CN108061547B - 一种气室核自旋弛豫测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于原子传陀螺技术领域，具体公开了一种气室核自旋弛豫测试装置，包括固定加热结构、光学结构、三维磁线圈和磁屏蔽桶，所述的固定加热结构设于三维磁线圈的中心，所述的三维磁线圈固定设于磁屏蔽桶内，且三维磁线圈的中心与磁屏蔽桶的中心重合，光学结构设于固定加热结构上；该结构兼容不同大小和形状的气室进行测试，更换气室简便；通过高导热材料(氮化硼)，使气室受热均匀，并使电加热片位置远离气室，从而使电加热对气室的干扰磁场大幅降低。
Description
技术领域
本发明属于原子传陀螺技术领域，具体涉及一种用于测定对气室内敏感介质的核自旋弛豫的气室核自旋弛豫测试装置。
背景技术
基于原子自旋特性的原子陀螺，主要包括核磁共振陀螺和SERF原子自旋陀螺，是新一代高性能陀螺仪，具有高精度、小体积的特点。气室是原子陀螺的核心部件，气室中含有敏感角运动的气态原子。原子在激光和磁场的操控下，具有集体的自旋状态(原子的自旋是原子本身具有一个微小的角动量，犹如在自转)，这种状态可以敏感角运动，并可以被高精度地检测出来。由于原子间的相互作用以及与气室壁的碰撞，原子的自旋将逐渐失去集体的自旋指向，这种自旋由具有统一朝向的状态变为杂乱状态的过程被称为弛豫。奇数核子数的惰性气体，如129Xe，是原子陀螺的主要敏感介质，其核自旋弛豫是影响传感器极限精度的主要因素，因此，对气室内敏感介质的核自旋弛豫进行有效测量是陀螺仪性能优化的重要途径。
气室核自旋弛豫测试装置需要满足对不同大小和形状气室测试的需要，能够对气室加热至工作温度，通过激光和磁场实现原子自旋状态的有效操控，并使测试核自旋弛豫信号具有高信噪比等。因此，气室核自旋测试装置的设计必须从结构、光路、磁场、温度等多方面进行考虑，使系统具有优良的性能，满足高效测试的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种气室核自旋弛豫测试装置，能够满足对不同大小和形状气室核自旋弛豫时间测试的需要，实现原子自旋状态的有效操控，进行原子气室的核自旋弛豫的准确、高效测试。
本发明的技术方案如下：
一种气室核自旋弛豫测试装置，包括固定加热结构、光学结构、三维磁线圈和磁屏蔽桶，所述的固定加热结构设于三维磁线圈的中心，所述的三维磁线圈固定设于磁屏蔽桶内，且三维磁线圈的中心与磁屏蔽桶的中心重合，光学结构设于固定加热结构上；
所述的固定加热结构包括导热体和设于导热体外部的保温层，所述的导热体包括内层导热体和外层导热体，内层导热体包括端塞和内层导热主体，端塞设于内层导热主体上加工的孔内，所述的内层导热主体内部安装气室，内层导热体和外层导热体的侧面均加工有位置对应的通光孔；保温层设于外层导热体的外部；
所述的光学结构包括托架、反射镜组、基座，所述托架固定安装于基座上，固定加热结构底部与基座固定连接，所述的托架套装在固定加热结构外，所述的反射镜组有两组，分别设于托架的两端，两端反射镜组的光学中心与所述的通光孔中心的位于同一水平高度。
在上述的一种气室核自旋弛豫测试装置中：所述的导热体外部设有加热片。
在上述的一种气室核自旋弛豫测试装置中：所述的内层导热体为柱体，柱体内设有内腔，内腔内放置气室。
在上述的一种气室核自旋弛豫测试装置中：所述的内腔底部为向外突出的球形，其球面直径与气室的球面直径相配，公差为0.5mm。
在上述的一种气室核自旋弛豫测试装置中：所述的内层导热体为柱体，柱体包括两部分，每部分设有安装槽，两部分上的安装槽合并形成内腔。
在上述的一种气室核自旋弛豫测试装置中：所述柱体的棱加工有倒角。
在上述的一种气室核自旋弛豫测试装置中：所述的三维磁线圈为圆柱形，可以产生三个正交方向的磁场。
在上述的一种气室核自旋弛豫测试装置中：所述的磁屏蔽桶为若干层高导磁材料制成的封闭圆桶，在圆柱上下底面加工通光孔。
在上述的一种气室核自旋弛豫测试装置中：所述的高导磁材料为氮化硼。
本发明的显著效果如下：
(1)本发明的气室核自旋弛豫测试装置可以兼容不同大小和形状的气室进行测试，更换气室简便；
(2)本发明的气室核自旋弛豫测试装置的气室固定和加热传热结构，通过高导热材料(氮化硼)，使气室受热均匀，并使电加热片位置远离气室，从而使电加热对气室的干扰磁场大幅降低；
(3)本发明采用双面电加热片消磁结构，和位置对称排布设计，使电加热引起的磁场进一步降低，从而大幅抑制电加热引入的电磁噪声；
(4)本发明的气室核自旋弛豫测试装置的光学结构与气室位置相对固定并具有高度稳定性，降低光路振动噪声；
(5)本发明的气室核自旋弛豫测试装置设计了一种配合磁屏蔽桶的圆柱形高均匀性三维正交磁线圈，磁屏蔽桶可以隔离外部磁场干扰，三位维高均匀线圈可以实现高精度磁场控制。
(6)本发明的气室核自旋弛豫测试装置测试的核自旋弛豫信号具有高信噪比，可实现核自旋弛豫的准确、高效测试。
附图说明
图1为气室核自旋弛豫测试装置整体示意图；
图2为固定加热结构和光学结构示意图；
图3为图2的俯视图；
图4为导热体示意图；
图中：1.固定加热结构；2.光学结构；3.三维磁线圈；4.磁屏蔽桶；
101.导热体；102.保温层；103.加热片；104.内层导热体；105.外层导热体；106.端塞；107.内层导热主体；201.托架；202.反射镜组；203.基座。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，气室核自旋弛豫测试装置包括固定加热结构1、光学结构2、三维磁线圈3和磁屏蔽桶4。
固定加热结构1位于三维磁线圈3的中心，使位于固定加热结构1中的气室处于磁场的均匀区域中，三维磁线圈3固定于磁屏蔽桶4内，且中心与磁屏蔽桶4的中心重合。光学结构2安装于固定加热结构1外部。
所述圆柱形的三维磁线圈3可以产生三个正交方向的磁场，固定加热结构1位于三维磁线圈3中心，使气室处于线圈磁场的均匀区；磁屏蔽桶4为多层高导磁材料制造的封闭圆桶，在圆柱底面两端开通光孔，三维磁线圈3固定于磁屏蔽桶4内且与磁屏蔽桶4重合。三维磁线圈3位于磁屏蔽桶4内部，固定加热结构1和光学结构2位于三维磁线圈3内，气室位于三维磁线圈3的中心。
下面分别针对固定加热结构1和光学结构2的具体结构进行表述。
如图2、图3和图4所示，固定加热结构1包括导热体101、加热片103、保温层102；固定加热结构1其能够包围气室，导热体101外围包裹加热片103进行加热，导热体101外覆盖保温层102。
导热体101包括内层导热体104和外层导热体105，内层导热体104包括端塞106和内层导热主体107，将端塞106移除，使得气室安装在内层导热主体107内，再将端塞106安装固定，内层导热体104加工有通光孔。整个内层导热体104包围气室，通过通光孔来探测气室的核自旋弛豫；将上述安装好气室的内层导热体104安装在外层导热体105内部，同样外层导热体105上加工有通光孔，内层导热体104和外层导热体105上的通光孔位置对应，使得抽运光和检测光通过通光孔打入气室中心。保温层102安装在导热体101中的外层导热体105的外部。
双层导热体的设计中，外层导热体105位置固定不变，可以根据气室的形状来设计不同结构的内层导热体104，满足内外层导热体的通光孔位置对应即可。
内层导热体104能够配合不同形状的气室，使用范围广；
外层导热体105上安装加热片103，提升温度，满足气室的测量条件。
1)上述的气室为球形气室时，内层导热体104可设计为柱体，侧面加工通光孔，柱体内部加工有内腔，内腔底部为向外突出的球形，其球面直径与气室的球面直径相配，公差为0.5mm。
2)上述的气室为立方体时，内层导热体104为两部分组合而成的柱体，在每个部分分别加工安装槽，两部分的安装槽合并形成内腔，上述气室位于内腔之中，气室外表面与内腔内壁之间的间隙为安装间隙，最优为0.5mm。
上述的柱体的棱加工有倒角。
如图2和图3所示，光学结构2包括托架201、反射镜组202、基座203；反射镜组202用于光束位置和偏振状态的调节，使抽运和检测光束正交通过气室。
托架201固定安装于基座203上，固定加热结构1安装在基座203上，托架201套装在固定加热结构1外。所述的托架201为对称结构，两端分别加工有反射镜安装槽，反射镜组202安装在槽内，能够在槽内沿检测光方向移动，通过螺钉固定安装位置。两端反射镜组202的光学中心与上述固定加热结构1的通光孔的中心的位于同一水平高度，三点的连线与X方向(磁屏蔽桶4的水平径向)平行。
Claims (9)
1.一种气室核自旋弛豫测试装置，其特征在于：包括固定加热结构(1)、光学结构(2)、三维磁线圈(3)和磁屏蔽桶(4)，所述的固定加热结构(1)设于三维磁线圈(3)的中心，所述的三维磁线圈(3)固定设于磁屏蔽桶(4)内，且三维磁线圈(3)的中心与磁屏蔽桶(4)的中心重合，光学结构(2)设于固定加热结构(1)上；
所述的固定加热结构(1)包括导热体(101)和设于导热体(101)外部的保温层(102)，所述的导热体(101)包括内层导热体(104)和外层导热体(105)，内层导热体(104)包括端塞(106)和内层导热主体(107)，端塞(106)设于内层导热主体(107)上加工的孔内，所述的内层导热主体(107)内部放置气室，内层导热体(104)和外层导热体(105)的侧面均加工有位置对应的通光孔；保温层(102)设于外层导热体(105)的外部；
所述的光学结构(2)包括托架(201)、反射镜组(202)、基座(203)，所述托架(201)固定安装于基座(203)上，固定加热结构(1)底部与基座(203)固定连接，所述的托架(201)套装在固定加热结构(1)外，所述的反射镜组(202)有两组，分别设于托架(201)的两端，两端反射镜组(202)的光学中心与所述的通光孔的中心位于同一水平高度。
2.如权利要求1所述的一种气室核自旋弛豫测试装置，其特征在于：所述的导热体(101)外部设有加热片(103)。
3.如权利要求1所述的一种气室核自旋弛豫测试装置，其特征在于：所述的内层导热体(104)为柱体，柱体内设有内腔，内腔内放置气室。
4.如权利要求3所述的一种气室核自旋弛豫测试装置，其特征在于：所述的内腔底部为向外突出的球形，其球面直径与气室的球面直径相配，公差为0.5mm。
5.如权利要求3所述的一种气室核自旋弛豫测试装置，其特征在于：所述的内层导热体(104)为柱体，柱体包括两部分，每部分设有安装槽，两部分上的安装槽合并形成内腔。
6.如权利要求4或5所述的一种气室核自旋弛豫测试装置，其特征在于：所述柱体的棱加工有倒角。
7.如权利要求1所述的一种气室核自旋弛豫测试装置，其特征在于：所述的三维磁线圈(3)为圆柱形，可以产生三个正交方向的磁场。
8.如权利要求1所述的一种气室核自旋弛豫测试装置，其特征在于：所述的磁屏蔽桶(4)为若干层高导磁材料制成的封闭圆桶，在圆桶上下底面加工通光孔。
9.如权利要求8所述的一种气室核自旋弛豫测试装置，其特征在于：所述的高导磁材料为氮化硼。
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