CN112540328B - 一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，包括双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件，电烤箱组件，检测通光管及磁强计探头壳体组件和磁强计探头上盖板组件，设计了两个碱金属气室，安装固定后处于同一个平面内，方便光路的调试和搭建，可以有效的降低外部设备的复杂程度；将两个气室的玻璃尾柄放置在双气室安装调整螺柱的开孔中固定，修改双气室安装调整螺柱的两个开孔的中心距可以改变双气室的距离，通过修改装配工装可以改变双气室之间的角度，可以方便的更改双气室之间的位置和角度，以满足不同的测量需求。

Description

一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构

技术领域

本发明涉及量子精密测量仪器技术领域，特别涉及一种碱金属原子梯度磁强计的探头结构。

背景技术

随着量子技术的发展，基于量子效应的各种科学仪器正不断地、大幅度突破传统仪器的测量极限。原子磁强计作为一种利用原子自旋效应实现精密磁场测量的量子仪器，相比其它种类的磁强计在性能指标上具有无可比拟的优势，是新一代超高灵敏度磁强计的重要发展方向。

原子磁强计是一种利用原子自旋效应实现精密磁场测量的量子仪器，大多数灵敏的原子磁强计在零场附近使用碱金属蒸汽，使原子处于无自旋交换弛豫状态，其理论灵敏度优于1 fT/Hz1/2，并可以被用于生物弱磁信号的探测和定位。但是基于SERF的可穿戴梯度磁强计依然需要磁屏蔽系统屏蔽地磁场，这就使得其体积和重量无法进一步减小，同时磁屏蔽系统的使用也会进一步增加其成本，限制了其在开放地磁环境下的推广和应用。

基于SERF状态的可穿戴磁强计设备具有需要配置磁屏蔽系统或者磁屏蔽房的硬性要求，使得其本身无法部署在各种自然环境中。相比之下，通过将碱金属气室进行阵列排布，构成梯度磁强计能够很好地解决这个缺点，同时可以降低其成本、体积和重量。光泵浦碱金属原子梯度磁强计在工作时不需要将碱金属原子加热到SERF状态，因此对其加热系统的要求更低。双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计是其中最简单的一种，基于双气室的梯度差分检测方法利用两个全场磁强计对碱金属气室在外场中的电子自旋拉莫尔进动频率进行直接测量，两个磁强计测得的频率直接相减可以得出一阶磁场梯度，相比其他电压测量型的磁场探头具有更高的动态范围和线性度，更重要的是通过两个相邻通道相减可以抑制振动、温度、背景磁场、光功率频率波动等共模噪声，消除探头之间的串扰问题。

探头结构作为光泵浦碱金属原子梯度磁强计核心单元，要求其具有结构简单，体积小，重量轻，双气室相对位置准确并且调整方便，综合对探头结构的要求，设计了一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构

光泵浦碱金属原子梯度磁强计可以在开放的环境下工作，不需要配置体积庞大造价高昂的磁屏蔽系统，其实际工作时气室的温度更低，不需要高功率的加热系统，这些优点都使得其可以做的体积很小而且经济性好。双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计是其中最简单的一种。

本发明公开了一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构。

基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的测量精度，稳定性和可靠性取决于双气室的空间位置尺寸和角度，因此要求双气室之间的相对位置尺寸和角度精度较高并且便于调整。为了减小碱金属原子梯度磁强计的体积增加其便携性，使探头结构体积小、重量轻则具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，包括双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件，电烤箱组件，检测通光管及磁强计探头壳体组件和磁强计探头上盖板组件，所述通光管及磁强计探头壳体组件的前后两端分别设有磁强计探头上盖板组件和双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件，所述通光管及磁强计探头壳体组件的内部设有电烤箱组件，所述电烤箱组件与双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件之间相互连接成一个整体，所述电烤箱组件包括电烤箱安装座、电烤箱箱体、电阻丝加热膜、碱金属气室和双气室安装调整螺柱，所述电烤箱箱体的内部设有两个碱金属气室，所述两个碱金属气室的玻璃尾柄放置在双气室安装调整螺柱的开孔中固定，所述电烤箱箱体的外表面设有电阻丝加热膜，所述电烤箱箱体靠近双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件的一侧设有电烤箱安装座，所述电烤箱安装座的另一端与所述双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件相固定连接。

作为优选，所述电烤箱箱体由1个上烤箱盖板、1个下烤箱盖板和2个侧烤箱盖板组成，所述侧烤箱盖板的外形呈“L”型结构，所述2个侧烤箱盖板首尾连接拼接成同心方管结构，所述2个侧烤箱盖板的上下两侧分别设有上烤箱盖板和下烤箱盖板，所述侧烤箱盖板的两面与上烤箱盖板、下烤箱盖板的厚度和截面尺寸均相同。

作为优选，所述电烤箱箱体与电烤箱安装座之间通过螺柱、螺母相连接，所述上烤箱盖板与下烤箱盖板的四个角上设有4个通孔，所述每个侧烤箱盖板的侧面设有2个通孔，所述电烤箱安装座上设有安装螺纹孔，所述螺柱的一端穿过依次穿过上烤箱盖板、侧烤箱盖板和下烤箱盖板上的通孔与安装螺纹孔相连接，所述螺柱的另一端通过采用螺母固定。

作为优选，所述电阻丝加热膜的数量为6片，所述上烤箱盖板、下烤箱盖板的外侧表面上各粘贴有1片，所述侧烤箱盖板上粘贴有2片，分别位于侧烤箱盖板的“L”型结构的两个外侧表面上，所述上烤箱盖板、下烤箱盖板和侧烤箱盖板上设有一个用于容纳电阻丝加热膜的输出导线接头的缺口。

作为优选，所述双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件包括下盖板抽运光光学镜片组件、下盖板抽运光通光管和探头壳体下盖板，所述下盖板抽运光通光管的前后两端分别设有探头壳体下盖板和下盖板抽运光光学镜片组件，所述下盖板抽运光光学镜片组件与下盖板抽运光通光管的连接处通过密封圈密封，所述下盖板抽运光通光管和探头壳体下盖板之间通过螺钉连接，所述螺钉连接处设有密封结构。

作为优选，所述检测通光管及磁强计探头壳体组件包括抽真空管、磁强计探头壳体、检测光通光管和检测光光学镜片组件，所述磁强计探头壳体的上部设有抽真空管，所述磁强计探头壳体的左右两侧设有检测光光学镜片组件，所述检测光光学镜片组件与磁强计探头壳体之间通过检测光通光管相连接。

作为优选，所述磁强计探头壳体与抽真空管之间通过螺纹连接，所述磁强计探头壳体与检测光通光管之间通过螺纹连接，所述螺纹连接处设有密封结构，所述检测光通光管与检测光光学镜片组件的连接处设有密封圈。

作为优选，所述磁强计探头上盖板组件包括探头壳体上盖板，上盖板抽运光通光管，上盖板抽运光光学镜片组件，所述上盖板抽运光通光管通过螺纹与探头壳体上盖板之间通过螺纹连接，所述螺纹连接处设有密封结构，所述上盖板抽运光通光管的另一端与上盖板抽运光光学镜片组件相连接，所述上盖板抽运光通光管与上盖板抽运光光学镜片组件的连接处设有密封圈。

作为优选，所述电烤箱组件与双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件之间通过螺纹连接，所述检测通光管及磁强计探头壳体组件与双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件通过端面沿圆周分布的螺纹实现连接，连接处设有轴向密封结构，所述磁强计探头上盖板组件与检测通光管及磁强计探头壳体组件通过另一端面沿圆周分布的螺纹实现连接，连接处设有轴向密封结构。

作为优选，所述双气室安装调整螺柱采用peek材料加工制造而成。

本发明的有益效果：

（1）设计了两个碱金属气室，安装固定后处于同一个平面内，方便光路的调试和搭建，可以有效的降低外部设备的复杂程度；

（2）将两个气室的玻璃尾柄放置在双气室安装调整螺柱的开孔中固定，修改双气室安装调整螺柱的两个开孔的中心距可以改变双气室的距离，通过修改装配工装可以改变双气室之间的角度，可以方便的更改双气室之间的位置和角度，以满足不同的测量需求；

（3）电烤箱箱体的6个面陶瓷片厚度和截面尺寸完全相同，在电阻丝加热膜加热时，从6个方向传递到烤箱内部的热量基本相同，进一步地，支撑碱金属气室的双气室安装调整螺柱由导热性较差的peek材料加工制造，可以极大地减小由于存在双气室支撑结构导致的不对称性，进而保证了烤箱内部受热均匀，温度分布均匀；

（4）探头壳体上盖板，磁强计探头壳体和探头壳体下盖板共同构成原子梯度磁强计的探头主体结构，它主要作用是：构成密封的腔体结构；固定检测光通光管和抽运光通光管；固定电烤箱结构；

（5）烤箱盖板上的缺口用于容纳电阻丝加热膜的输出导线接头，侧烤箱盖板相邻两个表面粘贴的电阻丝加热膜出线端接头距离很近，可以避免较长的连接线，避免因此带来的干扰和结构的不可靠；

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构的整体结构示意图；

图2是本发明一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构的组件爆炸示意图；

图3是本发明的电烤箱组件的爆炸结构示意图；

图4是本发明的双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件的爆炸结构示意图；

图5是本发明的检测通光管及磁强计探头壳体组件的爆炸结构示意图；

图6是本发明的磁强计探头上盖板组件的爆炸结构示意图；

图中：1-气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件、11-下盖板抽运光光学镜片组件、12-下盖板抽运光通光管、13-探头壳体下盖板、2-电烤箱组件、21-电烤箱安装座、22-电阻丝加热膜、23-下烤箱盖板、24-侧烤箱盖板、25-螺柱、26-上烤箱盖板、27-螺母、28-碱金属气室、29-双气室安装调整螺柱、3-检测通光管及磁强计探头壳体组件、31-抽真空管、32-磁强计探头壳体、33-检测光通光管、34-检测光光学镜片组件、4-磁强计探头上盖板组件、41-探头壳体上盖板、42-上盖板抽运光通光管、43-上盖板抽运光光学镜片组件。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1至图6，本发明提供了一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，如图2所示，所述碱金属原子梯度磁强计的探头结构包含：双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件1，电烤箱组件2，检测通光管及磁强计探头壳体组件3，磁强计探头上盖板组件4；其中双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件1包括下盖板抽运光光学镜片组件11，下盖板抽运光通光管12，探头壳体下盖板13；其中电烤箱组件2包括电烤箱安装座21，电阻丝加热膜22，下烤箱盖板23，侧烤箱盖板24，螺柱25，上烤箱盖板26，螺母27，碱金属气室28，双气室安装调整螺柱29；其中检测通光管及磁强计探头壳体组件3包括抽真空管31，磁强计探头壳体32，检测光通光管33，检测光光学镜片组件34磁强计探头上盖板组件4包括探头壳体上盖板41，上盖板抽运光通光管42，上盖板抽运光光学镜片组件43。

下面结合附图描述各个零件的特征、位置和连接关系：

下盖板抽运光光学镜片组件11内部含有密封圈，它套在下盖板抽运光通光管12上实现密封连接。下盖板抽运光通光管12和探头壳体下盖板13之间有密封结构，通过螺纹以实现密封连接。

两个侧烤箱盖板24拼接成同心方管结构。每个侧烤箱盖板24边缘侧有2个通孔，下烤箱盖板23和上烤箱盖板26边缘有4个通孔，利用这些通孔穿过螺柱25，用螺母27实现连接。电阻丝加热膜22粘贴在上烤箱盖板26、下烤箱盖板23、侧烤箱盖板24的外侧表面上。两个碱金属气室28的玻璃尾柄放置在双气室安装调整螺柱29的开孔中，通过粘胶使其固定。整个结构安装在电烤箱安装座21上，通过其上的螺纹孔与探头壳体下盖板13之间实现连接。

抽真空管31与磁强计探头壳体32有密封结构，通过螺纹实现密封连接。检测光通光管33与磁强计探头壳体32有密封结构，通过螺纹实现密封连接。检测光光学镜片组件34内部有密封圈，套在检测光通光管33上实现密封连接。

上盖板抽运光通光管42与探头壳体上盖板41之间有密封结构，通过螺纹实现密封连接。上盖板抽运光光学镜片组件43内部有密封圈，它套在上盖板抽运光通光管42上以实现密封连接。

探头壳体上盖板41和探头壳体下盖板13与磁强计探头壳体32之间存在密封结构，通过螺纹实现密封连接。探头壳体上盖板41，磁强计探头壳体32和探头壳体下盖板13构成原子梯度磁强计的探头主体结构，它主要作用是：1、构成一个密封的腔体结构；2、固定检测光通光管和抽运光通光管；3固定电烤箱结构。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，其特征在于：包括双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件（1），电烤箱组件（2），检测通光管及磁强计探头壳体组件（3）和磁强计探头上盖板组件（4），所述通光管及磁强计探头壳体组件（3）的前后两端分别设有磁强计探头上盖板组件（4）和双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件（1），所述通光管及磁强计探头壳体组件（3）的内部设有电烤箱组件（2），所述电烤箱组件（2）与双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件（1）之间相互连接成一个整体，所述电烤箱组件（2）包括电烤箱安装座（21）、电烤箱箱体、电阻丝加热膜（22）、碱金属气室（28）和双气室安装调整螺柱（29），所述电烤箱箱体的内部设有两个碱金属气室（28），所述两个碱金属气室（28）的玻璃尾柄放置在双气室安装调整螺柱（29）的开孔中固定，所述电烤箱箱体的外表面设有电阻丝加热膜（22），所述电烤箱箱体靠近双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件（1）的一侧设有电烤箱安装座（21），所述电烤箱安装座（21）的另一端与所述双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件（1）相固定连接。

2.如权利要求1所述的一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，其特征在于：所述电烤箱箱体由1个上烤箱盖板（26）、1个下烤箱盖板（23）和2个侧烤箱盖板（24）组成，所述侧烤箱盖板（24）的外形呈“L”型结构，所述2个侧烤箱盖板（24）首尾连接拼接成同心方管结构，所述2个侧烤箱盖板（24）的上下两侧分别设有上烤箱盖板（26）和下烤箱盖板（23），所述侧烤箱盖板（24）的两面与上烤箱盖板（26）、下烤箱盖板（23）的厚度和截面尺度均相同。

3.如权利要求2所述的一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，其特征在于：所述电烤箱箱体与电烤箱安装座（21）之间通过螺柱（25）、螺母（27）相连接，所述上烤箱盖板（26）与下烤箱盖板（23）的四个角上设有4个通孔，所述每个侧烤箱盖板（24）的侧面设有2个通孔，所述电烤箱安装座（21）上设有安装螺纹孔，所述螺柱（25）的一端穿过依次穿过上烤箱盖板（26）、侧烤箱盖板（24）和下烤箱盖板（23）上的通孔与安装螺纹孔相连接，所述螺柱（25）的另一端通过采用螺母（27）固定。

4.如权利要求2所述的一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，其特征在于：所述电阻丝加热膜（22）的数量为6片，所述上烤箱盖板（26）、下烤箱盖板（23）的外侧表面上各粘贴有1片，所述侧烤箱盖板（24）上粘贴有2片，分别位于侧烤箱盖板（24）的“L”型结构的两个外侧表面上，所述上烤箱盖板（26）、下烤箱盖板（23）和侧烤箱盖板（24）上设有一个用于容纳电阻丝加热膜（22）的输出导线接头的缺口。

5.如权利要求1所述的一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，其特征在于：所述双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件（1）包括下盖板抽运光光学镜片组件（11）、下盖板抽运光通光管（12）和探头壳体下盖板（13），所述下盖板抽运光通光管（12）的前后两端分别设有探头壳体下盖板（13）和下盖板抽运光光学镜片组件（11），所述下盖板抽运光光学镜片组件（11）与下盖板抽运光通光管（12）的连接处通过密封圈密封，所述下盖板抽运光通光管（12）和探头壳体下盖板（13）之间通过螺钉连接，所述螺钉连接处设有密封结构。

6.如权利要求1所述的一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，其特征在于：所述检测通光管及磁强计探头壳体组件（3）包括抽真空管（31）、磁强计探头壳体（32）、检测光通光管（33）和检测光光学镜片组件（34），所述磁强计探头壳体（32）的上部设有抽真空管（31），所述磁强计探头壳体（32）的左右两侧设有检测光光学镜片组件（34），所述检测光光学镜片组件（34）与磁强计探头壳体（32）之间通过检测光通光管（33）相连接。

7.如权利要求6所述的一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，其特征在于：所述磁强计探头壳体（32）与抽真空管（31）之间通过螺纹连接，所述磁强计探头壳体（32）与检测光通光管（33）之间通过螺纹连接，所述螺纹连接处设有密封结构，所述检测光通光管（33）与检测光光学镜片组件（34）的连接处设有密封圈。

8.如权利要求1所述的一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，其特征在于：所述磁强计探头上盖板组件（4）包括探头壳体上盖板（41），上盖板抽运光通光管（42），上盖板抽运光光学镜片组件（43），所述上盖板抽运光通光管（42）通过螺纹与探头壳体上盖板（41）之间通过螺纹连接，所述螺纹连接处设有密封结构，所述上盖板抽运光通光管（42）的另一端与上盖板抽运光光学镜片组件（43）相连接，所述上盖板抽运光通光管（42）与上盖板抽运光光学镜片组件（43）的连接处设有密封圈。

9.如权利要求1所述的一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，其特征在于：所述电烤箱组件（2）与双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件（1）之间通过螺纹连接，所述检测通光管及磁强计探头壳体组件（3）与双气室电烤箱基座及抽运通光管安装组件（1）通过端面沿圆周分布的螺纹实现连接，连接处设有轴向密封结构，所述磁强计探头上盖板组件（4）与检测通光管及磁强计探头壳体组件（3）通过另一端面沿圆周分布的螺纹实现连接，连接处设有轴向密封结构。

10.如权利要求1所述的一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构，其特征在于：所述双气室安装调整螺柱（29）采用peek材料加工制成。

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