[發明專利]一種自激式銫-133元素光泵磁力儀

在審

• 申請號: 201410444711.8
• 申請日: 2014-09-03
• 公開（公告）號: CN104181604A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發明（設計）人: 許慶豐;許貴琳;李明;周捷;謝俊杰;莫翔
• 申請（專利權）人: 上海通用衛星導航有限公司
• 主分類號: G01V3/00
• 分類號: G01V3/00
• 代理公司: 上海藍迪專利事務所 31215
• 代理人: 張翔

技術領域

本發明屬于磁探技術領域，具體涉及一種自激式銫-133元素光泵磁力儀。

背景技術

磁法勘察一直是地球物理調查的重要內容，廣泛用于航磁測量、海底資源勘探、地震預測、搜救打撈以及軍用反潛等領域。磁力儀按工作原理可以分為磁通門式、質子旋進式、光泵式、超導式等不同種類型。相比較而言，基于光泵技術的高靈敏度磁探儀，靈敏度高、無零點漂移、不須嚴格定向，環境梯度容限高，可連續測量等顯著優點，廣泛用于航空及海洋地球物理勘探。

銫光泵磁力儀是利用銫133元素的原子受激發后，在外磁場作用下超精細能級（F=3,F=4能級）的塞曼效應來測量外部磁場的。在加熱或電激發作用下的銫原子，再以滿足F=3,F=4能級躍遷頻率的光束照射，原子吸收光的能量，將由低能級躍遷到高能級，這一效應稱之為光泵作用。處于高能級的銫原子在外磁場下會產生能級分裂，分裂后的原子兩相鄰子能級間的能量差可用塞曼躍遷頻率f0來表示，f0大小與外磁場成正比。因此，設法測得f0，就可測得外磁場，而且具有很高的靈敏度。銫光泵磁力儀輸出的f0與外界磁場的比例關系為f0?=?3.498577?x?H，其中H為外部磁場值，單位為nT。在10000nT?-?100000nT的量程范圍，f0為35khz?-?350Khz。

以堿金屬銫133為工作介質的銫光泵磁力儀使用壽命長，性能穩定可靠，在國內尚屬空白產品。除了應用于物探與海洋勘探應用領域，還由于銫光泵磁力儀在軍事應用上的潛在價值，高指標的銫光泵磁力儀屬于對華限制出口產品。因此，研發出銫光泵磁力儀刻不容緩。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的空白而提供的一種自激式銫-133元素光泵磁力儀，它具有結構簡單、性能穩定的特點，具有在外界磁場大范圍波動情況下實時輸出信號的能力。

實現本發明目的的具體技術方案是：

一種自激式銫-133元素光泵磁力儀，特點是它包括光系組件及電子組件，光系組件與電子組件之間用無磁性電纜連接，所述光系組件包括銫原子燈、第一窄帶干涉濾光片、第二窄帶干涉濾光片、紅外聚焦透鏡、偏振分光棱鏡、銫蒸汽室及硅光電池，銫蒸汽室外部繞有勵磁線圈；所述銫原子燈、第一窄帶干涉濾光片、紅外聚焦透鏡、偏振分光棱鏡、銫蒸汽室、第二窄帶干涉濾光片、硅光電池依次排列并安裝處于同一軸線上；高頻交流電激發銫原子燈發光，經過第一窄帶干涉濾光片后，紅外聚焦透鏡聚焦為平行光，通過偏振分光棱鏡后變為右旋圓偏振光，隨后經過銫蒸汽室被氣態的銫133原子調制，再經過第二窄帶干涉濾光片濾除雜散光，照射到硅光電池上，變為電信號輸出；

所述電子組件包括溫度控制器、高頻驅動器、低噪聲前置放大器及后級驅動器，由光系組件輸出的硅光電池信號經過低噪聲前置放大器放大，通過后級驅動器穩定幅度，信號輸入光系組件中銫蒸汽室外部的勵磁線圈中，構成一個量子反饋震蕩器，該振蕩器輸出的頻率信號即為與外部磁場成正比的正弦波信號，通過測量正弦波信號的頻率即可測量外部磁場值；溫度控制器控制銫原子燈及銫蒸汽室的溫度，高頻驅動器產生110?MHz～130?MHz的信號驅動銫原子燈發光。

所述光系組件中的光路為銫原子燈光線先經過第一窄帶干涉濾光片，再進行透鏡聚焦，所述紅外聚焦透鏡的焦距僅對于894nm的光線，提高了聚焦效率。

所述銫蒸汽室外部的勵磁線圈為沿銫蒸汽室圓柱體外部繞制，線圈磁場的軸向與經過銫蒸汽室內的光路軸向相同，圈數為5～7。

所述銫蒸汽室外部還繞有正向加熱線圈及反向加熱線圈。

所述偏振分光棱鏡由一對高精度直角棱鏡膠合而成，其中一個棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質膜，對894nm波長附近的光線透過率達90%以上，直接將自然光變為右旋圓偏振光。

所述銫蒸汽室為圓柱體，直徑24.5mm～25.5mm，長19.5mm～20.5mm；銫原子燈直徑為9.5mm～10.5mm的球型玻璃泡。

經過銫蒸汽室的光線，再經過第二干涉濾光片，濾除了雜散光，提高了硅光電池信號的信噪比。

本發明可在10000nT?-?100000nT（0.1高斯-1高斯）整個量程范圍內連續工作，在外界磁場大范圍突變情況下也能快速響應，保證輸出信號實時不間斷，其靜態噪聲均方根值2pt。?

附圖說明

圖1為本發明外形圖；

圖2為本發明結構示意圖；

圖3為本發明銫蒸汽室外部線圈結構示意圖；

圖4為本發明溫度控制器結構示意圖；

圖5為本發明高頻驅動器結構示意圖。