CN108152859B - 一种基于3He核自旋进动高精度磁场测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于领域磁异常探测等领域，具体公开一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量装置及方法。装置包括主场线圈、检测线圈、无磁加热组件、起偏器和圆偏振器，检测线圈内部中心放置有原子气室，原子气室内部放置有³He、Rb、N₂，加热原子气室，使得主场线圈灵敏度为10～20fT/Hz^1/2，驱动激光依次通过主场线圈、起偏器、圆偏振器，垂直射入原子气室中心，直到原子气室内的³He核自旋的极化率P_N达到20％以上，采用频率计测量感应电动势信号的频率即可测定磁场强度。具有较高的测量精度，满足海洋资源勘探、水下目标磁异常探测等领域对高精度磁场测量的需求。

Description

一种基于3He核自旋进动高精度磁场测量装置及方法

技术领域

本发明属于领域磁异常探测等领域，具体涉及一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量装置及方法。

背景技术

磁异常探测是通过测量磁性物体引起的地球磁力线扰动，利用磁异常信息探测与识别磁性物体的一种技术，具有定位精度高、纯被动探测、环境适应性好等优点，在油气矿产的资源勘探、水下目标识别等领域获得了广泛应用。

开发利用海洋资源是我国实现可持续发展的战略途径。与陆地资源的磁异常探测相比，海洋资源一般位于深远海导致探测距离的增加。由于磁性目标的磁异常强度一般随距离呈3次方衰减，使得探测距离提高1倍，相应的磁强计灵敏度需增加到原来的8倍。另一方面，为降低探测距离，一般采用水下潜器对海洋资源进行勘探，其运动速度相比陆地资源勘探用的飞机大幅降低。由于磁异常信号的频带与探测系统的运动速度相关，速度越低则信号频带越低，导致水下潜器获得的磁异常信号一般处于0.001～1Hz之间的较低频带范围。因此，海洋资源勘探迫切需要高精度的磁场测量方法。在水下目标识别领域，采用水下无人潜器构建网络化磁异常探测系统可大幅提高水下磁性目标的探测效能，不仅需要高精度的磁场测量方法，而且由于水下无人潜器的体积与能源有限，要求基于磁场测量方法构造的磁强计兼具小体积、低功耗的特点。综上所述，围绕海洋资源勘探、水下目标探测领域对磁异常探测的应用需求，迫切需要高精度的磁场测量方法，且构造的磁强计兼具小体积、低功耗的特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量装置及方法，其具有高精度的潜力，满足海洋资源勘探、水下目标磁异常探测等领域对高精度磁场测量的需求。

本发明的技术方案如下：

一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量装置，它包括主场线圈、设于主场线圈内部中心的检测线圈、位于检测线圈内的无磁加热组件，还包括位于主场线圈内、检测线圈一侧的起偏器和圆偏振器，所述的检测线圈内部中心放置有原子气室，所述的无磁加热组件位于原子气室外部周围，加热原子气室；主场线圈外入射一道驱动激光至原子气室，光线入射方向即为原子气室的轴线方向；所述的起偏器、圆偏振器的中心位于光线入射的方向上。

在上述的一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量装置中，所述的检测线圈上连接有信号处理与控制装置。

在上述的一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量装置中，所述的信号处理与控制装置为频率计。

在上述的一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量装置中，所述的原子气室内部放置有³He、Rb、N₂，三者在单位体积下原子的数量之比1:10⁵:10³。

一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量方法，包括如下步骤：

1)所述的原子气室内部放置有³He、Rb、N₂，三者在单位体积下原子的数量之比1:10⁵:10³；

2)将原子气室加热180℃～250℃；

3)原子气室外放置主场线圈，施加磁场；

所述的磁场测量灵敏度为10～20fT/Hz^1/2；

4)驱动激光依次通过主场线圈、起偏器、圆偏振器，垂直射入原子气室中心，直到原子气室内的³He核自旋的极化率P_N达到20％以上；

5)检测线圈紧绕在原子气室外部、且位于主场线圈中心位置；

所述的检测线圈匝数N为6000～10000；所述的³He核自旋的密度n_N为 2.69×10²⁵/m³～3×10²⁵/m³；

6)采用频率计测量感应电动势信号的频率ω，利用下式即可测定磁场强度B

ω＝γ·B

其中，γ为³He核自旋旋磁比。

在上述的一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量方法中，所述的主场线圈的纵向磁场梯度▽B_z、横向磁场梯度▽B_⊥满足以下关系

其中，T₁≥30×3600，且T_2,field≥2×3600即可。

在上述的一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量方法中，所述的驱动激光的光源波长选择为Rb的D1线。

在上述的一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量方法中，所述的检测线圈为螺线管结构，且绕线材料为耐高温铜线。

本发明的显著效果如下：³He核自旋的横向弛豫时间很长，可达到小时甚至几十小时量级，由此方法构造的原子磁强计理论精度最高；采用驱动激光极化碱金属Rb原子、碱金属Rb原子极化³He核自旋的极化方式，³He核自旋极化强度高，有利于提高磁场测量精度；采用检测线圈检测核自旋进动的方式，使由此方法构造的原子磁强计结构简单，易于小型化。综上，本方法的一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量方法，具有较高的测量精度，满足海洋资源勘探、水下目标磁异常探测等领域对高精度磁场测量的需求。

附图说明

图1为一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量装置示意图；

图中：1.驱动激光；2.起偏器；3.圆偏振器；4.主场线圈；5.无磁加热组件； 6.频率计；7.检测线圈；8.原子气室。

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，将原子气室8放置于主场线圈4中心位置，在原子气室8的周围放置无磁加热组件5，将检测线圈7紧绕在原子气室8外部、主场线圈4内部，并且无磁加热组件5(无磁电加热片)位于检测线圈7和原子气室8之间。在原子气室8的上方、检测线圈7外放置有起偏器2和圆偏振器3，驱动激光1 依次穿过主场线圈4、起偏器2、圆偏振器3和检测线圈7射入到原子气室8内。

该原子气室8内部包含用于敏感磁场运动的³He原子、碱金属Rb原子、其它辅助功能气体原子N₂。其中，Rb原子、³He原子、辅助功能气体原子N₂在单位体积下原子的数量之比1:10⁵:10³。

频率计6，其与主场线圈4连接，用于测量感应电动势信号的频率，即核自旋进动角频率ω。

本方法的具体实施步骤如下。

(1)安装有无磁加热组件5(一般为方形或圆柱形或球形)的原子气室8 加热至180℃～250℃，用于增加原子密度。所述的原子气室8内部包含用于敏感磁场运动的³He原子、碱金属Rb原子以及其它辅助功能气体原子N₂。

所述的Rb原子、³He原子、辅助功能气体原子N₂在单位体积下原子的数量之比1:10⁵:10³。

(2)设置于原子气室8外部的主场线圈4施加磁场，用于辅助激光极化原子自旋。所述的主场线圈4的纵向磁场梯度▽B_z、横向磁场梯度▽B_⊥满足以下关系：

T₁为³He核自旋的纵向弛豫时间，T_2,field为由磁场梯度引起的³He核自旋横向弛豫时间，分别表示为：

式中，n_N为核子密度，B_z为纵向磁场大小，▽B_⊥为横向磁场梯度，▽B_z为纵向磁场梯度，R为气室半径，D为耗散系数，与气体压力、温度相关，表示为：

式中，T为气室温度，p为惰性气体的压力。

所述的横向磁场梯度▽B_⊥、纵向磁场梯度▽B_z按式(1)、(2)满足关系式 (3)、(4)，使磁场测量灵敏度优于10fT/Hz^1/2：

T₁≥30×3600 (3)

T_2,field≥2×3600 (4)

所述的主场线圈4为螺线管结构。

(3)一束驱动激光1依次通过主场线圈4、起偏器2、圆偏振器3，垂直射入原子气室8的一个面，用于极化Rb或Cs电子自旋，经过自旋交换光抽运极化³He核自旋，使³He核自旋的极化率P_N满足下式：

式中，I为驱动激光功率，σ(υ)为光子散粒截面面积，h为普朗克常数，R_rex为电子自旋弛豫率，T₁为³He核自旋的纵向弛豫时间，R_se为自旋交换碰撞弛豫率。

所述的驱动激光1的光源波长选择为Rb或Cs原子的D1线；

(4)检测线圈7紧绕在原子气室8外部、主场线圈4内部，用于测量核自旋进动。其原理是在进动过程中，核自旋磁矩会切割检测线圈7，产生感应电动势信号，V_pu可描述为：

式中，N为检测线圈匝数，V_N为原子气室体积，ξ₀为单位电流、单位体积产生的磁场(可描述为

其中μ₀为真空磁导率，L为检测线圈距气室的距离)，γ为³He核自旋的旋磁比，具体数值为3.24×10^-2Hz/nT，h为普朗克常数，ω为核自旋进动角频率，n_N为³He核自旋的密度，与原子气室内的³He气体压力相关。

所述的检测线圈7为螺线管结构，且绕线材料为耐高温铜线；

所述的检测线圈7匝数N>6000；所述的³He核自旋的密度n_N>2.69×10²⁵/m³；

(5)采用频率计6测量感应电动势信号的频率，即核自旋进动角频率ω，即可求得待测磁场B。其检测原理：³He核自旋具有磁矩，会围绕外磁场进行拉莫尔进动，进动角频率ω与³He核自旋旋磁比γ、外磁场的强度B满足ω＝γ·B。其中，旋磁比γ为物理常量，通过测量进动频率ω，即可测定磁场。

所述的频率计频率测量分辨率优于3×10^-5Hz。

Claims (4)

1.一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在原子气室(8)内部放置有³He、Rb、N₂，三者在单位体积下原子的数量之比1:10⁵:10³；

2)将原子气室(8)加热180℃～250℃；

3)原子气室(8)外放置主场线圈(4)，施加磁场；

所述的磁场测量灵敏度为10～20fT/Hz^1/2；

4)驱动激光(1)依次通过主场线圈(4)、起偏器(2)、圆偏振器(3)，垂直射入原子气室(8)中心，直到原子气室(8)内的³He核自旋的极化率P_N达到20％以上；

5)检测线圈(7)紧绕在原子气室(8)外部、且位于主场线圈(4)中心位置；

所述的检测线圈(7)匝数N为6000～10000；所述的³He核自旋的密度n_N为2.69×10²⁵/m³～3×10²⁵/m³；

6)采用频率计(6)测量感应电动势信号的频率ω，利用下式即可测定磁场强度B

ω＝γ·B

其中，γ为³He核自旋旋磁比。

2.如权利要求1所述的一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量方法，其特征在于：所述的主场线圈(4)的纵向磁场梯度

横向磁场梯度

满足以下关系

T₁为³He核自旋的纵向弛豫时间，T_2,field为由磁场梯度引起的³He核自旋横向弛豫时间，R为气室半径，D为耗散系数，B_z为纵向磁场大小，T为气室温度，p为惰性气体的压力；

其中，T₁≥30×3600，且T_2,field≥2×3600即可。

3.如权利要求1所述的一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量方法，其特征在于：所述的驱动激光(1)的光源波长选择为Rb原子的D1线。

4.如权利要求1所述的一种基于³He核自旋进动高精度磁场测量方法，其特征在于：所述的检测线圈(7)为螺线管结构，且绕线材料为耐高温铜线。

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