CN106019180B - 一种碱金属原子磁强计气室电加热磁场测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碱金属原子磁强计气室电加热磁场测量方法。常规的测量方法是采用其它种类的磁强计测量气室电加热器通电后产生的磁场，这种测量方法不仅受到所使用磁强计的体积、安装位置的影响，无法实现原位测量，而且受限于所使用磁强计的灵敏度，测量精度不高。本发明涉及的方法是利用SERF原子磁强计三维原位磁补偿技术，分别测量直流电源和高频调制电路驱动电加热器时原子感受到的磁场，将两者相减从而计算出电加热磁场的大小。这一方法不仅可以实现原位测量，消除测量的位置误差，而且由于利用原子磁强计自身测量信息，因而可大幅度提高测量精度。

Description

一种碱金属原子磁强计气室电加热磁场测量方法
技术领域
本发明涉及一种碱金属原子磁强计气室电加热器磁场测量方法，属于原子磁强计技术领域，也可以用于原子自旋陀螺领域。
背景技术
许多种类的碱金属原子磁强计，如SERF(Spin-Exchange-Relaxation-Free，无自旋交换弛豫)原子磁强计、钾光泵原子磁强计等，都需要对其气室进行加热，以保证一定的碱金属原子密度，从而提高其信噪比。最常用的气室加热方式为电加热，即利用电流驱动电加热器产生焦耳热实现加热效果。电加热的驱动电流将不可避免的产生磁场，这一磁场将与待测磁场一起被原子感受到。因此对于原子磁强计而言，电加热磁场是一个显著的干扰磁场，通常会采用加热器走线对绕、驱动电流高频调制等手段抑制这一干扰磁场的影响。因此，测量气室电加热产生的磁场可以评估及优化电加热器设计，从而有助于降低原子磁强计的噪声，提高其灵敏度。
常规的电加热磁场测量方法是采用其它种类的磁强计如磁通门、高斯计等，测量电加热器通电后产生的磁场。这种测量方法一方面受到所使用磁强计体积、安装位置的影响，无法实现原位测量；另一方面受限于所使用磁强计的灵敏度，测量精度不高。
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有常规方法无法原位测量以及测量精度不高的缺点，提供一种碱金属原子磁强计气室电加热磁场测量方法，利用SERF原子磁强计的三维原位磁补偿技术，获得直流电源驱动和高频调制电路驱动条件下原子感受到的磁场之差，实现电加热干扰磁场的精确测量。这一方法的不仅可以实现原位测量，消除测量的位置误差，而且由于三维原位磁补偿技术是基于原子磁强计自身对磁场的测量信息，因此大大提高了测量精度。
本发明的技术解决方案为：一种碱金属原子磁强计气室电加热磁场测量方法，其实现方法及步骤如下：
(1)将碱金属原子磁强计的气室安装于磁屏蔽桶内，使碱金属原子工作于低磁场环境以实现SERF态，采用直流电源驱动待测的电加热器对气室进行加热，使气室内的碱金属原子数密度达到1013～1014个/cm3量级并达到稳态；
(2)采用SERF磁强计的三维原位磁补偿技术，利用函数发生器驱动三维磁场线圈将原子感受到的磁场补偿到0，记录此时三个方向的磁补偿值
所述的磁补偿值等于磁屏蔽桶内三个方向的剩磁与电加热产生的三个方向的直流磁场之和：
(3)将步骤(2)中的直流电源进行高频调制，之后将电加热器的驱动源由直流电源切换至高频调制电路输出，待气室温度达到与步骤(2)相同温度并稳定后，再次采用三维原位磁补偿技术将原子感受到的磁场补偿至0，记录此时的三个方向的磁补偿值
所述步骤(3)中的磁补偿值等于磁屏蔽桶内三个方向的剩磁
(4)将步骤(2)记录的磁补偿值和步骤(3)中记录的磁补偿值相减，得到电加热产生的干扰磁场大小
所述高频调制电路将直流电源的输出调制为交流输出，高频调制电路的调制频率远大于原子磁强计的带宽。
所述的三维原位磁补偿技术，是利用磁强计输出信号中的信息，通过函数发生器控制三维磁场线圈产生的磁场补偿碱金属气室中原子感受到的磁场，使原子感受到的三个方向磁场为0。
本发明的原理在于：原子磁强计工作于SERF态时，可以利用三维原位磁补偿技术实现对准静态环境磁场的补偿，使原子感受到的磁场为0，因此当采用直流电源驱动电加热器时，磁补偿值包含电加热器产生的磁场。但是，当加热驱动电流被调制至频率远高于磁强计的带宽时，利用这一技术则无法实现对电加热磁场的补偿。因此，将两种驱动源下的磁补偿值相减，即可得到电加热产生的磁场大小。
本发明与现有技术相比的优点在于：常规的测量方法是采用其它种类的磁强计测量气室电加热器通电后产生的磁场，这种测量方法不仅受到所使用磁强计的体积、安装位置的影响，无法实现原位测量，而且受限于所使用磁强计的灵敏度，测量精度不高。本发明涉及的方法是利用SERF原子磁强计三维原位磁补偿技术，分别测量直流电源和高频调制电路驱动电加热器时原子感受到的磁场，将两者相减从而计算出电加热磁场的大小。这一方法不仅可以实现原位测量，消除测量的位置误差，而且由于利用原子磁强计自身测量信息，因而可大幅度提高测量精度。
附图说明
图1为本发明的碱金属原子磁强计气室电加热磁场测量方法流程图；
图2为本发明中碱金属原子磁强计气室电加热磁场测量方法实验系统示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明具体实施步骤如下：
(1)将碱金属气室9安装于磁屏蔽桶19内，使原子工作于低磁场环境以实现SERF态。将开关5切换至直流电源3驱动待测的电加热器10，使用电加热器10为碱金属气室9加热，使碱金属气室9内的碱金属原子数密度达到1013～1014个/cm3量级并达到稳态。
抽运激光器2输出的激光先后经过起偏器7和1/4波片8后成为圆偏振光照射碱金属气室9，实现对原子的抽运。检测激光器1输出的激光先后经过反射镜12和起偏器13成为线偏振光，之后进入气室9，其线偏振角发生改变从而实现原子进动信号的检测，之后分别经过反射镜14和1/2波片15，进入渥拉斯通棱镜16，渥拉斯通棱镜16将检测光分为两束进入差分探测器17，差分探测器输出磁强计的信号18。
(2)利用磁强计的输出信号18，采用三维原位磁补偿技术，通过函数发生器6控制三维磁场线圈11产生的磁场补偿碱金属气室9中原子感受到的磁场，使原子感受到的三个方向磁场为0。记录此时三个方向的磁补偿值
此时，所述的磁补偿值等于磁屏蔽桶内三个方向的剩磁与电加热产生的三个方向的直流磁场之和：
(3)利用高频调制电路4对直流电源3的输出进行调制，其调制频率远大于原子磁强计的带宽。之后利用开关5将电加热器10的驱动源由直流电源切换为高频调制电路4。待气室9温度达到与步骤(2)相同温度并稳定后，再次采用三维原位磁补偿技术将原子感受到的磁场补偿至0，记录此时的三个方向的磁补偿值
此时，所述的磁补偿值等于磁屏蔽桶内三个方向的剩磁
(4)将步骤(2)记录的磁补偿值和步骤(3)中记录的磁补偿值相减，得到电加热产生的干扰磁场
总之，本发明避免了常规方法使用其它传感器测量引起的位置误差；采用三维原位磁补偿技术，利用原子磁强计自身的敏感信息实现磁场测量，由于原子磁强计具有非常高的灵敏度。
本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种碱金属原子磁强计气室电加热磁场测量方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将碱金属原子磁强计的气室安装于磁屏蔽桶内，使碱金属原子工作于低磁场环境以实现SERF态，采用直流电源驱动待测的电加热器对气室进行加热，使气室内的碱金属原子数密度达到1013～1014个/cm3量级并达到稳态；
(2)采用SERF磁强计的三维原位磁补偿技术，利用函数发生器驱动三维磁场线圈将原子感受到的磁场补偿到0，记录此时三个方向的磁补偿值所述的磁补偿值等于磁屏蔽桶内三个方向的剩磁与电加热产生的三个方向的直流磁场之和：
(3)将步骤(2)中的直流电源进行高频调制，之后将电加热器的驱动源由直流电源切换至高频调制电路输出，待气室温度达到与步骤(2)相同温度并稳定后，再次采用三维原位磁补偿技术将原子感受到的磁场补偿至0，记录此时的三个方向的磁补偿值
所述步骤(3)中的磁补偿值等于磁屏蔽桶内三个方向的剩磁
(4)将步骤(2)记录的磁补偿值和步骤(3)中记录的磁补偿值相减，得到电加热产生的干扰磁场大小
所述的三维原位磁补偿技术，是利用磁强计输出信号中的信息，通过函数发生器控制三维磁场线圈产生的磁场补偿碱金属气室中原子感受到的磁场，使原子感受到的三个方向磁场为0。
2.根据权利要求1所述的碱金属原子磁强计气室电加热磁场测量方法，其特征在于：所述高频调制电路将直流电源的输出调制为交流输出，高频调制电路的调制频率远大于原子磁强计的带宽。
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Assignor: Hangzhou Deqi Medical Technology Co.,Ltd.

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Denomination of invention: An electric heating magnetic field measurement method for gas chamber of alkali metal atomic magnetometer

Granted publication date: 20190129

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