CN106886000A - 一种利用核磁共振实现磁场幅度稳定的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁场调控技术领域，具体地涉及一种利用核磁共振实现磁场幅度稳定的装置及方法。所述装置包含由泵浦激光器、扩束镜、一号起偏器、四分之一波片、一号透镜、一号探测器组成的泵浦光路；由探测激光器、二号起偏器、检偏器、二号透镜、二号探测器组成的探测光路；由一号亥姆霍兹线圈、二号亥姆霍兹线圈、磁屏蔽桶、一号磁场信号源、二号磁场信号源组成的磁场产生及控制系统；原子气室；由数据采集卡和计算机组成的信号采集及处理系统。本发明通过测量惰性气体的核磁共振频率实现对磁场强度的测量，实现磁场幅度的高精度测量和稳定。本装置结构简单，操作方法方便，可移植性强。

Description

一种利用核磁共振实现磁场幅度稳定的装置及方法
技术领域
本发明涉及磁场调控技术领域，具体地涉及一种利用核磁共振实现磁场幅度稳定的装置及方法。
背景技术
带电粒子在磁场中的运动会受到磁场产生的洛仑兹力的影响。因此在现代量子检测和操控技术中，磁场是重要的控制手段，并能够为一些测量应用提供基准。因此对磁场幅度进行高精度控制和稳定是十分必要的。
惰性气体核磁矩的磁场性质类似于磁偶极子，将其置于磁场中时，会受到一个扭矩的作用。该扭矩会使原子核磁矩趋向于沿磁场线分布，并以特定频率绕磁场线进动,这种现象称为核磁共振。进动频率称为Larmor频率，ωL＝γB0。其中,γ是原子核的旋磁比，仅由惰性气体原子种类决定。因此通过检测惰性气体核自旋的进动频率，可以直接反映其所处的环境中磁场的大小。换句话说，如果实现了磁场中惰性气体核自旋的进动频率的稳定，就相当于实现了对该磁场幅度的稳定。
自旋交换光泵浦技术以碱金属原子为媒介，将激光光子的角动量传递给惰性气体原子，能够产生大量自旋状态相同的惰性气体原子。因此利用自旋交换光泵浦技术可以获得较强的惰性气体核自旋信号，提高探测的信噪比。
发明内容
本发明提供一种利用核磁共振实现磁场幅度稳定的装置及相应的调整方法，能够实现对磁场幅度的高精度控制和稳定。
本发明采用的技术方案为：一种利用核磁共振实现磁场幅度稳定的装置，包含由泵浦激光器101、扩束镜102、一号起偏器103、四分之一波片104、一号透镜105、一号探测器106组成的泵浦光路；由探测激光器201、二号起偏器202、检偏器203、二号透镜204、二号探测器205组成的探测光路；由一号亥姆霍兹线圈301、二号亥姆霍兹线圈302、磁屏蔽桶303、一号磁场信号源304、二号磁场信号源305组成的磁场产生及控制系统；原子气室4；由数据采集卡501和计算机502组成的信号采集及处理系统。
所述泵浦激光器101出射的线偏振激光由扩束镜102扩束，经过一号起偏器103和四分之一波片104转化为圆偏振态后入射铷原子气室4，经由铷原子气室4透射出的光通过一号透镜105聚焦后被一号探测器106探测，所述一号探测器106将探测到的光强信号转换为电压信号，被数据采集卡501采集后，传递给计算机502；
所述的探测激光器201出射的线偏振激光经过二号起偏器202后透过铷原子气室4，检偏器203检测线偏振激光偏振轴的转动，光信号通过二号透镜204聚焦后被二号探测器205转换为电压信号，被数据采集卡501采集后，传递给计算机502；
所述的一号亥姆霍兹线圈301的轴线与泵浦光路重合；所述的二号亥姆霍兹线圈302的轴线与探测光路重合；所述的磁屏蔽桶303在泵浦光路和探测光路传播方向开有通孔，允许泵浦激光器101和探测激光器201出射的激光通过，一号亥姆霍兹线圈301、二号亥姆霍兹线圈302和原子气室4置于磁屏蔽桶303内部；所述的一号磁场信号源304为一号亥姆霍兹线圈301提供驱动电流；所述的二号磁场信号源305为二号亥姆霍兹线圈302提供驱动电流；
所述的原子气室4为充有碱金属、惰性气体和缓冲气体的密封石英玻璃气室；
所述的数据采集卡501用于采集一号探测器106和二号探测器205的信号输送给计算机502，计算机502对一号探测器106和二号探测器205的信号分析处理后产生磁场控制信号，经由数据采集卡501传递给一号磁场信号源304和二号磁场信号源305。
本发明还提供一种利用上述装置实现磁场幅度稳定的方法，该方法具体包含以下步骤：
步骤一、搭建如上所述利用核磁共振实现磁场幅度稳定的装置，利用所述原子气室4中的碱金属吸收泵浦光中光子的角动量，并通过与惰性气体原子的碰撞，将该角动量传递给惰性气体原子，从而获得大量自旋状态相同的惰性气体原子；
步骤二、通过一号亥姆霍兹线圈301的结构尺寸确定产生磁场强度Ba所需的电流I0，由计算机502控制一号磁场信号源304输出电流I0给一号亥姆霍兹线圈301。在该磁场的作用下，惰性气体核自旋以Larmor频率绕磁场线进动；
步骤三、根据磁场强度Ba确定核磁共振频率ωa＝γBa，由计算机502控制二号磁场信号源305产生正弦交变电流，控制二号亥姆霍兹线圈302产生幅度为20nT的交变磁场，磁场的频率从0.9ωa到1.1ωa线性变化，变化的周期为10s；
步骤四、惰性气体原子自旋的周期性进动会产生一个交变磁场，影响碱金属对探测光的吸收强度，二号探测器205中探测光强的变化频率对应于惰性气体原子自旋进动的Larmor频率。当二号亥姆霍兹线圈302产生的交变磁场频率等于惰性气体原子自旋进动的Larmor频率时，惰性气体原子自旋与二号亥姆霍兹线圈302产生的交变磁场发生共振，此时惰性气体原子自旋进动产生的交变磁场信号最强。利用计算机502对二号探测器205的信号进行傅立叶变换，得到信号的频谱图，并根据频谱图得到频谱图中峰值点对应的频率ωb，即为此时惰性气体核自旋实际的进动频率，也就是说当前输出电流I0使一号亥姆霍兹线圈301产生的实际磁场大小为ωb/γ；
步骤五、利用计算机502调整一号磁场信号源304输出电流重复步骤一至步骤四，最终使磁场强度稳定在Ba＝ωa/γ。
本发明具有以下技术效果：
通过测量惰性气体的核磁共振频率实现对磁场强度的测量，实现磁场幅度的高精度测量和稳定。本装置结构简单，操作方法方便，可移植性强。
附图说明
图1为本发明利用核磁共振实现磁场幅度稳定的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
参考附图，本发明的利用核磁共振实现磁场幅度稳定的装置，包含由泵浦激光器101、扩束镜102、一号起偏器103、四分之一波片104、一号透镜105、一号探测器106组成的泵浦光路；由探测激光器201、二号起偏器202、检偏器203、二号透镜204、二号探测器205组成的探测光路；由一号亥姆霍兹线圈301、二号亥姆霍兹线圈302、磁屏蔽桶303、一号磁场信号源304、二号磁场信号源305组成的磁场产生及控制系统；原子气室4；由数据采集卡501和计算机502组成的信号采集及处理系统。
所述的泵浦光路中的泵浦激光器101出射的线偏振激光由扩束镜102扩束，经过一号起偏器103和四分之一波片104转化为圆偏振态后入射铷原子气室4；经由铷原子气室4透射出的光通过一号透镜105聚焦后被一号探测器106探测，所述一号探测器106将探测到的光强信号转换为电压信号，被数据采集卡501采集后，传递给计算机502；
所述的探测光路中的探测激光器201出射的线偏振激光经过二号起偏器202后透过铷原子气室4，检偏器203检测线偏振激光偏振轴的转动，光信号通过二号透镜204聚焦后被二号探测器205转换为电压信号，所述二号探测器205输出信号被数据采集卡501采集后，传递给计算机502；
所述的一号亥姆霍兹线圈301的轴线与泵浦光路重合；所述的二号亥姆霍兹线圈302的轴线与探测光路重合；所述的磁屏蔽桶303在泵浦光路和探测光路传播方向开有通孔，允许泵浦激光器101和探测激光器201出射的激光通过，一号亥姆霍兹线圈301、二号亥姆霍兹线圈302和原子气室4置于磁屏蔽桶303内部；所述的一号磁场信号源304为一号亥姆霍兹线圈301提供驱动电流；所述的二号磁场信号源305为二号亥姆霍兹线圈302提供驱动电流；
所述的原子气室4为充有碱金属、惰性气体和缓冲气体的密封石英玻璃气室。
所述的数据采集卡501用于采集一号探测器106和二号探测器205的信号输送给计算机502，计算机502对一号探测器106和二号探测器205的信号分析处理后产生磁场控制信号，经由数据采集卡501传递给一号磁场信号源304和二号磁场信号源305。
本发明还提供一种利用上述装置实现磁场幅度稳定的方法，该方法具体包含以下步骤：
步骤一、搭建如上所述利用核磁共振实现磁场幅度稳定的装置。在泵浦光路中，所述原子气室4中的碱金属吸收泵浦光中光子的角动量，并通过与惰性气体原子的碰撞，将该角动量传递给惰性气体原子，从而获得大量自旋状态相同的惰性气体原子。
步骤二、通过一号亥姆霍兹线圈301的结构尺寸确定产生磁场强度Ba所需的电流I0，由计算机502控制一号磁场信号源304输出电流I0给一号亥姆霍兹线圈301。在该磁场的作用下，惰性气体核自旋以Larmor频率绕磁场线进动；
步骤三、根据磁场强度Ba确定核磁共振频率ωa＝γBa，由计算机502控制二号磁场信号源305产生正弦交变电流，控制二号亥姆霍兹线圈302产生幅度为20nT的交变磁场，磁场的频率从0.9ωa到1.1ωa线性变化，变化的周期为10s；
步骤四、惰性气体原子自旋的周期性进动会产生一个交变磁场，影响碱金属对探测光的吸收强度，二号探测器205中探测光强的变化频率对应于惰性气体原子自旋进动的Larmor频率。当二号亥姆霍兹线圈302产生的交变磁场频率等于惰性气体原子自旋进动的Larmor频率时，惰性气体原子自旋与交变磁场发生共振，此时惰性气体原子自旋进动产生的交变磁场信号最强。利用计算机502对二号探测器205的信号进行傅立叶变换，得到信号的频谱图，并根据频谱图得到频谱图中峰值点对应的频率ωb，即为此时惰性气体核自旋实际的进动频率，也就是说当前输出电流I0使一号亥姆霍兹线圈301产生的实际磁场大小为ωb/γ；
步骤五、根据探测到的惰性气体核自旋进动频率反映的实际磁场大小，调整磁场驱动电流：利用计算机502调整一号磁场信号源304输出电流重复步骤一至步骤四，最终使磁场强度稳定在Ba＝ωa/γ。

Claims (2)

1.一种利用核磁共振实现磁场幅度稳定的装置，其特征在于：所述装置包含由泵浦激光器(101)、扩束镜(102)、一号起偏器(103)、四分之一波片(104)、一号透镜(105)、一号探测器(106)组成的泵浦光路；由探测激光器(201)、二号起偏器(202)、检偏器(203)、二号透镜(204)、二号探测器(205)组成的探测光路；由一号亥姆霍兹线圈(301)、二号亥姆霍兹线圈(302)、磁屏蔽桶(303)、一号磁场信号源(304)、二号磁场信号源(305)组成的磁场产生及控制系统；原子气室(4)；由数据采集卡(501)和计算机(502)组成的信号采集及处理系统；
所述泵浦激光器(101)出射的线偏振激光由扩束镜(102)扩束，经过一号起偏器(103)和四分之一波片(104)转化为圆偏振态后入射铷原子气室(4)，经由铷原子气室(4)透射出的光通过一号透镜(105)聚焦后被一号探测器(106)探测，所述一号探测器(106)将探测到的光强信号转换为电压信号，被数据采集卡(501)采集后，传递给计算机(502)；
所述的探测激光器(201)出射的线偏振激光经过二号起偏器(202)后透过铷原子气室(4)，检偏器(203)检测线偏振激光偏振轴的转动，光信号通过二号透镜(204)聚焦后被二号探测器(205)转换为电压信号，被数据采集卡(501)采集后，传递给计算机(502)；
所述的一号亥姆霍兹线圈(301)的轴线与泵浦光路重合；所述的二号亥姆霍兹线圈(302)的轴线与探测光路重合；所述的磁屏蔽桶(303)在泵浦光路和探测光路传播方向开有通孔，允许泵浦激光器(101)和探测激光器(201)出射的激光通过，一号亥姆霍兹线圈(301)、二号亥姆霍兹线圈(302)和原子气室(4)置于磁屏蔽桶(303)内部；所述的一号磁场信号源(304)为一号亥姆霍兹线圈(301)提供驱动电流；所述的二号磁场信号源(305)为二号亥姆霍兹线圈(302)提供驱动电流；
所述的原子气室(4)为充有碱金属、惰性气体和缓冲气体的密封石英玻璃气室；
所述的数据采集卡(501)用于采集一号探测器(106)和二号探测器(205)的信号输送给计算机(502)，计算机(502)对一号探测器(106)和二号探测器(205)的信号分析处理后产生磁场控制信号，经由数据采集卡(501)传递给一号磁场信号源(304)和二号磁场信号源(305)。
2.一种利用如权利要求1所述装置实现磁场幅度稳定的方法，其特征在于，该方法具体包含以下步骤：
步骤一、搭建如权利要求1所述利用核磁共振实现磁场幅度稳定的装置，利用所述原子气室(4)中的碱金属吸收泵浦光中光子的角动量，并通过与惰性气体原子的碰撞，将该角动量传递给惰性气体原子，从而获得大量自旋状态相同的惰性气体原子；
步骤二、通过一号亥姆霍兹线圈(301)的结构尺寸确定产生磁场强度Ba所需的电流I0，由计算机(502)控制一号磁场信号源(304)输出电流I0给一号亥姆霍兹线圈(301)；在该磁场的作用下，惰性气体核自旋以Larmor频率绕磁场线进动；
步骤三、根据磁场强度Ba确定核磁共振频率ωa＝γBa，由计算机(502)控制二号磁场信号源(305)产生正弦交变电流，控制二号亥姆霍兹线圈(302)产生幅度为20nT的交变磁场，磁场的频率从0.9ωa到1.1ωa线性变化，变化的周期为10s；
步骤四、当二号亥姆霍兹线圈(302)产生的交变磁场频率等于惰性气体原子自旋进动的Larmor频率时，惰性气体原子自旋与二号亥姆霍兹线圈(302)产生的交变磁场发生共振，此时惰性气体原子自旋进动产生的交变磁场信号最强；利用计算机(502)对二号探测器(205)的信号进行傅立叶变换，得到信号的频谱图，并根据频谱图得到频谱图中峰值点对应的频率ωb，即为此时惰性气体核自旋实际的进动频率，也就是说当前输出电流I0使一号亥姆霍兹线圈(301)产生的实际磁场大小为ωb/γ；
步骤五、利用计算机(502)调整一号磁场信号源(304)输出电流重复步骤一至步骤四，最终使磁场强度稳定在Ba＝ωa/γ。
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