CN110346738A - 磁场测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁场测量技技术领域，具体涉及一种磁场测量方法及装置。该方法包括步骤如下：通过采用激光束在磁场内对原子束作用产生激发态原子；激发态原子经过电场后发生电离生成电离电子；探测电离电子，采集信号；通过控制激光扫描波长、调节改变激光偏振，获得原子左旋光谱和右旋光谱；比较左旋光谱和右旋光谱，获得二者能量的平移量，在原子单位中能量移动在数值上等于磁感应强度的大小。该方法局域性好，能够实现磁感应强度高效、可靠的测量。

Description

磁场测量方法及装置
技术领域
本发明涉及磁场测量技技术领域，具体涉及一种磁场测量方法及装置。
背景技术
磁场测量技术越来越多地用于解决重要的国民经济及科研问题，在军事、资源勘探、科学研究等领域有广泛的应用。磁场的大小可以用磁感应强度表征，是表示磁体在其周围空气产生影响大小的量。
磁场测量主要利用磁测量仪器进行。对于不随时间而变化的直流磁场的测量，常用的测量仪器包括力矩磁强计、磁通计和冲击检流计、旋转线圈磁强计、磁通门磁强计、霍耳效应磁强计、核磁共振磁强计、磁位计等。以上方法通过物理定律将磁场强弱的测量转化为其它物理量的测量，如力、电势、光的测量。现有的测量方法基于较复杂的磁场依赖关系，测量精度和被测磁场感应强度大小有关，使用前需要严格调零校准。
综上分析可知，在现有公开的背景技术中，发展一种原理简单、全量程精度固定、高效可靠的新型磁场测量方法是个待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前磁场测量所存在的问题，提供一种磁场测量方法，同时也提供了一种用于该方法的装置。
该方法的原理是基于原子塞曼效应，该方法依赖于简单的物理关系，通过测量原子左旋光谱和右旋光谱的能量移动来测量磁感应强度，测量精度不会随着磁场强弱的变化而改变，能够实现磁感应强度高效、可靠的测量。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
首先提供一种磁场测量方法，该方法包括步骤如下：
通过采用激光束在磁场内对原子束作用产生激发态原子；
激发态原子经过电场后发生电离生成电离电子；
探测电离电子，采集信号；
通过控制激光扫描波长、调节改变激光偏振，获得原子左旋光谱和右旋光谱；
比较左旋光谱和右旋光谱，获得二者能量的平移量，在原子单位中能量移动在数值上等于磁感应强度的大小。
进一步的，该方法的步骤具体如下：
开启原子束产生器，生成原子束；
通过信号发生器生成两个触发信号，分别用于触发产生激光的激光器和采集数据的数据采集卡；
利用激光在磁场内作用于原子束，产生激发态原子；
激发态原子进入电场后发生电离，生成电离电子；
利用探测器探测电离电子；
探测器将接受到模拟信号传递给数据采集卡；
数据采集卡将模拟信号转换为数字信号；
通过信号控制激光扫描波长、调节改变激光偏振，获得原子左旋光谱和右旋光谱；
比较左旋光谱和右旋光谱，获得二者能量的平移量；
在原子单位中能量移动在数值上等于磁感应强度的大小。
进一步的，采用可变波片改变激光偏振。
同时，本发明还提供了一种用于上述方法的装置，包括原子束产生器和与其配合的的真空工作腔，真空工作腔内于原子束的路径上首先设置限束孔，限束孔后方为被测磁场，被测磁场后为电场，电场后方设置信号探测器；被测磁场内具有激光束，激光束与原子束交汇于被测磁场内；原子束直线穿过限束孔、被测磁场和电场，然后在电场作用下曲线射向信号探测器。
进一步的，被测磁场由原子束上方的上被测磁体和原子束下方的下被测磁体组成，上被测磁体和下被测磁体对应设置。
进一步的，电场由对应设置的前电离栅网和后电离栅网组成，前电离栅网和后电离栅网垂直于原子束的运动轨迹。
进一步的，原子束上具方依次设置前电离栅网和后电离栅网，后电离栅网后方设置信号探测器。
进一步的，信号探测器与前电离栅网或后电离栅网垂直，且信号探测器位于原子束入射线的上方。
进一步的，真空工作腔上设置电极柱，信号探测器、前电离栅网、后电离栅网均与电极柱连接。
进一步的，真空工作腔上设置电极法兰，电极柱设置于电极法兰上，电极柱深入至真空工作腔内。
本发明所述基于原子塞曼效应的磁场测量方法与装置基于以下理论基础实现：
在磁场较弱时，磁场中的原子谱线移动或能级分裂近似正比于磁场大小。
当磁场较强时，磁场作用的平方项则不能忽略，磁场引起的能级移动可以用下式表示原子单位：
此时，找不到简单的关系式描述磁感应强度B和能级移动ΔE的关系，因此不能通过测量能级移动来计算磁感应强度的大小。然而，当激光相对于磁场为左旋光或右旋光，原子跃迁对应于Δm＝+1或-1，得到的左旋光谱和右旋光谱结构完全相同，仅在能量上有一个平移，能量移动在数值上等于磁感应强度的大小原子单位，即δE＝B。因此，通过测量原子左旋光谱和右旋光谱的能量移动，即可得到磁感应强度的大小。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明通过测量左旋光谱和右旋光谱之间的能量移动来获得磁感应强度的绝对值，测量精度主要取决于激光线宽而与测量磁场的强弱无关，甚至不需要校准激光波长的绝对值，测量结果仅为原子束和激光束交汇处的磁感应强度，局域性好，能够实现磁感应强度高效、可靠的测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的另一种视图的结构示意图；
图3是本发明的实施例的原子的左旋光谱和右旋光谱原理图。
图中：1原子束产生器，2真空工作腔，3密封法兰，4第一真空泵接口，5电极法兰，6第二真空泵接口，7电极柱，8信号探测器，9原子束，10限束孔，11上被测磁体，12下被测磁体，13激光束，14前电离栅网，15后电离栅网，16电离电子，17激光器，18可变波片，19激光窗。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。
如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
本发明首先是一种磁场测量方法，该方法包括步骤如下：
开启原子束产生器，生成原子束；
通过信号发生器生成两个触发信号，分别用于触发产生激光的激光器和采集数据的数据采集卡；
通过采用激光器产生的激光束在磁场内对原子束作用产生激发态原子；
激发态原子经过电场后发生电离生成电离电子；
利用探测器探测电离电子，采集信号；
探测器将接受到模拟信号传递给数据采集卡；
数据采集卡将模拟信号转换为数字信号；
通过信号控制激光扫描波长、调节改变激光偏振，获得原子左旋光谱和右旋光谱；采用可变波片改变激光偏振；
比较左旋光谱和右旋光谱，获得二者能量的平移量，在原子单位中能量移动在数值上等于磁感应强度的大小。
本发明提供了一种用于上述方法的装置，包括原子束产生器1和与其配合的的真空工作腔2，真空工作腔2内于原子束9的路径上首先设置限束孔10，限束孔10后方为被测磁场，被测磁场后为电场，电场后方设置信号探测器8；被测磁场内具有激光束13，激光束13与原子束9交汇于被测磁场内；原子束9直线穿过限束孔10、被测磁场和电场，然后在电场作用下曲线射向信号探测器8。
被测磁场由原子束9上方的上被测磁体11和原子束9下方的下被测磁体12组成，上被测磁体11和下被测磁体12对应设置。
电场由对应设置的前电离栅网14和后电离栅网15组成，前电离栅网14和后电离栅网15垂直于原子束9的运动轨迹。
原子束9上具方依次设置前电离栅网14和后电离栅网15，后电离栅网15后方设置信号探测器8。
信号探测器8与前电离栅网14或后电离栅网15垂直，且信号探测器8位于原子束9入射线的上方。
真空工作腔2上设置电极柱7，信号探测器8、前电离栅网14、后电离栅网15均与电极柱7连接。
真空工作腔2上设置电极法兰5，电极柱7设置于电极法兰5上，电极柱7深入至真空工作腔2内。
实施例：
一种磁场测量装置：
如图1和图2所示，该装置包括原子束产生器1和与其连接的真空工作腔2。
原子束产生器1可以产生气态物质或者固态物质的原子束9；可以是原子炉用来产生固态物质的原子束，也可以是超声束发生器用来产生气态物质的原子束。
真空工作腔2原子激发、场电离、信号探测的空间，需要保持高真空状态，激光在此腔体中将原子激发到特定能级，激发态的原子继续飞行到场电离栅网中，在电场的作用下发生电离，电离电子被信号探测装置捕获，记录的信号被数据采集装置记录，储存在计算机中。连续改变波长重复激发、探测、记录过程，即可实现磁场中原子光谱的采集。
真空工作腔2上设置真空泵接口，包括第一真空泵接口4和第二真空泵接口6，用于对真空工作腔2进行抽真空，同时，真空工作腔2上设置了密封法兰3，用于配合进行真空环境的预设。真空工作腔2内于原子束9的路径上首先设置限束孔10，原子束13自由飞行一段距离后经过限束孔10，限束孔10用来控制原子束9的直径以提高信噪比。限束孔10用来控制原子束13直径尺寸，同时激光束13前也有限束孔10限制光斑尺寸，从而使激发原子局限于很小的空间内，保证了磁场均匀性。激光束13是通过激光器17射出后从设置于真空工作腔2上的激光窗19射入的，射入后，与原子束9汇合。
限束孔10后方于原子束9上具有被测磁场，被测磁场由原子束9上方的上被测磁体11和原子束9下方的下被测磁体12组成，上被测磁体11和下被测磁体12对应设置。被测磁场内设置有激光束13，激光束13与原子束9交汇于被测磁场内。上被测磁体11和下被测磁体12共同在作用去产生被测磁场，磁场作用下原子能级发生分裂和移动。
经过限束孔10的原子束9与激光相互作用而被激发。
被测磁场后方依次设置前电离栅网14和后电离栅网15，后电离栅网15后方设置信号探测器8。前电离栅网14和后电离栅网15均垂直于原子束9设置。信号探测器8与前电离栅网14或后电离栅网15所在面垂直，且信号探测器8位于原子束9入射线的上方。前电离栅网14和后电离栅网15之间具有电位差。后电离栅网15和信号探测器8之间具有电压差。
激发后的原子束9自由飞行进入前电离栅网14和后电离栅网15形成的场电离区发生电离，电离电子16在由后电离栅网15和信号探测器8形成的电场中发生偏转，被信号探测器8探测到。相比于直线入射，弯曲轨道避免了未激发原子撞击信号探测器造成的信号干扰。
另外，前电离栅网14和后电离栅网15之间具有电位差，后电离栅网15和信号探测器8上存在的电压差，二者的形成具体为：
真空工作腔2上设置电极柱7，信号探测器8、前电离栅网14、后电离栅网15均与电极柱7连接。真空工作腔2上设置电极法兰5，电极柱7设置于电极法兰5上，电极柱7深入至真空工作腔2内。其中，信号探测器8连接两个电极柱7，前电离栅网14和后电离栅网15各连接一个电极柱7。
所述的可变波片18可以连续改变o光和e光的相位差，从而可以将激光调整为任何所需偏振状态。
所述真空工作腔2为高真空度的不锈钢腔体，其下方连接真空泵来保证腔体的真空度，防止杂散气体影响探测信号精度及对比度。真空工作腔2腔体的材料为无磁不锈钢，真空工作腔2中原子作用区要做好磁屏蔽，保证测量精度。
所述场电离栅网由两片无磁铜网组成，靠近磁场区一端栅网加负高压，靠近信号探测器一端栅网接地，两栅网的电压差由原子激发能决定。
所述信号探测器一般为微通道板或延迟线探测器，具有高精度的时间分辨率，用来记录电离电子的电子流强度。
该装置还包括时序控制系统和数据采集装置(图中未画出)；
数据采集装置由高速数据采集卡和计算机组成；探测的模拟信号被数据采集卡转换为数字信号，储存在计算机中。
所述时序控制系统主要由一台高精度的信号发生器组成，可以实现精细调节多脉冲的时间间隔。其用于产生两个间隔固定的脉冲信号，分别用于触发激光器、数据采集卡。
一种磁场测量方法，采用上述的装置，该方法包括步骤如下：
信号发生器生成两个触发信号，分别用于触发产生激光的激光器和采集数据的数据采集装置；通过信号控制激光扫描波长、调节改变激光偏振；
开启原子束产生器1，生成原子束9；原子束自由飞行一段距离后经过限束孔10，进入到被测磁场；激光器产生的圆偏振光作用于原子，产生激发态原子；
激发态原子进入电场(电离栅网)从而发生电离，生成的电离电子在电场的作用下被信号探测器探测到；信号探测器将接收的模拟信号传递给数据采集卡，数据采集卡将接收的模拟信号转换为数字信号存储在计算机硬盘中；
扫描激光器波长并使用可变波片改变激光偏振，获得原子左旋光谱和右旋光谱；采用可变波片改变激光偏振；
如图3所示，比较左旋光谱和右旋光谱，获得二者能量的平移量，在原子单位中能量移动在数值上等于磁感应强度的大小。
上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种磁场测量方法，其特征在于，包括步骤如下：
通过采用激光束在被测磁场内对原子束作用产生激发态原子；
激发态原子经过电场后发生电离生成电离电子；
探测电离电子，采集信号；
通过控制激光扫描波长、调节改变激光偏振，获得原子左旋光谱和右旋光谱；
比较左旋光谱和右旋光谱，获得二者能量的平移量，在原子单位中能量移动在数值上等于磁感应强度的大小。
2.根据权利要求1所述的磁场测量方法，其特征在于，步骤具体如下：
开启原子束产生器，生成原子束；
通过信号发生器生成两个触发信号，分别用于触发产生激光束的激光器和采集信号的数据采集装置；
利用激光在被测磁场内作用于原子束，产生激发态原子；
激发态原子进入电场后发生电离，生成电离电子；
利用信号探测器探测电离电子；
信号探测器将接受到模拟信号传递给数据采集装置；
数据采集装置将模拟信号转换为数字信号；
通过信号控制激光扫描波长、调节改变激光偏振，获得原子的左旋光谱和右旋光谱；
比较左旋光谱和右旋光谱，获得二者能量的平移量；
在原子单位中能量移动在数值上等于磁感应强度的大小。
3.根据权利要求3所述的磁场测量方法，其特征在于，采用可变波片改变激光偏振。
4.用于上述任一权利要求所述方法的装置，其特征在于，包括原子束产生器(1)和与其配合的的真空工作腔(2)，真空工作腔(2)内于原子束(9)的路径上首先设置限束孔(10)，限束孔(10)后方为被测磁场，被测磁场后为电场，电场后方设置信号探测器(8)；被测磁场内具有激光束(13)，激光束(13)与原子束(9)交汇于被测磁场内；原子束(9)直线穿过限束孔(10)、被测磁场和电场，然后在电场作用下曲线射向信号探测器(8)。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，被测磁场由原子束(9)上方的上被测磁体(11)和原子束(9)下方的下被测磁体(12)组成，上被测磁体(11)和下被测磁体(12)对应设置。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，电场由对应设置的前电离栅网(14)和后电离栅网(15)组成，前电离栅网(14)和后电离栅网(15)垂直于原子束(9)的运动轨迹。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，原子束(9)上具方依次设置前电离栅网(14)和后电离栅网(15)，后电离栅网(15)后方设置信号探测器(8)。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，信号探测器(8)与前电离栅网(14)或后电离栅网(15)垂直，且信号探测器(8)位于原子束(9)入射线的上方。
9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，真空工作腔(2)上设置电极柱(7)，信号探测器(8)、前电离栅网(14)、后电离栅网(15)均与电极柱(7)连接。
10.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，真空工作腔(2)上设置电极法兰(5)，电极柱(7)设置于电极法兰(5)上，电极柱(7)深入至真空工作腔(2)内。
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