本发明属于磁场测量领域,具体涉及一种大动态测量范围、高磁场采样率和灵敏度的铷原子磁力仪及其磁场测量方法。
背景技术:
在磁场测量领域,测量仪器的动态测量范围、磁场采样率、灵敏度是三项重要的指标。目前国际上出现了mz和mx模式的光泵磁力仪(opticalpumpingmagnetometer,opm)、相干布居囚禁(coherentpopulationtrapping,cpt)磁力仪、非线性磁光旋转(nonlinearmagneto-opticalrotation,nmor)磁力仪、无自旋交换弛豫(spin-exchangerelaxationfree,serf)磁力仪等多种原子磁力仪,文献“刘国宾,孙献平,顾思洪,冯继文,周欣.高灵敏度原子磁力计研究进展.物理,2012,41:803”综述了上述几种原子磁力仪的国内外进展。其中,nmor原子磁力仪兼具有高灵敏度和快速响应的特点,与其他原子磁力仪相比在实际应用中更具有优势,而动态测量范围小之前被认为是nmor磁力仪的重要缺点。美国国家标准与技术研究院(nist)的kitching小组在频率调制单光束nmor原子磁力仪的基础上采用数字锁相环实现对拉莫尔进动频率的自动跟踪锁定,实现了35nt~35000nt的动态测量范围。国内国防科学技术大学研制了nmor铷原子磁力仪,测量范围为±60nt,灵敏度达到1pt/hz1/2,具体参考文献“丁志超,李莹颖,汪之国,杨开勇,袁杰.基于法拉第旋转检测的铷原子磁力仪研究.中国激光,2015,42:0408003”。另外,文献“董浩斌,张昌达.量子磁力仪再评说.工程地球物理学报,2010,7(4):460-470”介绍了目前国内外量子磁力仪的进展情况。我国国土资源航空物探遥感中心研制的航空氦光泵磁力仪(hc-2000),测量范围为35000nt~65000nt,磁场采样率可在1~15hz内自行调整,灵敏度达到3.0pt/hz1/2。杭州瑞声海洋仪器有限公司推出的rs-hgb4b型航空氦光泵磁力仪,测量范围为35000nt~70000nt,采样率为0.2~10hz,静态噪声≤0.01nt。总体来说,国内原子磁力仪的研制还处于起步阶段,原子磁力仪在灵敏度、测量范围、磁场采样率等指标上还有很大的提升空间。
国外的若干磁力仪产品动态测量范围大、磁场采样率高、灵敏度高,如核工业航测遥感中心引进加拿大scintrex公司生产的cs-3光泵磁力仪,测量范围为15000nt~105000nt,灵敏度为0.6pt/hz1/2rms,其采样率可选1hz、10hz、100hz。加拿大gem系统公司生产的gsmp-30型航空钾磁力仪测量范围为20000nt~100000nt,灵敏度为0.7pt/hz1/2@1hz,磁场采样率为1、5、10、20hz。美国geometrics公司最新推出了g-824a型航空铯磁力仪,测量范围为20000nt~100000nt,灵敏度小于0.2pt/hz1/2rms,磁场采样率可达到1000hz,然而中国进口这种磁力仪需要得到美国出口许可,国内在军工领域很难获得这种磁力仪。
高性能的磁力仪可应用于地磁匹配导航、军事磁异反潜、矿产资源勘探、空间磁场探测等。本发明基于非线性磁光旋转原理,结合时序控制和跟踪式锁频控制,提供了一种大动态测量范围、高磁场采样率、高灵敏度的铷原子磁力仪,在磁场测量领域内若干指标方面填补了国内空白。
技术实现要素:
有鉴于此,本发明提供一种铷原子磁力仪及其磁场测量方法,基于非线性磁光旋转原理,结合时序控制和跟踪式锁频控制,实现了大动态测量范围、高磁场采样率和高灵敏度。
为解决上述技术问题,本发明具体方法如下:
一种铷原子磁力仪,包括铷原子磁力仪物理部分、dsp时序控制模块、数据采集卡和计算单元;
dsp时序控制模块,用于根据时序组合控制铷原子磁力仪物理部分中声光调制器aom、射频信号源的开关;还根据时序组合控制数据采集卡的采集触发;
计算单元利用数据采集卡接收的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号快速傅里叶变换出拉莫尔进动频率f,继而计算出外磁场值;计算单元中具有低磁场采样率模块和高磁场采样率模块,计算单元根据待测磁场的动态范围,测量前选择高磁场采样率模块或低磁场采样率模块,以及在选择低磁场采样率模块时设定是否采用跟踪式锁频工作模式,被选定的高磁场采样率模块或低磁场采样率模块执行自身工作流程实现数据的采集和处理,并输出外磁场值;
计算单元通过设定dsp时序控制模块的时序组合,实现磁场采样率n的设定。
优选地,所述时序组合的时序配合关系为:aom的开关周期为t=1/n,开启时间为t1;射频信号源在aom关闭的时候开启,开启时间为t2;数据采集卡在射频信号源关闭的时候触发数据采集。
优选地,计算单元采用labview软件编程实现,其界面包括低磁场采样率模块和高磁场采样率模块,其中低磁场采样率模块可选择射频信号源输出频率是否采用跟踪式锁频。
优选地,所述低磁场采样率模块,用于控制数据采集卡采集一次铷原子磁力仪工作过程中射频信号源关闭后的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号,对采集信号进行快速傅里叶变换,获得拉莫尔进动频率f,根据该拉莫尔进动频率f计算出一个磁场值并输出;
该所述低磁场采样率模块还根据运行前预先设定的原子磁力仪是否工作于跟踪式锁频模式进行射频信号源的频率控制:在选定跟踪式锁频模式时,低磁场采样率模块将计算获得的拉莫尔进动频率f发送给射频信号源,用于改变射频信号源的输出频率,然后重新控制数据采集卡采集下一次磁力仪工作过程中射频信号源关闭后的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号,进行循环处理;该情况下磁场采样率n设定小于或等于20hz;当不选定跟踪式锁频模式时,射频信号源的输出频率为定值,该情况下磁场采样率n在1hz~100hz范围内可调,用于测量大于5000nt的某一恒定磁场附近的磁场波动;
高磁场采样率模块工作时,射频信号源的输出频率为定值;高磁场采样率模块用于控制数据采集卡采集一秒内n次磁力仪工作过程产生的信号数据;在采集数据中截取第i次磁力仪工作过程中射频信号源关闭后的铷原子磁矩拉莫尔进动自由弛豫信号;对该自由弛豫信号进行快速傅里叶变换,获得拉莫尔进动频率f,并进一步计算外磁场值并输出;令i依次遍历1~n,直到输出n个外磁场值;然后重新控制数据采集卡采集一秒内n次磁力仪工作过程产生的信号数据,进行循环处理;该情况下磁场采样率可在100hz~1000hz范围内可调,用于测量大于5000nt的某一恒定磁场附近的磁场波动。
优选地,铷原子磁力仪物理部分包括抽运激光器及其稳频系统、aom、λ/4玻片、探测激光器、偏振片、射频磁场线圈、铷泡加热模块、铷泡、偏振分光棱镜pbs、两个光电探测器、差分放大电路和射频信号源;
外磁场方向与抽运光方向平行,抽运激光器及其稳频系统产生的抽运激光经过aom和1/4玻片,形成圆偏振光作用在铷泡上;通过aom的开关控制,令抽运激光作用一段时间t1后关闭,开启射频信号源给射频磁场线圈输入设定时长t2的射频正弦信号,驱动铷泡内的铷原子磁矩进动到与外磁场垂直的平面内;探测激光器产生的探测激光经过偏振片,成为线偏振光穿过铷泡,再通过pbs分成两路,分别通过两个光电探测器,然后进入差分放大电路,经过差分放大输出铷原子磁矩绕外磁场的拉莫尔进动信号。
优选地,铷泡加热模块结构件采用无磁性的聚四氟乙烯材料,加热方式为交流无磁加热;在铷原子磁力仪工作时铷泡温度为100℃。
优选地,数据采集卡采用美国ni公司的pci-5922数据采集卡。
本发明还提供了一种采用上述铷原子磁力仪的磁场测量方法,包括如下步骤:
步骤一、分别启动抽运激光器及其稳频系统、aom、探测激光器、铷泡加热模块、差分放大电路、计算单元、dsp时序控制模块、射频信号源,等待铷泡加热模块温度稳定;
步骤二、设定抽运激光器及其稳频系统工作于87rb的d1线跃迁频率上,设定探测激光器频率比87rb的d1线跃迁频率红外失谐4ghz;
步骤三、待测磁场的方向与抽运光方向平行;将射频磁场线圈、铷泡加热模块、铷泡置于含待测磁场线圈的磁屏蔽桶内,调节磁屏蔽桶内待测磁场线圈的输入电流值可改变待测磁场大小;
步骤四、计算单元通过设定dsp时序控制模块的时序组合,分别设定原子磁力仪的工作周期、aom控制的抽运光作用时长、射频信号源控制的射频场作用时长、以及数据采集卡的采集触发,实现原子磁力仪的磁场采样率n的设定;
步骤五、计算单元根据外界选定的高磁场采样率模块或低磁场采样率模块,以及在选择低磁场采样率模块时设定的是否采用跟踪式锁频工作模式,执行相应的工作流程分支实现数据的采集和处理,并输出磁场值。
有益效果
本发明基于非线性磁光旋转原理,结合时序控制和跟踪式锁频控制,实现了大动态测量范围、高磁场采样率和高灵敏度。具体来说:
(1)目前国内光泵磁力仪磁场测量范围基本在30000nt~70000nt,本发明的原子磁力仪磁场测量范围可达到100nt~100000nt,有效拓宽了磁力仪的测量范围。
(2)目前国内磁力仪的磁场采样率大多在20hz以下,本发明的原子磁力仪在测量5000nt~100000nt范围内磁场时,磁场采样率可在1hz~1000hz范围内可调(注:磁场采样率大于20hz不能采用跟踪式锁频控制,射频源输出频率为定值,适用于测量某一恒定磁场附近±1000nt范围内的磁场波动),填补了国内在磁场测量领域内高磁场采样率技术的空白。
(3)目前国内磁力仪的灵敏度在3.0pt/hz1/2附近,本发明的原子磁力仪测量500nt磁场时,设定磁场采样率为10hz,原子磁力仪灵敏度指标达到0.2pt/hz1/2@1hz(噪声功率谱密度)。
(4)本发明是基于非线性磁光旋转原理的双光束铷原子磁力仪,与目前单光束光泵磁力仪相比,它对突变外磁场的跟踪锁定能力更强。例如跟踪式光泵磁力仪通过快速改变射频场频率寻找磁共振点,使透过铷泡的光强始终保持最弱,即跟踪式锁频。为了获得高灵敏度,铷光泵磁力仪要求铷泡的线宽必须要小,然而当外磁场变化很快时,跟踪式光泵磁力仪的输出可能滞后许多,磁力仪会失锁,产生与外磁场无关的数据(论述详见“董浩斌,张昌达.量子磁力仪再评说.工程地球物理学报,2010,7(4):460-470”)。本发明描述的基于非线性磁光旋转原理的双光束铷原子磁力仪在外磁场突变10000nt时可瞬时跟踪锁定。
附图说明
图1是本发明铷原子磁力仪系统结构图。
图中:1-抽运激光器及其稳频系统,2-声光调制器(aom),3-λ/4玻片,4-探测激光器,5-偏振片,6-射频磁场线圈,7-铷泡加热模块,8-铷泡,9-偏振分光棱镜(pbs),10、11-光电探测器,12-差分放大电路,13-计算单元(计算机),14-pci-5922数据采集卡,15-dsp时序控制模块,16-射频信号源。
图2是原子磁力仪动态测量范围、以及对突变磁场的跟踪锁定能力。
图中:(a)部分表示原子磁力仪测量范围为100nt~100000nt。(b)和(c)部分表示原子磁力仪对10000nt突变磁场的跟踪锁定能力。以上三幅图的测量都采用了跟踪式锁频模式。
图3是原子磁力仪工作时的时序示意图及实测数据。
图中:(a)部分表示原子磁力仪时序示意图,图中标出了原子磁力仪的工作周期t、抽运激光作用时长为t1、射频磁场作用时长为t2;pci-5922采集卡在射频场作用时序的下降沿触发数据采集。(b)部分表示在10000nt磁场环境下获得的数据,在工作时序中:t=10ms,t1=3ms,t2=0.1ms,该时序磁场采样率为100hz。(c)是(b)中部分数据的放大。
图4是设定射频磁场作用时长t2的过程。
图中:(a)部分是在外磁场10000nt的条件下,先设定原子磁力仪工作周期为20ms,抽运光作用时长为3ms,射频场作用时长为10ms,射频信号源16输出正弦信号频率为70khz,之后调节射频信号源16输出正弦信号的振幅,以π/2脉冲时间确定射频场作用时长(图中调节至0.1ms)。(b)部分是设定原子磁力仪工作周期为20ms,抽运光作用时长为3ms,射频场作用时长为0.1ms后得到的铷原子磁矩进动弛豫信号。
图5是获得100hz(含)以下的低磁场采样率模块的labview工作流程图。当流程中选择频率跟踪锁定时,labview实时控制射频信号源16的输出频率。
图6是获得100hz以上高磁场采样率模块的labview工作流程图。
图7是原子磁力仪以1000hz磁场采样率采集及处理的实验数据。
图中:(a)部分表示以图6的工作流程进行一次循环采集的部分数据,在20ms时间内原子磁力仪有20个工作周期,即磁场采样率为1000hz;(b)部分表示在一次测量过程中的时序:抽运光作用0.3ms,射频场作用0.1ms,磁矩绕外磁场进动的自由弛豫时间为0.6ms;(c)部分表示对100hz正弦交变磁场的测量结果,交变磁场范围为10000nt±100nt。
图8是原子磁力仪以1000hz磁场采样率测量交变磁场的测试结果。
图中:(a)、(b)、(c)部分分别是测量10000nt±1nt、10000nt±10nt、10000nt±1000nt磁场范围内100hz正弦交变磁场的结果;(d)为测量10000nt±100nt磁场范围内500hz方波交变磁场的结果。
图9是外磁场为500nt时原子磁力仪灵敏度的测试结果。
图中:(a)部分是铷原子磁矩绕外磁场进动的自由弛豫信号;(b)是(a)的傅里叶变换,曲线拟合可获得拉莫尔进动频率;(c)部分表示labview数据采集和处理软件以10hz磁场采样率得到的实测数据,环境磁场约为500.4nt,插图显示原子磁力仪的磁场分辨率为0.1pt;(d)部分表示噪声功率谱密度,显示原子磁力仪在1hz频点灵敏度约为0.2pt/hz1/2。
具体实施方式
下面将参照附图来说明本发明的实施例。
图1为本发明大动态测量范围、高磁场采样率、高灵敏度的铷原子磁力仪,其包括铷原子磁力仪物理部分、dsp时序控制模块15、数据采集卡14和计算单元13。
铷原子磁力仪物理部分具体包括抽运激光器及其稳频系统1、声光调制器(aom)2、λ/4玻片3、探测激光器4、偏振片5、射频磁场线圈6、铷泡加热模块7、铷泡8、偏振分光棱镜(pbs)9、两个光电探测器10和11、差分放大电路12和射频信号源16。其中,铷泡8设置在铷泡加热模块7内部。射频磁场线圈6为亥姆霍兹线圈,铷泡加热模块7置于亥姆霍兹线圈中心。
原子磁力仪工作的物理过程是:
外磁场方向与抽运光方向平行,从抽运激光器及其稳频系统1出来的795nm抽运激光经过声光调制器(aom)2和1/4玻片3,形成圆偏振光作用在铷泡8上,将铷原子磁矩抽运在外磁场方向;通过aom2的开关控制,令抽运激光作用一段时间t1后关闭,开启射频信号源16给射频磁场线圈6输入设定时长t2的射频正弦信号,驱动铷泡8内的铷原子磁矩进动到与外磁场垂直的平面内;探测激光器4产生的探测激光经过偏振片5,成为线偏振光穿过铷泡8,再通过pbs9分成两路,分别被两个光电探测器10和11接收,经过差分放大电路12放大输出铷原子磁矩的拉莫尔进动信号。
dsp时序控制模块控制aom、射频信号源和数据采集卡的工作时序。计算单元13利用数据采集卡14接收的铷原子磁矩拉莫尔进动信号快速傅里叶变换变换出拉莫尔进动频率f,继而计算出外磁场值。
本发明的四个重要区别在于:
1、加入了dsp时序控制模块15的时序控制,以实现原子磁力仪的物理工作过程,同时实现了原子磁力仪磁场采样率可变。
现有技术中绝大多数的铷原子磁力仪不需要时序控制,即不需要对aom2、射频信号源16和数据采集卡14进行开关控制,只需要采集数据并处理即可。原因在于,这些技术关注于磁力仪某一方面的研究内容,或者测量原理的实现方法与本发明不同,而本发明必须要进行时序控制。时序控制中射频信号源关闭后有一段原子磁矩进动自由弛豫信号,这段时间内射频场和抽运光都是关闭的状态,避免了它们对原子磁矩进动信号的影响,计算单元13截取这段信号后处理出外磁场值。计算单元13可设定dsp时序控制模块15的时序组合,实现磁场采样率n的设定,从而实现磁场采样率的可变。
2、采用基于非线性磁光旋转原理的抽运-检测型双光束测量方法。
文献“刘国宾,孙献平,顾思洪,冯继文,周欣.高灵敏度原子磁力计研究进展.物理,2012,41:803”中详述了国外nmor原子磁力仪的进展,为了解决nmor磁力仪动态测量范围小的缺点,美国国家标准与技术研究院(nist)的kitching小组在频率调制的单光束nmor原子磁力仪基础上采用数字锁相环实现对拉莫尔进动频率的自动跟踪锁定,实现了35nt~35000nt的动态测量范围,具体详见参考文献“schwindtpdd,hollbergl,kitchingj.self-oscillatingrubidiummagnetometerusingnonlinearmagneto-opticalrotation.reviewofscientificinstruments,2005,76:126103”。与ktiching小组基于频率调制的单光束nmor原子磁力仪不同,本发明采用抽运-检测型双光束测量方法,通过测量铷原子磁矩在外磁场中的拉莫尔进动信号来快速傅里叶变换出拉莫尔进动频率。国防科技大学也研究了基于非线性磁光旋转原理的抽运-检测型双光束测量方法,但与本发明内容中测量方法、数据采集及处理方法不同,具体可参考文献“丁志超,李莹颖,汪之国,杨开勇,袁杰.基于法拉第旋转检测的铷原子磁力仪研究.中国激光,2015,42:0408003”,以及文献“汪之国,罗晖,樊振方,谢元平.极化检测型铷原子磁力仪的研究.物理学报,2016,21:210702”。
3、数据采集卡14采用高速率的数据采集卡,以提高数据采样率。
本发明原子磁力仪工作时需测量原子磁矩绕外磁场的拉莫尔进动信号,并由该信号快速傅里叶变换出拉莫尔进动频率。因此,本发明需要使用快速采样的数据采集卡,在高磁场采样率下能够获得足够多的数据处理出高精度的外磁场值。
4、本发明针对大动态测量范围和高磁场采样率两方面内容进行设计,因此计算单元13中包括了低磁场采样率模块和高磁场采样率模块,其中低磁场采样率模块可选择射频信号源16输出频率是否采用跟踪式锁频。当要实现大动态测量范围时选择低磁场采样率模块的跟踪式锁频模式运行测量流程,磁场采样率小于20hz(含);当要测量大于5000nt的某一恒定磁场附近小动态范围的磁场波动时,通过设定dsp时序组合和数据采集及处理的流程循环方式,实现磁场采样率在1hz~1000hz范围内可调。
根据上述四个特点,本发明数据采集卡14、dsp时序控制模块15和计算单元13的设计方案为:
数据采集卡14采用美国ni公司的pci-5922型号的数据采集卡,拥有目前市场上最高的分辨率和最高动态范围,可在24位500ks/s到16位15ms/s之间的任何一点进行采样。
dsp时序控制模块15根据时序组合,给aom2、射频信号源16和pci-5922数据采集卡14输入电平触发信号,分别控制作用于铷泡8的抽运激光开或关、射频磁场开或关以及pci-5922数据采集卡14的采集触发。该时序组合的时序配合关系为:aom2的开关周期为t=1/n,开启时间为t1;射频信号源16在aom2关闭的时候开启,开启时间为t2;数据采集卡14在射频信号源16关闭的时候触发数据采集,如图3所示。aom2打开状态使铷原子磁矩被极化到与外磁场平行的方向上;射频信号源16作用时间内使铷原子磁矩进动到与外磁场垂直的平面内;数据采集卡14在射频信号源16打开时触发采集,截取射频信号源16关闭后的自由弛豫信号并处理出磁场值。
计算单元13设计有数据采集及处理程序,程序中设定数据采集卡的具体参数,例如采样率、信号截取位置、信号截取时长等信息,利用数据采集卡14所接收的铷原子磁矩拉莫尔进动信号计算拉莫尔进动频率f,继而计算外磁场值。在实际程序设计中,为了实现高磁场采样率,设计了两个不同的处理模块,分别为低磁场采样率模块和高磁场采样率模块,计算单元13根据待测磁场的动态范围,测量前选择高磁场采样率模块或低磁场采样率模块,以及在选择低磁场采样率模块时设定是否采用跟踪式锁频工作模式,被选定的高磁场采样率模块或低磁场采样率模块执行自身工作流程实现数据的采集和处理,并输出外磁场值。具体为:
低磁场采样率模块,如图5所示,用于在原子磁力仪被启动后,控制数据采集卡14采集一次磁力仪工作过程中射频信号源16关闭后的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号,对该信号进行快速傅里叶变换,获得拉莫尔进动频率f,根据该拉莫尔进动频率f计算出一个磁场值并输出。原子磁力仪被启动前需设定原子磁力仪是否工作于跟踪式锁频模式:在选定跟踪式锁频模式时,低磁场采样率模块将计算获得的拉莫尔进动频率f发送给射频信号源16,用于改变射频信号源16的输出频率,然后重新控制数据采集卡14采集下一次磁力仪工作过程中射频信号源16关闭后的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号,进行循环处理,该情况下磁场采样率设定小于20hz(含),用于实现大动态范围内的磁场测量;当不选定跟踪式锁频模式时,射频信号源16的输出频率为定值,该情况下磁场采样率在1hz~100hz范围内可调,用于测量大于5000nt的某一恒定磁场附近小动态范围的磁场波动。
高磁场采样率模块,如图6所示,射频信号源16的输出频率为定值,用于在原子磁力仪被启动后,控制数据采集卡14采集一秒内n次磁力仪工作过程产生的信号数据;在采集数据中截取第i次磁力仪工作过程的铷原子磁矩拉莫尔进动自由弛豫信号;对该自由弛豫信号进行快速傅里叶变换,获得拉莫尔进动频率f,并进一步计算外磁场值并输出;令i依次遍历1~n,直到输出n个外磁场值;然后重新控制数据采集卡14采集一秒内n次磁力仪工作过程产生的信号数据,进行循环处理。该情况下磁场采样率可在100hz~1000hz范围内可调,用于测量大于5000nt的某一恒定磁场附近小动态范围的磁场波动。通过并行的数据采集及处理,可实现高磁场采样率下外磁场的连续测量。
在上述两个处理模块中,当射频信号源(16)的输出频率为定值的情况下,用于测量大于5000nt的某一恒定磁场附近小动态范围的磁场波动,射频信号源(16)的输出频率与恒定磁场对应的拉莫尔进动频率相匹配。磁场波动范围建议小于±1000nt,此时磁力仪输出的磁场值精度较高;如果磁场波动范围较大,当射频信号源(16)的输出频率与磁场对应的拉莫尔进动频率相差较大时,磁力仪输出的自由弛豫信号幅度较小,导致磁力仪精度降低,长期测量可能会输出若干个与外磁场无关的数据。
实际测量磁场时,在100nt~5000nt待测磁场范围内设定磁场采样率小于20hz,这是由于本发明描述的拉莫尔进动频率是由自由弛豫正弦信号的快速傅里叶变换曲线拟合得到,必须保证采集足够多个周期的正弦自由弛豫信号才能够精确拟合出拉莫尔进动频率。100nt~5000nt对应的拉莫尔进动频率范围是700hz~35000hz,在低磁场下不能设定过高的磁场采样率。
上述铷原子磁力仪的测量和数据采集处理方案如下,包括:
步骤一、分别启动抽运激光器及其稳频系统1、aom2、探测激光器4、铷泡加热模块7、差分放大电路12、计算单元13、dsp时序控制模块15、射频信号源16,等待铷泡加热模块7温度稳定。
本步骤中,铷泡加热模块7结构件采用无磁性的聚四氟乙烯材料加工,加热方式为交流无磁加热,磁力仪工作时温度为100℃。
步骤二、设定抽运激光器及其稳频系统1工作于87rb的d1线跃迁频率上,设定探测激光器4频率比87rb的d1线跃迁频率红外失谐4ghz。
步骤三、待测磁场的方向与抽运光方向平行。将射频磁场线圈6、铷泡加热模块7、铷泡8置于含待测磁场线圈的磁屏蔽桶内,调节磁屏蔽桶内待测磁场线圈的输入电流值可改变待测磁场大小。
步骤四、计算单元13设定dsp时序控制模块15的时序组合,分别设定原子磁力仪的工作周期、aom2控制的抽运光作用时长、射频信号源16控制的射频场作用时长、以及pci-5922数据采集卡14的采集触发,实现原子磁力仪磁场采样率n的设定。
步骤五、计算单元13根据外界选定的高磁场采样率模块或低磁场采样率模块,以及在选择低磁场采样率模块时设定是否采用跟踪式锁频工作模式,执行相应的流程分支实现数据的采集和处理,并输出磁场值。
上述步骤四中,需要设定射频信号源16输出合适振幅的正弦信号,以获得信号幅度最大的铷原子磁矩进动自由弛豫信号。图3给出原子磁力仪工作时的时序示意图及实测数据。图4给出设定射频磁场作用时长的过程:磁屏蔽桶内产生10000nt的磁场后,先设定原子磁力仪工作周期为20ms,抽运光作用时长为3ms,射频场作用时长为10ms,射频信号源16输出正弦信号频率为70khz,调节射频信号源16输出正弦信号的振幅,从labview软件视窗中观察,以π/2脉冲时间确定射频场作用时长(我们在5000nt~100000nt测量范围调节至0.1ms),此时射频信号源16关闭后测量的信号幅度最大,其物理意义是特定时长的射频场使铷原子磁矩进动到与外磁场垂直的平面内。射频场作用时间设定后,在磁力仪量程范围内无需再设置。
上述步骤四~五中,计算单元13在测量流程运行前可设定dsp时序控制模块15的时序组合,配合计算单元13中labview数据采集和处理软件,实现原子磁力仪磁场采样率在1hz~1000hz范围内可调。磁场采样率的设定要保证能够实现铷原子磁矩进动信号的采集和处理:磁力仪测量范围为5000nt~100000nt时,磁场采样率可在1hz~1000hz范围内可调;当磁力仪测量范围为100nt~5000nt时,磁场采样率可设定在20hz以下。要注意步骤四中描述的原子磁力仪工作周期和原子磁力仪实际的磁场采样率可能没有关联,原子磁力仪物理部分是连续工作的,而数据采集过程可能无法采集到所有的数据,这是由于labview数据采集和处理软件在做数据处理的时候并不能同时进行数据采集,因此在设定磁场采样率时要考虑windows处理速度的限制和labview程序运行的延时。如前所述,计算单元13中设计了两个不同的处理模块,分别为低磁场采样率模块和高磁场采样率模块两种情况,以及在选择低磁场采样率模块时设定是否采用跟踪式锁频工作模式。
上述步骤四~五中,在选择低磁场采样率模块时设定跟踪式锁频工作模式,原子磁力仪不但具有较大的动态测量范围,而且对突变磁场具有很好的跟踪锁定能力。图2测量结果表明:原子磁力仪动态测量范围为100nt~100000nt;在地磁场附近,当外磁场突然改变10000nt时,原子磁力仪能够迅速跟踪锁定。
上述步骤四~五中,在选择高磁场采样率模块时,原子磁力仪可测量恒定磁场附近低频的微弱交变磁场。图7和图8给出了原子磁力仪以1000hz磁场采样率采集交变磁场的结果,实验结果表明原子磁力仪能够测量振幅范围为1nt~1000nt,频率小于500hz(含)的交变磁场。
上述步骤三中,调节磁屏蔽桶内磁场约为500nt,在所述步骤四~五中设定磁场采样率为10hz,将测量5分钟的磁场数据做噪声功率谱密度分析,如图9所示。结果表明原子磁力仪的灵敏度指标达到0.2pt/hz1/2@1hz,原子磁力仪的磁场分辨率为0.1pt。
本发明的铷原子磁力仪可以实现以下测量功能:1)可精密测量磁屏蔽筒内100nt~100000nt范围内的静态磁场。2)在5000nt~100000nt外界磁场范围内,原子磁力仪可实现磁场采样率在1hz~1000hz范围内可调。3)在磁场采样率为1000hz时原子磁力仪能够测量振幅范围为1nt~1000nt,频率小于500hz(含)的交变磁场。4)在地磁场附近,当外磁场突然改变10000nt时,原子磁力仪能够迅速跟踪锁定。5)当外磁场为500nt、磁场采样率为10hz时,原子磁力仪灵敏度指标达到0.2pt/hz1/2@1hz(噪声功率谱密度)。6)原子磁力仪的磁场分辨率达到0.1pt。
下面的实施例给出以1000hz磁场采样率测量磁屏蔽桶内10000nt附近交变磁场的实验过程,具体实施步骤如下:
(1)分别启动抽运激光器及其稳频系统1、aom2、探测激光器4、铷泡加热模块7、差分放大电路12、计算单元13、dsp时序控制模块15、射频信号源16,铷泡加热模块7选择以10khz交流无磁加热方式,等待铷泡加热模块7温度稳定。
(2)设定抽运激光器及其稳频系统1工作于87rb的d1线跃迁频率上,设定探测激光器4频率比87rb的d1线跃迁频率红外失谐4ghz。
(3)本发明待测磁场的方向与抽运光方向平行。本说明书中将射频磁场线圈6、铷泡加热模块7、铷泡8置于含待测磁场线圈的磁屏蔽桶内,一个精密电流源和一个信号发生器输出端并联连接于磁屏蔽桶内的待测磁场线圈,用来产生10000nt附近的交变磁场。
(4)计算机13设定dsp时序控制模块15的时序组合,分别设定原子磁力仪的工作周期为1ms,aom2控制的抽运光作用时长为0.3ms、射频信号源16控制的射频场作用时长为0.1ms,pci-5922数据采集卡14数据采集以射频信号源16控制时序的下降沿触发,如图2中(a)部分所示。上述设定能够实现原子磁力仪磁场采样率为1000hz。
(5)设置精密电流源输出电流值提供10000nt的背景磁场,改变信号发生器输出的幅度及频率,可在磁屏蔽桶内产生交变磁场。用计算单元13中自主研发的labview测量软件选择如图6所示的高磁场采样率模块工作,采集信号并输出磁场值。图7和图8是原子磁力仪以1000hz磁场采样率测量交变磁场的实验结果。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。