified dispersion equalization field coil design for a multioscillator ring laser gyroscope
WO2001081865A2 (en) * 2000-03-31 2001-11-01 Litton Systems, Inc. Snap fit magnetic shields for laser gyroscopes
CN103870701A (zh) * 2014-03-24 2014-06-18 东南大学 原子磁强计/原子陀螺仪的磁屏蔽筒参数的优化建模方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5488622A (en) * 1994-07-29 1996-01-30 Litton Systems, Inc. Simplified dispersion equalization field coil design for a multioscillator ring laser gyroscope
WO2001081865A2 (en) * 2000-03-31 2001-11-01 Litton Systems, Inc. Snap fit magnetic shields for laser gyroscopes
CN103870701A (zh) * 2014-03-24 2014-06-18 东南大学 原子磁强计/原子陀螺仪的磁屏蔽筒参数的优化建模方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
核磁共振微陀螺的现状与发展;李攀等;《微纳电子技术》;20121231;第49卷(第12期);第769-785页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105588555A (zh) 2016-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105588555B (zh) 一种主被动磁屏蔽方法
CN106017451B (zh) 一种基于serf原子器件的磁场补偿惯性角速率的测量方法
Meyer et al. Nuclear magnetic resonance gyro for inertial navigation
CN109186578B (zh) 一种三轴一体的serf原子自旋陀螺仪
Arvanitaki et al. Resonantly detecting axion-mediated forces with nuclear magnetic resonance
CN108287322B (zh) 一种无响应盲区的原子磁力仪及其测量外磁场的方法
US9116201B2 (en) Method for detecting zero-field resonance
CN102914298B (zh) 一种富勒烯分子陀螺
CN103438877B (zh) 一种基于serf原子自旋效应的惯性和磁场一体化测量方法
Zhang et al. Inertial rotation measurement with atomic spins: From angular momentum conservation to quantum phase theory
CN105301541A (zh) 原子磁强计的磁线圈x、y轴非正交角的测量装置与方法
Sui et al. Compact fluxgate magnetic full-tensor gradiometer with spherical feedback coil
CN107063226A (zh) 一种双气室核自旋陀螺仪及其控制方法
CN104697512A (zh) 一种基于Aharonov-Anandan几何相的金刚石色心陀螺仪及角速度测量方法
CN104299747B (zh) 一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈
CN104280023B (zh) 一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统
CN110568382A (zh) 基于serf的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置
CN107727089A (zh) 一种适用于serf原子自旋陀螺仪的三轴剩余磁场测量与补偿方法
CN112556677A (zh) 一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪及实现方法
Fu et al. A nanocrystalline shield for high precision co-magnetometer operated in spin-exchange relaxation-free regime
CN107490775B (zh) 一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法
Liu et al. Construction of an Overhauser magnetic gradiometer and the applications in geomagnetic observation and ferromagnetic target localization
CN111060853B (zh) 基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法
CN109883410B (zh) 一种双核自旋磁致频移抑制方法
CN206546425U (zh) 一种实现标量矢量同时测量的氦光泵磁力仪探头

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant