[發(fā)明專利]一種基于原子磁共振的靜磁場空間分布測量系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2019-12-20
• 公開（公告）號: CN111025206B
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉院省;王巍;范曉婷;闞寶璽;王學(xué)鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: G01R33/10
• 分類號: G01R33/10
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 劉秀祥

一種基于原子磁共振的小尺度空間靜磁場空間分布測量方法，該方法用于測量靜磁場的空間分布均勻性，其基本原理是將充滿堿金屬(K，Rb，Cs等)的原子氣室放置于靜磁場中，選用圓偏振光使堿金屬(K，Rb，Cs等)原子極化。采用垂直于靜磁場的射頻場使堿金屬(K，Rb，Cs等)原子發(fā)生磁共振，光電探測器陣列探測穿過氣室的圓偏振光的光強(qiáng)，根據(jù)堿金屬(K，Rb，Cs等)原子拉莫爾進(jìn)動頻率得到靜磁場強(qiáng)度。通過空間光調(diào)制器改變圓偏振光的空間位置，或者采用光電探測器線陣陣列實(shí)現(xiàn)小尺度空間的磁場強(qiáng)度分布測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于原子磁共振的靜磁場空間分布測量系統(tǒng)及方法，屬于靜磁場分布技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在很多技術(shù)領(lǐng)域和科研工作中，需要用到磁場的空間分布信息，且隨著醫(yī)學(xué)、電磁學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，確定研究對象中的微觀磁性變得尤為重要，因此發(fā)展小尺度空間靜磁場空間分布測量技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值。

小尺度空間磁場測量就是測量微觀尺度下的磁場分布技術(shù)。目前有代表性的技術(shù)，根據(jù)其測量原理的不同可以分為：掃描超導(dǎo)量子干涉技術(shù)、金剛石色心技術(shù)和原子氣室技術(shù)。

在原子氣室技術(shù)領(lǐng)域中，其基本原理是利用使堿金屬發(fā)生超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級分裂的特定波段的圓偏振光，使堿金屬原子極化到特定能級。極化后的堿金屬原子具有磁矩，并在磁場作用下做拉莫爾進(jìn)動，宏觀上用極化率的正弦波動表示拉莫爾進(jìn)動。再通過一束與圓偏振光方向垂直的線偏振探測光檢測這種進(jìn)動，此外也可以通過檢測圓偏振光的吸收量來得到原子極化率，即可根據(jù)Bloch方程計算得到原始磁場信息。但滿足要求的脈沖圓偏振光難以調(diào)制，且只能檢測瞬態(tài)磁場信息。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于原子磁共振的小尺度空間靜磁場空間分布測量方法，該方法用于測量靜磁場的空間分布均勻性，其基本原理是將充滿堿金屬(K，Rb，Cs等)的原子氣室放置于靜磁場中，選用圓偏振光使堿金屬(K，Rb，Cs等)原子極化。采用垂直于靜磁場的射頻場使堿金屬(K，Rb，Cs等)原子發(fā)生磁共振，光電探測器陣列探測穿過氣室的圓偏振光的光強(qiáng)，根據(jù)堿金屬(K，Rb，Cs等)原子拉莫爾進(jìn)動頻率得到靜磁場強(qiáng)度。通過空間光調(diào)制器改變圓偏振光的空間位置，或者采用光電探測器線陣陣列實(shí)現(xiàn)小尺度空間的磁場強(qiáng)度分布測量。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種基于原子磁共振的靜磁場空間分布測量系統(tǒng)，包括激光、光學(xué)濾波器、起偏器、1/4波片、擴(kuò)束透鏡、準(zhǔn)直透鏡、四層磁屏蔽、加熱爐、堿金屬原子氣室、線圈、射頻場、光電信號探測器陣列；

激光依次通過光學(xué)濾波器、起偏器、1/4波片、擴(kuò)束透鏡、準(zhǔn)直透鏡后，穿過四層磁屏蔽后進(jìn)入光電信號探測器陣列；線圈在四層磁屏蔽內(nèi)，加熱爐在線圈內(nèi)，堿金屬原子氣室在加熱爐內(nèi)；四層磁屏蔽處于射頻場范圍內(nèi)；

堿金屬原子氣室內(nèi)充滿堿金屬原子。

優(yōu)選的，堿金屬原子氣室的采用石英玻璃或硼硅玻璃材料制成。

優(yōu)選的，射頻場沿x軸方向垂直于靜磁場，光電信號探測器陣列的陣列垂直于圓偏振光方向并沿x-y面排列。

優(yōu)選的，激光通過起偏器變?yōu)榫€偏振光。

優(yōu)選的，1/4波片用于將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光。

優(yōu)選的，擴(kuò)束透鏡和準(zhǔn)直透鏡用于擴(kuò)大圓偏振光光束直徑，使其覆蓋氣室。

優(yōu)選的，四層磁屏蔽用于屏蔽地磁場。

優(yōu)選的，線圈用于產(chǎn)生堿金屬進(jìn)動需要的靜磁場。

優(yōu)選的，激光采用激光器產(chǎn)生，波長為600nm～1000nm。

一種基于原子磁共振的靜磁場空間分布測量方法，包括如下步驟：

S1、制備充滿堿金屬原子的氣室；