CN114236434B - 应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置及使用方法 - Google Patents

应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置及使用方法，包括圆柱骨架和球形骨架，所述球形骨架嵌入在所述圆柱骨架的内，所述圆柱骨架外侧设有鞍型线槽，所述鞍型线槽内缠绕鞍型线圈，所述圆柱骨架内设有所述球形骨架，所述球形骨架外侧设有三轴正交线槽，所述三轴正交线槽内缠绕三轴亥姆霍兹线圈，所述圆柱骨架和所述球形骨架上均设有贯穿所述球形骨架内部的通光孔，本发明利用装置内的三轴亥姆霍兹线圈和鞍型线圈产生的均匀磁场，降低了原子磁强计中剩余磁场，同时可以产生特定方向和大小的磁场对传感器的灵敏度进行标定。

Description

应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置及使用方法
技术领域
本发明涉及弱磁探测及均匀磁场线圈技术领域，特别涉及一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置及使用方法。
背景技术
磁场是最基本的物理量之一，对磁场的精确测量，是探究诸多物理原理，分析物理过程的基本手段。各种类型的磁传感器已经被广泛应用到各个领域，例如霍尔传感器、磁阻传感器等等，但由于受到测量原理和制作工艺的限制，其灵敏度有限，难以测量到到如心磁、脑磁等微弱磁场。近年来，随着量子领域的理论不断发展和完善，量子测量仪器的性能也得到了大幅度提升，其中，以原子自旋效应为原理来实现磁场测量的原子磁强计，就受到了广泛的关注。在各类原子磁强计中，低频灵敏度最高的就是无自旋交换驰豫（Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF）原子磁强计，这是由于磁强计中的自旋交换碰撞驰豫得到了充分的抑制，这就需要满足三个条件：激光的高效抽运、高原子密度以及低磁场环境。这其中影响最大的就是磁场环境、包括地磁场在内的多种磁噪声是限制SERF原子磁强计灵敏度的最主要因素。
目前常采用的是被动屏蔽和主动屏蔽相结合的方法，即先用高磁导率的材料制作成多层的屏蔽桶，将外部缠绕了线圈的原子气室放置在屏蔽筒内，用线圈产生均匀磁场，二次屏蔽桶内剩磁。通过这种方法，可以将磁场衰减到pT量级。但这仍然比需要探测的磁场信号高出4-5个数量级，且无法在原子磁强计的敏感轴上施加特定大小的恒定磁场来标定磁强计的输出信号。因此，需要额外增加一套线圈，在不带来额外磁噪声的基础上，能够标定磁强计输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置及使用方法，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：
本发明公开了一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置，包括圆柱骨架和球形骨架，所述球形骨架嵌入在所述圆柱骨架的内，所述圆柱骨架外侧设有鞍型线槽，所述鞍型线槽内缠绕鞍型线圈，所述圆柱骨架内设有所述球形骨架，所述球形骨架外侧设有三轴正交线槽，所述三轴正交线槽内缠绕三轴亥姆霍兹线圈，所述圆柱骨架和所述球形骨架上均设有贯穿所述球形骨架内部的通光孔。
作为优选的，所述圆柱骨架内侧分布有若干个凸起，所述球形骨架上设有与所述圆柱骨架内凸起数量相同的凹陷，且所述凸起与凹陷紧密配合。
作为优选的，所述球形骨架表面对应于相互垂直的三轴位置分别设有一组对称的通光孔，所述圆柱骨架表面设有与球形骨架表面相互重合的通光孔。
作为优选的，所述圆柱骨架包括两块半圆柱壳体，所述球形骨架包括两块半球形壳体。
作为优选的，所述圆柱骨架和球形骨架采用硬塑料类无磁材料，不再引入磁噪声。
本发明还公开了一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将原子磁强计安装在球形骨架内部，并将三轴亥姆霍兹线圈和鞍型线圈缠绕至装置以完成装置安装；
S2：使抽运光沿着圆柱骨架中心轴线方向的通光孔通过原子磁强计，使检测光穿过圆柱骨架侧面圆柱壳体连接处的通光孔通过原子磁强计；
S3：三轴亥姆霍兹线圈和鞍型线圈分别产生磁场，以屏蔽外界剩磁和对原子磁强计标定。
作为优选的，所述S1包含如下子步骤：
S11：将原子磁强计安装在球形骨架内部，合上两块半球形壳体后，沿着球形骨架外的三轴正交线槽缠绕三轴亥姆霍兹线圈；
S12：使球形骨架上凹陷与圆柱骨架凸起对应，将球形骨架放置在圆柱骨架内部，合上两块圆柱壳体后，沿着圆柱骨架外的鞍型线槽缠绕鞍型线圈。
作为优选的，所述S3包含以下三种方式：
（1）三轴亥姆霍兹线圈分别产生沿着抽运光方向，检测光方向和垂直于两者方向的均匀磁场用以屏蔽外界的剩磁；鞍型线圈沿着垂直于抽运光和检测光的平面产生均匀的磁场来屏蔽外界剩磁；
（2）三轴亥姆霍兹线圈分别沿着抽运光方向，检测光方向和垂直于两者的方向，产生均匀的磁场用以屏蔽外界的三轴剩磁；鞍型线圈沿着垂直于抽运光和检测光的平面产生恒定的被测磁场；
（3）三轴亥姆霍兹线圈分别沿着抽运光方向，检测光方向，产生均匀的磁场用以屏蔽外界的三轴剩磁，沿着垂直于抽运光和检测光平面的方向产生均匀磁场对原子磁强计标定；鞍型线圈沿着垂直于抽运光和检测光的平面屏蔽外磁场。
本发明的有益效果：本发明利用装置内的三轴亥姆霍兹线圈和鞍型线圈产生的均匀磁场，降低了原子磁强计中剩余磁场，同时可以产生特定方向和大小的磁场对传感器的灵敏度进行标定，另外本发明结构简单牢固，组装方便，同时两种骨架采用无磁材料制成，不会产生磁噪声。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例圆柱骨架的结构示意图；
图3是本发明实施例半球形壳体的结构示意图；
图4是本发明实施例半圆柱壳体的结构示意图；
图中：圆柱骨架-1、球形骨架-2、鞍型线槽-3、三轴正交线槽-4、通光孔-5、凸起-6、凹陷-7。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1-4所示，本发明实施例提供一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置及使用方法，鞍型线圈缠绕在圆柱骨架1，外侧带有鞍型线槽3；三轴亥姆霍兹线圈缠绕在球形线圈的外壳，其外侧带有三轴正交线槽4。球形骨架2嵌入在圆柱骨架1的内侧，球形骨架2有八个凹陷7，配合圆柱骨架1内侧的凸起6，可以将球形骨架2卡在内部，起到固定作用，不需要螺栓固定。
球型骨架分为两半，为两个半球形壳体，应用时，将原子气室放置在中空的球形骨架2内测，合上球形骨架2后，缠绕三轴线圈；圆柱骨架1分两半，为两个半圆柱壳体，将缠好三轴线圈的球形骨架2放置在圆柱骨架1的内侧，合上圆柱骨架1，缠绕鞍型线圈，形成完整的装置。
为了抽运光和检测光能够通过圆柱形骨架和球形骨架2达到内部的原子磁强计，球形骨架2相互垂直的三个轴上，各有贯穿球形骨架2通光孔5，便于抽运光和检测光的通过；圆柱骨架1有同样结构和尺寸的通光孔5，两个骨架的通光孔5相互重合。
所述圆柱骨架1和球形骨架2均采用硬塑料类无磁材料，不再引入磁噪声。
本发明还提供了一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将原子磁强计安装在球形骨架内部，并将三轴亥姆霍兹线圈和鞍型线圈缠绕至装置以完成装置安装；
S2：使抽运光沿着圆柱骨架中心轴线方向的通光孔通过原子磁强计，使检测光穿过圆柱骨架侧面圆柱壳体连接处的通光孔通过原子磁强计；
S3：三轴亥姆霍兹线圈和鞍型线圈分别产生磁场，以屏蔽外界剩磁和对原子磁强计标定。
作为优选的，所述S1包含如下子步骤：
S11：将原子磁强计安装在球形骨架内部，合上两块半球形壳体后，沿着球形骨架外的三轴正交线槽缠绕三轴亥姆霍兹线圈；
S12：使球形骨架上凹陷与圆柱骨架凸起对应，将球形骨架放置在圆柱骨架内部，合上两块圆柱壳体后，沿着圆柱骨架外的鞍型线槽缠绕鞍型线圈。
作为优选的，所述S3包含以下三种方式：
1）三轴亥姆霍兹线圈分别产生沿着抽运光方向，检测光方向和垂直于两者方向的均匀磁场用以屏蔽外界的剩磁；鞍型线圈沿着垂直于抽运光和检测光的平面产生均匀的磁场来屏蔽外界剩磁（抽运光和检测光的方向以及鞍型线圈产生磁场的方向如图2所示的）；这样鞍型线圈和三轴线圈组成双屏蔽系统，通过两套线圈的屏蔽，能够降低原子磁强计所处的磁场环境。
2）三轴亥姆霍兹线圈分别沿着抽运光方向，检测光方向和垂直于两者的方向，产生均匀的磁场用以屏蔽外界的三轴剩磁；鞍型线圈沿着垂直于抽运光和检测光的平面产生恒定的被测磁场。用原子磁强计检测鞍型线圈的被测磁场，这样能够对磁强计起到标定的作用。
3）三轴亥姆霍兹线圈分别沿着抽运光方向，检测光方向，产生均匀的磁场用以屏蔽外界的三轴剩磁，沿着垂直于抽运光和检测光平面的方向产生均匀磁场对原子磁强计标定；鞍型线圈沿着垂直于抽运光和检测光的平面屏蔽外磁场。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置，其特征在于：包括圆柱骨架(1)和球形骨架(2)，所述球形骨架(2)嵌入在所述圆柱骨架(1)的内，所述圆柱骨架(1)外侧设有鞍型线槽(3)，所述鞍型线槽(3)内缠绕鞍型线圈，所述圆柱骨架(1)内设有所述球形骨架(2)，所述球形骨架(2)外侧设有三轴正交线槽(4)，所述三轴正交线槽(4)内缠绕三轴亥姆霍兹线圈，所述圆柱骨架(1)和所述球形骨架(2)上均设有贯穿所述球形骨架(2)内部的通光孔(5)。
2.如权利要求1所述的一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置，其特征在于：所述圆柱骨架(1)内侧分布有若干个凸起(6)，所述球形骨架(2)上设有与所述圆柱骨架(1)内凸起(6)数量相同的凹陷(7)，且所述凸起(6)与凹陷(7)紧密配合。
3.如权利要求1所述的一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置，其特征在于：所述球形骨架(2) 表面对应于相互垂直的三轴位置分别设有一组对称的通光孔(5)，所述圆柱骨架(1)表面设有与球形骨架(2) 表面相互重合的通光孔(5)。
4.如权利要求1所述的一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置，其特征在于：所述圆柱骨架(1)包括两块半圆柱壳体，所述球形骨架(2)包括两块半球形壳体。
5.如权利要求1所述的一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置，其特征在于：所述圆柱骨架(1)和球形骨架(2)采用硬塑料类无磁材料。
6.如权利要求1所述的一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置，其特征在于：所述装置的使用方法包括如下步骤：
S1：将原子磁强计安装在球形骨架内部，并将三轴亥姆霍兹线圈和鞍型线圈缠绕至装置以完成装置安装；
S2：使抽运光沿着圆柱骨架中心轴线方向的通光孔通过原子磁强计，使检测光穿过圆柱骨架侧面圆柱壳体连接处的通光孔通过原子磁强计；
S3：三轴亥姆霍兹线圈和鞍型线圈分别产生磁场，以屏蔽外界剩磁和对原子磁强计标定。
7.如权利要求6所述的一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置，其特征在于：所述S1包含如下子步骤：
S11：将原子磁强计安装在球形骨架内部，合上两块半球形壳体后，沿着球形骨架外的三轴正交线槽缠绕三轴亥姆霍兹线圈；
S12：使球形骨架上凹陷与圆柱骨架凸起对应，将球形骨架放置在圆柱骨架内部，合上两块圆柱壳体后，沿着圆柱骨架外的鞍型线槽缠绕鞍型线圈。
8.如权利要求6所述的一种应用于原子磁强计的鞍型和亥姆霍兹线圈装置，其特征在于：所述S3包含以下三种方式：
（1）三轴亥姆霍兹线圈分别产生沿着抽运光方向，检测光方向和垂直于两者方向的均匀磁场用以屏蔽外界的剩磁；鞍型线圈沿着垂直于抽运光和检测光的平面产生均匀的磁场来屏蔽外界剩磁；
（2）三轴亥姆霍兹线圈分别沿着抽运光方向，检测光方向和垂直于两者的方向，产生均匀的磁场用以屏蔽外界的三轴剩磁；鞍型线圈沿着垂直于抽运光和检测光的平面产生恒定的被测磁场；
（3）三轴亥姆霍兹线圈分别沿着抽运光方向，检测光方向，产生均匀的磁场用以屏蔽外界的三轴剩磁，沿着垂直于抽运光和检测光平面的方向产生均匀磁场对原子磁强计标定；鞍型线圈沿着垂直于抽运光和检测光的平面屏蔽外磁场。
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