CN107422287B - 一种多同位素磁共振信号同步激励与探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种多同位素磁共振信号同步激励与探测方法及其装置，该测量方法包含了采用多个交流磁场对含有多个同位素的工作单质同时进行激励与测量，其中交流磁场的数量与同位素的数量一致，并且交流磁场的中心频率的比值为常数，且与各个同位素的磁旋比的比值相同。不同交流磁场采用同一个低频正弦信号进行调制，并通过与该低频信号同频的另一个信号对检测到的信号进行解调。本发明省去提取单质的同位素的过程，节约了成本，削弱了各个同位素的磁共振信号之间的干扰，应用于Mz磁强计中，提高了磁共振信号提取的准确度和灵敏度。

Description

一种多同位素磁共振信号同步激励与探测方法及装置

技术领域

本申请涉及一种原子器件的磁共振信号激励与提取方法，属于原子器件领域与磁场探测领域，具体的，涉及一种同时激励多同位素的磁共振信号同步激励与探测方法及装置。

背景技术

利用磁共振信号的原子器件(如原子磁强计)具有极其广泛的应用，其中包括地下探测，定位导航，以及生物医疗领域，例如对人体脑磁、心磁的探测可以对一些疾病进行诊断。在这些应用当中，所涉及的磁场信号都非常微弱，所以高灵敏度对于这类原子器件是一个至关重要的参数。近年随着制造工艺的进步，原子器件相关技术得到了很大的发展，特别是随着激光光泵原子技术的出现。如今的原子器件在可以实现达到最高灵敏度的同时，又具有体积小、功耗低、成本较低的优势。例如原子磁强计，其结构简单，成本低，功耗低，易于集成，而且据报道其灵敏度最高达到了0.54fT/Hz1/2，具有非常广阔的应用前景。利用磁共振的原子器件的工作主要是依靠光泵浦将蒸汽腔室中的工作单质极化，然后用探测光探测该单质原子在磁场环境中的塞曼分裂所对应的拉莫尔进动频率，得到磁场以及工作原子相关的信息。

然而，按通常方式制备的蒸汽腔中，工作单质往往含有其天然的同位素。例如，以碱金属铷为例，自然界中铷含量最多的两种同位素为铷85和铷87，其丰度分别为72.15％，27.85％。不同的同位素在磁场中的塞曼能级分裂不一样，这就导致对于同一个腔室将会测到多个拉莫尔进动频率。多个同位素的存在，一方面会导致测到的信号中包含中心频率不同的多个磁共振信号的叠加，从而互相干扰，导致测量的精度下降。另一方面，由于不同同位素又属于同一种元素，所以当腔室处于某个工作温度时，同位素会分摊该元素的蒸汽压，导致测到的信号会比只有同一个同位素时小很多。而提取单一同位素的过程复杂而且成本高，对于通常被应用于原子器件中的活泼的碱金属元素尤其如此。

因此，如何克服多同位素测量误差问题，在无须提纯同位素，省去提纯同位素的成本的同时，获得与原来相比更高的测量灵敏度与准确度，成为现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种同时激励并同时提取多同位素磁共振信号的方法，能够无须提纯同位素，省去提纯同位素的成本，该方法应用于Mz原子磁强计中，获得与原来相比更高的磁共振信号提取的灵敏度与准确度。

一种多同位素磁共振信号同步激励与探测的方法，该方法能够应用于原子器件，该方法包括采用含有n个同位素的单质的蒸汽腔室作为工作腔室，当这些同位素被相应的激光泵浦以后，再用n个驱动交流磁场分别驱动这些同位素的拉莫尔进动，在对信号进行检测。

可选的，所述n个驱动交流磁场被同一个调制低频交流信号调制，检测端也以该调制低频交流信号作为参考信号，对检测到的信号进行锁相放大，所述n个驱动交流磁场的n个驱动交流信号的中心频率保持固定的比值，所述比值与所述腔室内的同位素的磁旋比的比值相同。

本发明还公开了一种多同位素磁共振信号同步激励与探测的Mz原子磁强测量计，包括，沿着光束方向分别包括第一激光器模块，蒸汽腔室，位于蒸汽腔室中的工作介质，和光电探测管，在蒸汽腔室外侧还具有交流磁场线圈，和信号发生器，所述第一激光器模块，用于发出单色激光，并入射至加热到一定温度的蒸汽腔室中的工作介质，所述工作介质包括特定单质的原子蒸汽，所述特定单质包含该单质的多种同位素；所述信号发生器，包括多个驱动信号发生器，分别发出多个驱动交流信号，低频向高频进行扫频，并且该多个驱动交流信号的个数与工作介质的同位素的数量一样；所述交流磁场线圈设置在所述蒸汽腔室的外侧，并受到信号发生器输出的多个驱动交流信号的驱动以产生交流磁场，并施加于工作介质；光电检测管，用于对经过工作介质的激光束进行检测。

可选的，所述多个驱动交流信号的中心频率保持固定的比值，这些比值与蒸汽腔室内的同位素的磁旋比的比值相同。

可选的，所述Mz原子磁强测量计还包括锁相放大器，对光电探测管转换的电信号进行检测，所述信号发生器还包括调制信号发生器，用于发出调制交流低频信号，对多个驱动交流信号进行调制，并输送到锁相放大器进行作为参考信号对光电探测管转换的电信号进行检测。

可选的，所述交流磁场线圈为单组交流磁场线圈，所述信号发生器将多个驱动交流信号相加，然后由所述调制交流低频信号进行调制后，对所述交流磁场线圈进行驱动以产生交流磁场。

可选的，所述交流磁场线圈为多组交流磁场线圈，所述多组交流磁场线圈分别连接所述多个驱动信号发生器，调制低频交流信号分别对多个驱动交流信号进行调制后对，所述多个驱动交流信号分别对所述多个交流磁场线圈进行驱动以产生叠加的交流磁场。

可选的，驱动交流信号的中心频率从低至高进行扫频，范围从200Hz起；调制低频交流信号的频率低于200Hz。

可选的，所述蒸汽腔室为体积较大的腔室，或者通过微加工工艺制作的微型化腔室，所述蒸汽腔室包括腔室加热器。

可选的，在第一激光器模块和蒸汽腔室之间还具有准直透镜，起偏器，和1/4玻片，所述准直透镜，用于对第一激光器模块1发出的光进行准直；所述起偏器，用于对准直后的激光进行纠偏以获得纯正的线偏振光；所述1/4玻片，用于对所述线偏振光进行偏转以获得纯正的圆偏转光。

本发明具有如下优点：

1.本发明提出了新的磁共振信号提取与检测，适用于含多种同位素的工作腔室，使得采用含有同位素的工作物质(例如铷，氦)时，可以省去提取单质的同位素的过程，从而极大地节约了成本。

2.本发明将碱金属原子不同同位素的磁共振响应结合，极大地削弱了各个同位素的磁共振信号之间的干扰，从而很大程度上提高了测量的准确度。

3.本发明将碱金属原子不同同位素的磁共振响应相叠加，增强了测量的信号的强度。

4.由于该测量方案没有引入更多的信号处理步骤，所以不会增加系统带来的噪声，从而在信号强度得到增强的基础上，实现了灵敏度的提升。

附图说明

图1是根据本发明的具体实施例的采用单光束、单组RF线圈以及含有天然铷单质的微型腔室的Mz磁强测量计的示意图；

图2是根据本发明的另一具体实施例的采用双光束、单组RF线圈以及含有天然铷单质的微型腔室的Mz磁强测量计的示意图；

图3是根据本发明的另一具体实施例的采用单光束、两组RF线圈以及含有天然铷单质的微型腔室的Mz磁强测量计的示意图；

图中的附图标记所分别指代的技术特征为：

1、第一激光器模块；2、准直透镜；3、起偏器；4、1/4玻片；5、蒸汽腔室；6、工作介质；7、激光束；8、光电探测管；9、锁相放大器；10、交流磁场线圈；11、加法器；12、信号发生器模块；13、磁屏蔽装置；14、交流线圈串联导线；15、反射镜；16、第二激光器模块；17、腔室加热器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明的要点在于：针对碱金属存在多个同位素的问题，采用含有多个(例如n个)同位素的腔室作为工作腔室，当这些同位素被相应的激光泵浦以后，再用n个交流磁场分别驱动这些同位素的拉莫尔进动，并通过锁相放大对信号进行检测。其中这n个交流信号的中心频率保持固定的比值，这些比值与工作腔室内的同位素的磁旋比的比值相同。通过该接口，并利用扫频使得这n个交流磁场的中心频率在某一时刻同时经过上述多个同位素的拉莫尔进动频率处，从而实现对这些同位素的同时激发。因此，检测到的磁共振信号将是这些同位素的磁共振信号的叠加。不同的磁共振信号的叠加，一方面可以检测到更强的磁共振信号，另一方面可以避免不同磁共振信号之间的互相干扰。

此外，这n个交流磁场被同一个低频交流信号调制，每个交流场的频率分别在其对应的同位素的共振线型上以同一个低频变化，从而使得激光探测到的每个同位素的信号都以该低频交流变化。检测端也以该低频交流信号作为参考信号，对检测到的信号进行锁相放大，则可以对各个同位素的磁共振信号同时进行检测。

可选的，n个交流信号的中心频率，从较低的频率开始扫频，直到较高的频率。起始的频率可以选择200Hz，该频率不能低于低频调制的频率，而低频调制的频率通常受到物理限制，在200Hz以下；截止的频率可以根据应用范围进行选择。例如，如果采用的是铷的两种同位素，而且在地磁环境进行测量：因为地磁通常在50μT左右，对应于铷85的拉莫尔进动频率为233.3kHz，对应于铷87的拉莫尔进动频率为350kHz，如果待测磁场在20μT范围以内变化，则可以选择扫频的截止频率为380kHz。

因此，本发明提出一种多同位素磁共振信号同步激励与探测的方法，该方法能够应用于原子器件，该方法包括采用含有n个同位素单质的蒸汽腔室作为工作腔室(即该工作腔室包含具有n个同位素的单质)，当这些同位素被相应的激光泵浦以后，再用n个驱动交流磁场分别驱动这些同位素的拉莫尔进动，再对信号进行检测。

检测方法可以为：通过锁相放大对信号进行检测，这n个驱动交流磁场被同一个调制低频交流信号调制。检测端也以该调制低频交流信号作为参考信号，对检测到的信号进行锁相放大。

所述n个驱动交流磁场的n个驱动交流信号的中心频率保持固定的比值，所述比值与所述腔室内的同位素的磁旋比的比值相同。

另外，这n个交流信号的中心频率，从较低的频率(例如200Hz)，开始扫频，直到较高的频率(例如500kHz)。

该检测方法可以适用于包含多同位素的原子器件，下面Mz磁强测量计来示例性的说明本发明的测量方法，以及应用该方法的测量装置。

实施例1：

参见图1，示出了根据具体实施例的Mz磁强测量计的示意图。

该Mz磁场测量计外侧具有磁屏蔽装置13，系统的主要部分都置于该磁屏蔽装置13内，该Mz磁场测量计沿着光束方向分别包括第一激光器模块1，准直透镜2，起偏器3，1/4玻片4，蒸汽腔室5，工作介质6，激光束7，光电探测管8和锁相放大器9

其中第一激光器模块1发出单色激光，该第一激光器模块1包括激光光源和光源驱动模块，示例性的，该激光光源可以为VCSEL，该光源驱动模块能够调整激光器的工作温度和电流以对激光波长进行调整，例如，调整激光器的工作温度和电流使得第一激光器的出射波长位于被测的铷原子的能级跃迁D1线处。

准直透镜2，用于对第一激光器模块1发出的光进行准直；

起偏器3，用于对准直后的激光进行纠偏以获得纯正的线偏振光；

1/4拨片4，用于对所述线偏振光进行偏转以获得纯正的圆偏转光；

蒸汽腔室5，用于放置工作物质。该蒸汽腔室可以是体积较大的腔室，例如立方厘米级别的腔室，也可以是通过微加工工艺制作的微型化腔室，例如立方毫米级别的腔室。在本实施例中，该蒸汽腔室5中的工作介质含有碱金属元素，其中包含多种同位素。

该测量计还包括：交流磁场线圈10，和信号发生器12。

所述交流磁场线圈10设置在所述蒸汽腔室5的外侧，并通过交流线圈串联导线14连接，所述信号发生器12用于发出多个驱动交流信号，并且该多个驱动交流信号的个数与工作物质中同位素的数量一样，该多个驱动交流信号的中心频率保持固定的比值，这些比值与蒸汽腔室5内的同位素的磁旋比的比值相同。

在本实施例中，采用单光束、单组RF线圈，对微型腔室中的天然铷单质进行Mz磁强测量。该蒸汽腔室5含有碱金属元素6，其中包含铷85和铷87两种同位素。

其中该交流磁场线圈10为单组交流磁场线圈，设置在所述蒸汽腔室5的外侧，并通过交流线圈串联导线14连接，

所述信号发生器模块12，包括调制信号发生器，用于发出调制交流低频信号，对驱动交流信号进行调制，并输送到锁相放大器9进行检测，多个驱动信号发生器，分别发出多个驱动交流信号，所述多个驱动交流信号的个数与同位素的数量一样，该多个驱动交流信号的中心频率保持固定的比值，这些比值与蒸汽腔室5内的同位素的磁旋比的比值相同，该多个驱动交流信号由低频向高频进行扫频。在本实施例中，为两个驱动交流信号发生器，中心频率比值为2∶3，由低频向高频进行扫频。多个所述驱动信号发生器模块发出的驱动交流信号由加法器11进行相加，然后由所述调制交流低频信号进行调制后，对所述交流磁场线圈10进行驱动以产生交流磁场。

进一步的，所述腔室中还包括腔室加热器17，用于对腔室进行加热。示例性的，所述腔室加热器可以为加热电阻。

本实施例首先通过腔室加热器17对蒸汽腔室5进行加热，调控第一激光器模块1的温度与电流，让激光束7通过蒸汽腔室5后经过光电检测，观察到吸收曲线。由此吸收曲线的吸收最大处，得到出射激光波长处于铷原子的能级跃迁D1线时的激光器工作温度与电流。

然后，所述交流磁场线圈10对工作介质6中的工作原子施加交流磁场。该线圈的驱动信号中，包含有两个交流信号，其中心频率比值为2∶3，由低频向高频进行扫频，与此同时，这两个信号被一个低频的交流信号调制，可采用低于200Hz的某一个频率，例如80Hz。。这两个信号通过一个加法器相加，并由合信号驱动线圈产生交流磁场。透过蒸汽腔室5的激光信号通过光电探测管8将光信号转换为电信号，并通过锁相放大器9对信号进行检测。锁相放大器的参考信号采用的是调制交流低频信号。

通过对测得的信号的过零点进行分析，可以得到外部磁场的大小，以及测量的灵敏度。

实施例2：

相对于实施例1的单激光的Mz磁强测量计结构，本发明的多同位素腔室的Mz原子磁强测量计也能够适应于双激光的Mz磁强测量计结构。

参见图2，示出了根据该具体实施例的Mz磁强测量计的示意图。该实施例2与实施例1大部分均相同，区别仅在于，还包括第二激光器模块16，该第二激光器模块16通过反射镜15穿过蒸汽腔室5。其中第二激光器模块出射激光位于铷原子的能级跃迁D1线，第一激光器出射的波长稍稍偏离铷原子的D1。该第一激光器最初选择的是对应于工作原子D1线的激光。由于激光可调节的波长很小，可以调节该激光波长，使其偏离最强的光泵浦的波长，以避免强烈的泵浦。

在该实施例中，首先对蒸汽腔室5进行加热，调控第二激光器模块16的温度与电流，让激光7通过蒸汽腔室5后经过光电检测，观察到吸收曲线。由此吸收曲线的吸收最大处，得到出射激光波长处于铷原子的能级跃迁D1线时的激光器工作温度与电流。然后调控第一激光器模块1的温度与电流，如前所述，使其波长稍稍偏离铷原子的D1，并且使出射光通过腔室，并通过光电二极管检测该光束，通过锁相放大器可从该光束的信号中提取得到包含磁场的频率信号。采用双光束的作用是避免了直接检测泵浦光——即该实例中的激光器16的输出光——所引起的线宽与噪声的增加。

采用一对线圈10对工作物质碱金属原子6施加交流磁场。该线圈的驱动信号中，包含有两个交流信号，其中心频率比值为2∶3，由低频向高频进行扫频；与此同时，这两个信号被一个低频的交流信号调制，可采用低于200Hz的某一个频率，例如80Hz。这两个信号通过一个加法器相加，并由合信号驱动线圈产生交流磁场。

透过蒸汽腔室5的激光信号通过一个光电探测管8将光信号转换为电信号，并通过锁相放大器9对信号进行检测。参考信号采用的是前述的调制交流低频信号。

通过对测得的信号的过零点进行分析，可以得到外部磁场的大小，以及测量的灵敏度。

因此，本发明的原理不仅适用于单激光的Mz磁强测量计结构，也能够适应于双激光的Mz磁强测量计结构，并能够获得相同的效果。

实施例3：

该实施例3是在实施例1的基础上的变形。

参见图3，示出了根据该具体实施例的Mz磁强测量计的示意图。该实施例3与实施例1大部分均相同，区别仅在于，所述交流磁场线圈为两组交流磁场线圈10，所述两组交流磁场线圈分别连接所述两个驱动信号发生器，包含不同的交流信号，调制低频交流信号作为信号发生器的外部输入调制信号发生器的输出，分别对两个驱动交流信号进行调制。采用该种结构，可以实现与实施例1同样的效果。

在该实施例3中，首先加热蒸汽腔室5，调控激光器1的温度与电流，让激光7通过蒸汽腔室5后经过光电检测，观察到吸收曲线。由此吸收曲线的吸收最大处，得到出射激光波长处于铷原子的能级跃迁D1线时的激光器工作温度与电流。

采用两对线圈10对工作碱金属原子6施加交流磁场。这两对线圈的驱动信号分别包含不同的交流信号，其中心频率比值为2∶3，由低频向高频进行扫频；与此同时，这两个信号被同一个低频的交流信号调制，可采用低于200Hz的某一个频率，为避免工频干扰，可以选择80Hz。

透过蒸汽腔室5的激光信号通过一个光电探测管8将光信号转换为电信号，并通过锁相放大器9对信号进行检测。参考信号采用的是前述的调制交流低频信号。

通过对测得的信号的过零点进行分析，可以得到外部磁场的大小，以及测量的灵敏度。

对于本发明的进一步说明：

发明的三个实施例中均以碱金属同位素，例如铷85和铷87，进行示例性的说明。但本发明不以此为限，任何包括多个同位素的单质均能够利用本发明进行测量。例如，包含氦3和氦4的氦。此外，同位素的数量也不局限于是两个，可以是多个。

此外，本发明所述的测量方法也能够适用于其它的原子器件进行测量。

本发明具有如下优点：

1.本发明提出了新的Mz磁强计测试方案，适用于含多种同位素的单质的工作腔室，使得采用含有同位素的单质(例如铷)时，可以省去提取单质的同位素的过程，从而极大地节约了成本。

2.本发明将碱金属原子不同同位素的磁共振响应结合，极大地削弱了各个同位素的磁共振信号之间的干扰，从而很大程度上提高了测量的准确度。

3.本发明将碱金属原子不同同位素的磁共振响应相叠加，增强了测量的信号的强度。

4.由于该测量方案没有引入更多的信号处理步骤，所以不会增加系统带来的噪声，从而在信号强度得到增强的基础上，实现了灵敏度的提升。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (10)

1.一种多同位素磁共振信号同步激励与探测的Mz原子磁强测量计，其特征在于，包括，沿着光束方向分别包括第一激光器模块，蒸汽腔室，位于蒸汽腔室中的工作介质，和光电探测管，在蒸汽腔室外侧还具有交流磁场线圈，和信号发生器，

所述第一激光器模块，用于发出单色激光，并入射至加热到一定温度的蒸汽腔室中的工作介质，所述工作介质包括特定单质的原子蒸汽，所述特定单质包含该单质的多种同位素；

所述信号发生器，包括多个驱动信号发生器，分别发出多个驱动交流信号,低频向高频进行扫频，并且该多个驱动交流信号的个数与工作介质的同位素的数量一样；

所述交流磁场线圈设置在所述蒸汽腔室的外侧，并受到信号发生器输出的多个驱动交流信号的驱动以产生交流磁场，并施加于工作介质；

光电检测管，用于对经过工作介质的激光束进行检测。

2.根据权利要求1所述的Mz原子磁强测量计，其特征在于，

所述多个驱动交流信号的中心频率保持固定的比值，这些比值与蒸汽腔室内的同位素的磁旋比的比值相同。

3.根据权利要求1或2所述的Mz原子磁强测量计，其特征在于，

所述Mz原子磁强测量计还包括锁相放大器，对光电探测管转换的电信号进行检测，

所述信号发生器还包括调制信号发生器，用于发出调制交流低频信号，对多个驱动交流信号进行调制，并输送到锁相放大器进行作为参考信号对光电探测管转换的电信号进行检测。

4.根据权利要求3所述的Mz原子磁强测量计，其特征在于，

所述交流磁场线圈为单组交流磁场线圈，所述信号发生器将多个驱动交流信号相加，然后由所述调制交流低频信号进行调制后，对所述交流磁场线圈进行驱动以产生交流磁场。

5.根据权利要求4所述的Mz原子磁强测量计，其特征在于，

所述交流磁场线圈为多组交流磁场线圈，所述多组交流磁场线圈分别连接所述多个驱动信号发生器，调制低频交流信号分别对多个驱动交流信号进行调制后对，所述多个驱动交流信号分别对所述多个交流磁场线圈进行驱动以产生叠加的交流磁场。

6.根据权利要求4或5所述的Mz原子磁强测量计，其特征在于，

驱动交流信号的中心频率从低至高进行扫频，范围从200Hz起；

调制低频交流信号的频率低于200Hz。

7.根据权利要求4或5所述的Mz原子磁强测量计，其特征在于，

所述蒸汽腔室为体积较大的腔室，或者通过微加工工艺制作的微型化腔室，所述蒸汽腔室包括腔室加热器。

8.根据权利要求4或5所述的Mz原子磁强测量计，其特征在于，

在第一激光器模块和蒸汽腔室之间还具有准直透镜，起偏器，和1/4玻片，

所述准直透镜，用于对第一激光器模块1发出的光进行准直；

所述起偏器，用于对准直后的激光进行纠偏以获得纯正的线偏振光；

所述1/4玻片，用于对所述线偏振光进行偏转以获得纯正的圆偏转光。

9.一种利用权利要求1-8中任意一项的Mz原子磁强测量计进行的多同位素磁共振信号同步激励与探测方法，该方法能够应用于原子器件，

该方法包括采用含有n个同位素的单质的蒸汽腔室作为工作腔室，当这些同位素被相应的激光泵浦以后，再用n个驱动交流磁场分别驱动这些同位素的拉莫尔进动，在对信号进行检测。

10.根据权利要求9所述的多同位素磁共振信号同步激励与探测方法，其特征在于：

所述n个驱动交流磁场被同一个调制低频交流信号调制，检测端也以该调制低频交流信号作为参考信号，对检测到的信号进行锁相放大，所述n个驱动交流磁场的n个驱动交流信号的中心频率保持固定的比值，所述比值与所述腔室内的同位素的磁旋比的比值相同。