[發明專利]一種銣原子磁力儀及其磁場測量方法

有效

• 申請號: 201710270545.8
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN107015172B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 繆培賢;楊世宇;王劍祥;廉吉慶;涂建輝;楊煒;崔敬忠
• 申請（專利權）人: 蘭州空間技術物理研究所
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 溫子云;仇蕾安

1.一種銣原子磁力儀，其特征在于，包括銣原子磁力儀物理部分、DSP時序控制模塊(15)、數據采集卡(14)和計算單元(13)；

DSP時序控制模塊(15)，用于根據時序組合控制銣原子磁力儀物理部分中聲光調制器AOM(2)、射頻信號源(16)的開關；還根據時序組合控制數據采集卡(14)的采集觸發；

計算單元(13)利用數據采集卡(14)接收的銣原子拉莫爾進動自由弛豫信號快速傅里葉變換出拉莫爾進動頻率f，繼而計算出外磁場值；計算單元(13)中具有低磁場采樣率模塊和高磁場采樣率模塊，計算單元(13)根據待測磁場的動態范圍，測量前選擇高磁場采樣率模塊或低磁場采樣率模塊，以及在選擇低磁場采樣率模塊時設定是否采用跟蹤式鎖頻工作模式，被選定的高磁場采樣率模塊或低磁場采樣率模塊執行自身工作流程實現數據的采集和處理，并輸出外磁場值；

計算單元(13)通過設定DSP時序控制模塊(15)的時序組合，實現磁場采樣率N的設定。

2.如權利要求1所述的銣原子磁力儀，其特征在于，所述時序組合的時序配合關系為：AOM(2)的開關周期為T＝1/N，開啟時間為t₁；射頻信號源(16)在AOM(2)關閉的時候開啟，開啟時間為t₂；數據采集卡(14)在射頻信號源(16)關閉的時候觸發數據采集。

3.如權利要求1所述的銣原子磁力儀，其特征在于，計算單元(13)采用Labview軟件編程實現，其界面包括低磁場采樣率模塊和高磁場采樣率模塊，其中低磁場采樣率模塊可選擇射頻信號源(16)輸出頻率是否采用跟蹤式鎖頻。

4.如權利要求1所述的銣原子磁力儀，其特征在于，

所述低磁場采樣率模塊，用于控制數據采集卡(14)采集一次銣原子磁力儀工作過程中射頻信號源(16)關閉后的銣原子拉莫爾進動自由弛豫信號，對采集信號進行快速傅里葉變換，獲得拉莫爾進動頻率f，根據該拉莫爾進動頻率f計算出一個磁場值并輸出；

該所述低磁場采樣率模塊還根據運行前預先設定的原子磁力儀是否工作于跟蹤式鎖頻模式進行射頻信號源(16)的頻率控制：在選定跟蹤式鎖頻模式時，低磁場采樣率模塊將計算獲得的拉莫爾進動頻率f發送給射頻信號源(16)，用于改變射頻信號源(16)的輸出頻率，然后重新控制數據采集卡(14)采集下一次磁力儀工作過程中射頻信號源(16)關閉后的銣原子拉莫爾進動自由弛豫信號，進行循環處理；該情況下磁場采樣率N設定小于或等于20Hz；當不選定跟蹤式鎖頻模式時，射頻信號源(16)的輸出頻率為定值，該情況下磁場采樣率N在1Hz～100Hz范圍內可調，用于測量大于5000nT的某一恒定磁場附近的磁場波動；

高磁場采樣率模塊工作時，射頻信號源(16)的輸出頻率為定值；高磁場采樣率模塊用于控制數據采集卡(14)采集一秒內N次磁力儀工作過程產生的信號數據；在采集數據中截取第i次磁力儀工作過程中射頻信號源(16)關閉后的銣原子磁矩拉莫爾進動自由弛豫信號；對該自由弛豫信號進行快速傅里葉變換，獲得拉莫爾進動頻率f，并進一步計算外磁場值并輸出；令i依次遍歷1～N，直到輸出N個外磁場值；然后重新控制數據采集卡(14)采集一秒內N次磁力儀工作過程產生的信號數據，進行循環處理；該情況下磁場采樣率可在100Hz～1000Hz范圍內可調，用于測量大于5000nT的某一恒定磁場附近的磁場波動。

5.如權利要求1所述的銣原子磁力儀，其特征在于，銣原子磁力儀物理部分包括抽運激光器及其穩頻系統(1)、AOM(2)、λ/4玻片(3)、探測激光器(4)、偏振片(5)、射頻磁場線圈(6)、銣泡加熱模塊(7)、銣泡(8)、偏振分光棱鏡PBS(9)、兩個光電探測器(10、11)、差分放大電路(12)和射頻信號源(16)；

外磁場方向與抽運光方向平行，抽運激光器及其穩頻系統(1)產生的抽運激光經過AOM(2)和1/4玻片(3)，形成圓偏振光作用在銣泡(8)上；通過AOM(2)的開關控制，令抽運激光作用一段時間t₁后關閉，開啟射頻信號源(16)給射頻磁場線圈(6)輸入設定時長t₂的射頻正弦信號，驅動銣泡(8)內的銣原子磁矩進動到與外磁場垂直的平面內；探測激光器(4)產生的探測激光經過偏振片(5)，成為線偏振光穿過銣泡(8)，再通過PBS(9)分成兩路，分別通過兩個光電探測器(10、11)，然后進入差分放大電路(12)，經過差分放大輸出銣原子磁矩繞外磁場的拉莫爾進動信號。