一種基于相干粒子數(shù)俘獲效應(yīng)的磁場測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于相干粒子數(shù)俘獲效應(yīng)的磁場測量裝置，由物理系統(tǒng)和電路系統(tǒng)構(gòu)成，兩部分之間通過線束插頭和高頻信號線連接。物理系統(tǒng)由激光二極管、透鏡、衰減片、四分之一波片、原子氣室、加熱片、溫度傳感器和光電探測器組成,電路系統(tǒng)由微處理器、PD采集電路、激光二極管溫控電路、原子氣室溫控電路、激光二極管電流控制電路、調(diào)制微波源和觸摸顯示屏組成。本實用新型采用激光作為干涉光源，激光的窄線寬特性和消多普勒效應(yīng)，能夠確保此測磁裝置具有pT量級的靈敏度；將調(diào)制微波信號直接加載到激光源上的工作方式，避免了在原子氣室兩側(cè)布置射頻線圈，從而有效減少此測磁裝置物理系統(tǒng)(傳感部分)的體積；不需要考慮原子介質(zhì)極化時間的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)高速連續(xù)測量。
【專利說明】
一種基于相干粒子數(shù)俘獲效應(yīng)的磁場測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種磁場測量裝置，具體而言，涉及一種基于相干粒子數(shù)俘獲(CPT)效應(yīng)的磁場測量裝置，屬于磁場測量【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]磁場測量可用于地球物理研究、油氣和礦產(chǎn)勘查、軍事國防、醫(yī)學(xué)診斷、地質(zhì)調(diào)查及考古研究等領(lǐng)域。用于磁場測量的傳統(tǒng)磁力儀包括磁通門磁力儀、質(zhì)子旋進磁力儀、光泵磁力儀、超導(dǎo)量子干涉磁力儀等。但是目前上述磁力儀在體積、功耗、測量范圍和精度方面都存在令人不滿意的地方，比如磁通門磁力儀的探頭部分多由在高磁導(dǎo)率的磁芯上纏繞線圈制作而成，體積和重量較大、測量精度偏低；質(zhì)子旋進磁力儀耗電量大，只能進行低帶寬間斷測量；光泵磁力儀雖然具有較高的靈敏度和響應(yīng)頻率，但其探頭體積較大；超導(dǎo)量子干涉磁力儀必需的低溫制冷系統(tǒng)使得其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。因此，迫切需要一種新的技術(shù)手段來解決以上問題，獲得一種結(jié)構(gòu)簡單、精度高、體積小、功耗低且性能穩(wěn)定的磁力儀。近幾年，隨著量子光學(xué)和原子操控技術(shù)的發(fā)展，基于相干粒子數(shù)捕獲(Coherent Populat1nTrapping,CPT)效應(yīng)的原子干涉磁力儀通過檢測激光與原子作用后的透射光譜來實現(xiàn)對磁場的測量，有望解決磁測量技術(shù)目前發(fā)展的難題。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種基于相干粒子數(shù)俘獲效應(yīng)的磁場測量裝置，降低了磁力儀的體積和功耗，提高了測量靈敏度，擴大了測量范圍。
[0004]本實用新型的技術(shù)解決方案是:一種基于相干粒子數(shù)俘獲效應(yīng)的磁場測量裝置，由物理系統(tǒng)和電路系統(tǒng)構(gòu)成，物理系統(tǒng)由激光二極管、透鏡、衰減片、四分之一波片、原子氣室、加熱片、溫度傳感器和光電探測器組成，電路系統(tǒng)由微處理器、PD采集電路、激光二極管溫控電路、原子氣室溫控電路、激光二極管電流控制電路、調(diào)制微波源和觸摸顯示屏組成；激光二極管、透鏡、衰減片、四分之一波片、原子氣室和光電探測器依次設(shè)置在同一軸線上，溫度傳感器安裝在原子氣室的外壁上，加熱片安裝在原子氣室的一端或兩端；^)采集電路與光電探測器相連，原子氣室溫控電路與加熱片和溫度傳感器相連用于采集和控制原子氣室[105]的溫度，激光二極管溫控電路和激光二極管電流控制電路與激光二極管相連用于控制激光二極管的溫度和電流；調(diào)制微波源與激光二極管相連用于控制激光二極管的邊帶頻率掃描；微處理器與ro采集電路、激光二極管溫控電路、原子氣室溫控電路、激光二極管電流控制電路、調(diào)制微波源和觸摸顯示屏相連接實現(xiàn)對物理系統(tǒng)的控制和磁場測量。
[0005]微處理器通過串口與所述觸摸顯示屏相連接。
[0006]所述激光二極管采用垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器。
[0007]所述原子氣室內(nèi)封裝銣原子和緩沖氣體。
[0008]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果:
[0009](I)本實用新型采用激光作為干涉光源，激光的窄線寬特性和消多普勒效應(yīng)，確保此測磁裝置具有PT量級的準(zhǔn)確度；
[0010](2)本實用新型將調(diào)制微波信號直接加載到激光源上的工作方式，避免了在原子氣室兩側(cè)布置射頻線圈，從而有效減少此測磁裝置物理系統(tǒng)(傳感部分)的體積。
[0011](3)本實用新型不需要考慮原子介質(zhì)極化時間的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)高速連續(xù)測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本實用新型系統(tǒng)連接與結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是本實用新型實施例的物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖3是本實用新型的控制與測量流程圖。

【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步說明，但不作為對本實用新型的限定。
[0016]采用本實用新型實施例的基于CPT原理的磁場測量裝置，系統(tǒng)連接與結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為物理系統(tǒng)和電路系統(tǒng)兩部分，兩部分之間通過線束插頭和高頻信號線連接。物理部分依次由激光二極管101、透鏡102、衰減片103、四分之一波片104、原子氣室105光電探測器108和加熱片106、溫度傳感器107構(gòu)成，用于完成光與原子間相互作用，實現(xiàn)CPT效應(yīng)。激光二極管101、透鏡102、衰減片103、四分之一波片104、原子氣室105和光電探測器108依次設(shè)置在同一軸線上，溫度傳感器107安裝在原子氣室105的外壁上，加熱片106安裝在原子氣室105的一端或兩端。電路系統(tǒng)由微處理器201、Η)采集電路202、激光二極管溫控電路203、原子氣室溫控電路204、激光二極管電流控制電路205、調(diào)制微波源206和觸摸顯示屏207組成；Η)采集電路202與光電探測器108相連，原子氣室溫控電路204與加熱片106、溫度傳感器107相連用于采集和控制原子氣室105的溫度，激光二極管溫控電路203和激光二極管電流控制電路205與激光二極管101相連用于控制激光二極管101的溫度和電流；調(diào)制微波源206與激光二極管101相連用于控制激光二極管101的邊帶頻率掃描，微處理器201與H)采集電路202、激光二極管溫控電路203、原子氣室溫控電路204、激光二極管電流控制電路205、調(diào)制微波源206和觸摸顯示屏207相連接實現(xiàn)對物理系統(tǒng)的控制和磁場測量。線束插頭分別連接光電探測器108和H)采集電路202，加熱片106、溫度傳感器107和原子氣室溫控電路204，激光二極管溫控電路203、激光二極管電流控制電路205和激光二極管101 ;高頻信號線連接調(diào)制微波源206和激光二極管101。
[0017]本實用新型具體實施例的物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖參見圖2，也即磁力儀的傳感部分，為柱形探頭，在本實施例中，激光二極管101采用垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VerticalCavity Surface Emitting Laser, VCSEL),具有體積小、方向性好、響應(yīng)速度快、功率損耗低、動態(tài)調(diào)制頻率高等特點，滿足本實用新型測磁裝置對光源部分的要求，并且VCSEL激光二極管的內(nèi)部集成有半導(dǎo)體制冷器(TEC)和負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)，便于控制激光二極管的溫度。原子氣室105內(nèi)封裝銣原子和緩沖氣體，提供測量磁場的干涉介質(zhì)。
[0018]物理系統(tǒng)是以激光二極管101和原子氣室105作為核心部件，通過衰減片103和四分之一波片104調(diào)整兩束激光的強度，再把激光二極管101所發(fā)出的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。激光束與原子氣室105內(nèi)的銣原子相互作用后，由光電探測器108接收帶有磁場信息的光信號，并把光信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳給電路系統(tǒng)部分。
[0019]本實用新型具體實施例的電路系統(tǒng)部分主要由微處理器201、PD采集電路202、激光二極管溫控電路203、原子氣室溫控電路204、激光二極管電流控制電路205、調(diào)制微波源206和觸摸顯示屏207構(gòu)成。微處理器201包括但不限于單片機、DSP或FPGA，具有滿足本實用新型裝置的外圍接口電路，如模擬-數(shù)字和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換電路，串口等，在本實施例中，選擇STM32系列芯片完成對激光二極管101、原子氣室105、光電探測器108、調(diào)制微波源206和觸摸顯示屏207的控制。
[0020]激光二極管溫控電路203和激光二極管電流控制電路205用于調(diào)節(jié)激光二極管101的溫度和電流，確保激光中心波長(794.976nm)不變。
[0021]在具體實施例中，激光二極管溫控電路203與激光二極管101的TEC和NTC管腳相連。TEC熱電制冷調(diào)節(jié)器是一個可以自由控制加熱或者制冷的芯片，控制端由外接的電流來控制是加熱還是制冷。NTC熱敏電阻是一個負溫度系數(shù)的熱敏電阻，利用恒流源芯片REF200產(chǎn)生一個電流，流經(jīng)熱敏電阻從而在NTC輸入端產(chǎn)生一個電壓，此電壓就是熱敏電阻的電壓，通過測量電壓值就能得到此時熱敏電阻的阻值(溫度每變化0.003K，NTC阻值變化0.358 Ω。采用200mA恒流芯片時，對應(yīng)電壓變化0.072V)，從而反算出此時激光二極管101的工作溫度。電壓值輸入到微處理器201與預(yù)設(shè)溫度對比，通過調(diào)節(jié)TEC兩端電流的流向和大小來控制升溫或降溫。
[0022]在具體實施例中，激光二極管電流控制電路205包括恒定電流控制、頻率掃描控制和穩(wěn)頻反饋控制電流輸入。恒定電流控制通過微處理器201的數(shù)字-模擬端輸出一個恒定電壓，后接一路電壓跟隨器，其目的是隔離輸入與輸出使負載端不會影響輸入端，另外集成運放的高輸入電阻和低輸出電阻的特性可以增強輸入端的帶負載能力；頻率掃描控制通過微處理器201的數(shù)字-模擬端輸出一組鋸齒波信號，同樣后接一路電壓跟隨器去信號干擾；穩(wěn)頻反饋控制電流輸入包括三部分:(I)將恒定電流和頻率掃描的求和放大電路，(2)電壓跟隨器，(3)AD623儀表放大器構(gòu)成的反饋回路，這樣電壓跟隨器輸出端會輸出一個可調(diào)電流，此電流為激光二極管101的驅(qū)動電流。
[0023]原子氣室溫控電路204用于保持原子氣室的溫度穩(wěn)定，使銣原子的密度適合，優(yōu)化干涉效果，從而提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。在具體實施例中，原子氣室溫控電路204連接加熱片106和溫度傳感器107。固定在原子氣室105上的溫度傳感器107采用LM335，將原子氣室105的溫度采集后，通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換到微處理器201，微處理器201將采集溫度值與設(shè)定值對比判斷是否應(yīng)該加熱，如果溫度不夠需要加熱則通過I/O 口輸出固定電壓給加熱片，否則關(guān)斷加熱片。
[0024]調(diào)制微波源206用于控制調(diào)制微波源的頻率，將3.417GHz的調(diào)制信號注入激光二極管101，對其波長進行調(diào)制，使產(chǎn)生頻率間隔為3.417GHz的多色光，對應(yīng)的±1極邊帶是磁場測量中所需要的兩個光場。在具體實施例中，調(diào)制微波源206采用輸出頻率3416.8-3417.8MHz，最小步進0.1Hz的微波信號，驅(qū)動電路主要是微處理器201的4個管腳，其中數(shù)據(jù)輸出端輸出32位二進制數(shù)字信號控制調(diào)制微波源的頻率輸出。
[0025]在具體實施例中，PD采集電路202由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。光電探測器108輸出的電信號通過ro采集電路202轉(zhuǎn)換輸入到微處理器201中，然后通過程序確定信號峰值對應(yīng)的調(diào)制微波源頻率，據(jù)此計算出磁場強度。
[0026]在具體實施例中，觸摸顯示屏207以實時曲線和數(shù)字兩種方式顯示計算磁場強度值，提供激光調(diào)節(jié)、CPT優(yōu)化、磁場測量、自動測量等按鈕。設(shè)置尋峰范圍、中心點、掃描步長等參數(shù)輸入框。
[0027]本實用新型的控制測量過程如圖3所示，
[0028]步驟201:開始，進入測量準(zhǔn)備階段；
[0029]步驟202:利用激光二極管溫控電路203對激光二極管101預(yù)熱；
[0030]步驟203:微處理器201判斷激光二極管101的溫度是否達到Tl，如果是，就進入步驟206，否則轉(zhuǎn)到步驟202，所述Tl為激光二極管101所需達到的預(yù)設(shè)溫度值；
[0031]步驟204:利用原子氣室溫控電路204進行原子氣室105預(yù)熱；
[0032]步驟205:微處理器201判斷原子氣室105的溫度是否達到T2，如果是，就進入步驟206，否則轉(zhuǎn)到步驟204，所述T2為原子氣室105所需達到的預(yù)設(shè)溫度值；
[0033]步驟206:微處理器201判斷激光二極管101和原子氣室105的溫度是否都達到預(yù)設(shè)值，如果是，說明激光頻率和原子密度滿足實現(xiàn)相干粒子數(shù)捕獲的條件，就進入步驟207，否則返回步驟201 ；
[0034]步驟207:利用激光二極管電流控制電路205調(diào)整激光二極管101的電流，使激光穩(wěn)定在所需頻率上；
[0035]步驟208:微處理器201控制調(diào)制微波源206在大頻率范圍內(nèi)掃描，得到CPT側(cè)峰所對應(yīng)的微波頻率區(qū)間W，所述大頻率范圍一般指IMHz范圍內(nèi)；
[0036]步驟209:結(jié)束準(zhǔn)備階段，進入測量階段，關(guān)閉加熱片106，避免對磁場測量結(jié)果的影響；
[0037]步驟210:微處理器201控制調(diào)制微波源206在W頻率范圍內(nèi)進行精密掃描，采用相敏檢波得到CPT側(cè)峰對應(yīng)的微波頻率V ；
[0038]步驟211:判斷所述微波頻率V是否在掃描區(qū)間W的邊緣，如果是，說明需要重新掃描CPT側(cè)峰所對應(yīng)的微波頻率區(qū)間W，返回步驟208，否則進入步驟212 ；
[0039]步驟212:微處理器201利用CPT側(cè)峰與中間峰的頻率差，計算磁場強度值，并將計算結(jié)果輸出到觸摸顯示屏207上；
[0040]步驟213:微處理器201判斷原子氣室105的溫度是否小于T2，如果是，說明原子氣室105需要加熱，就進入步驟214，否則返回步驟210，進行磁場的連續(xù)測量；
[0041]步驟214:打開加熱片106，對原子氣室105進行加熱，直到測量結(jié)束。
[0042]以上所述的實施例只是本實用新型較優(yōu)選的【具體實施方式】，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于相干粒子數(shù)俘獲效應(yīng)的磁場測量裝置，其特征在于:由物理系統(tǒng)和電路系統(tǒng)構(gòu)成，物理系統(tǒng)由激光二極管[101]、透鏡[102]、衰減片[103]、四分之一波片[104]、原子氣室[105]、加熱片[106]、溫度傳感器[107]和光電探測器[108]組成，電路系統(tǒng)由微處理器[201]、H)采集電路[202]、激光二極管溫控電路[203]、原子氣室溫控電路[204]、激光二極管電流控制電路[205]、調(diào)制微波源[206]和觸摸顯示屏[207]組成；激光二極管[101]、透鏡[102]、衰減片[103]、四分之一波片[104]、原子氣室[105]和光電探測器[108]依次設(shè)置在同一軸線上，溫度傳感器[107]安裝在原子氣室[105]的外壁上，加熱片[106]安裝在原子氣室[105]的一端或兩端刊采集電路[202]與光電探測器[108]相連，原子氣室溫控電路[204]與加熱片[106]和溫度傳感器[107]相連用于采集和控制原子氣室[105]的溫度，激光二極管溫控電路[203]和激光二極管電流控制電路[205]與激光二極管[101]相連用于控制激光二極管[101]的溫度和電流；調(diào)制微波源[206]與激光二極管[101]相連用于控制激光二極管[101]的邊帶頻率掃描；微處理器[201]與H)采集電路[202]、激光二極管溫控電路[203]、原子氣室溫控電路[204]、激光二極管電流控制電路[205]、調(diào)制微波源[206]和觸摸顯示屏[207]相連接實現(xiàn)對對物理系統(tǒng)的控制和磁場測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相干粒子數(shù)俘獲效應(yīng)的磁場測量裝置，其特征在于:所述微處理器[201]通過串口與所述觸摸顯示屏[207]相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相干粒子數(shù)俘獲效應(yīng)的磁場測量裝置，其特征在于:所述激光二極管[101]采用垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相干粒子數(shù)俘獲效應(yīng)的磁場測量裝置，其特征在于:所述原子氣室[105]內(nèi)封裝銣原子和緩沖氣體。
【文檔編號】G01R33/02GK203950025SQ201420317831
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】寇軍, 王增斌, 李凱, 張笑楠, 魏小剛, 楊峰, 孫曉潔, 朱志忠, 趙博濤, 楊文良 申請人:北京航天控制儀器研究所