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    新型堿金屬光泵磁力儀的制作方法

    1120   編輯:中冶有色技術網   來源:中國船舶重工集團公司第七一五研究所  
    2023-11-07 15:08:24
    新型堿金屬光泵磁力儀的制作方法

    1.本實用新型涉及磁法測量的領域,具體涉及一種新型堿金屬光泵磁力儀。

    背景技術:

    2.在地質構造中,由于地殼中不同巖層介質具有密度、彈性、導電性、磁性、放射性以及導熱性等方面差異,因而造成局部地球物理場發生變化。通過測量這些物理場的分布和變化特征,對其進行地質構造分析,進而推斷地質性狀。地球物理勘探的主要任務是對局部地殼導電、放射性、磁性、重力等參數進行測量,為地質分析提供參考信息,便于今后礦產勘探及開采。為實現地質磁性參數收集,地球物理勘探人員通過操作各類磁法勘探設備開展磁法勘探以收集地殼磁性參數。

    3.在地球地殼中,存留著大量鐵鉻鎳等順磁材料。在地球強磁場作用下,順磁材料磁化后具有較強磁性。因具有良好的結構強度、材料特性以及豐富的儲藏,鐵鉻鎳順磁材料而被人們廣泛應用于日常生產生活領域及軍事用途。未爆炸物uxo、地面、水下不明物體因具有大量磁性體而引起周圍地球磁場變化。它們的磁特性常被作為一種探測目標。磁探測設備是主要的探測與定位裝備。

    4.光泵磁力儀是一種高靈敏磁探測設備,其工作原理是磁場中特定原子在光泵作用下發生磁共振,通過去取向作用的跟蹤環路或者拉莫爾磁共振頻率自激環路實現對外磁場的進行跟蹤測量。因光泵磁力儀靈敏度高,而成為軍民用高精度、高性能磁法勘探及磁異常探測的主要裝備。本新型堿金屬光泵磁力儀采用的是自激式磁力儀。只有自激跟蹤環路中拉莫爾信號幅度足夠大、相位滿足自激條件時,光泵探頭產生拉莫爾信號的自激振蕩。通過對拉莫爾頻率進行測量,可計算出外磁場值。為實現光泵效應,傳統光泵磁力儀中泵燈和原子吸收室采用分離結構。獨立的泵燈對原子吸收室內的原子產生光泵效應,原子吸收室內的原子發生磁共振。該方式中泵浦效應為單向泵浦,堿金屬原子的泵浦幾率有限。為保證足夠的泵浦光強,技術人員將對泵燈施加較高功率的高頻激勵。同時,由于泵燈光譜較寬,泵浦光外光波將引入光噪聲。如果采用激光器作為泵源,其結構更為復雜,配套電路眾多,激光泵磁力儀的技術難度較高、生產成本高昂。此外,為了保證堿金屬泵燈和堿金屬原子吸收室內的金屬蒸汽濃度,通常設計人員采用兩套電路分別對燈、室實現加熱、保溫。因此,傳統光泵探頭結構較為繁瑣、尺寸較大、電路復雜。

    技術實現要素:

    5.本實用新型的目的在于克服現有技術存在的不足,而提供一種新型堿金屬光泵磁力儀,具有泵浦光波長自鎖、單軸雙向泵浦、結構簡單、技術難度較小、生產成本較低的優勢。

    6.本實用新型的目的是通過如下技術方案來完成的:這種新型堿金屬光泵磁力儀,包括探頭、磁力儀主機和磁傳感器,所述探頭通過電纜與磁力儀主機電連接;探頭包括探頭外罩,探頭外罩的內腔置入磁傳感器,磁傳感器外周環繞設置線圈,線圈通過電纜與磁力儀

    主機電連接,用于對磁傳感器施加拉莫爾信號射頻場;磁傳感器為兩端封閉的管狀結構,磁傳感器內填充有堿金屬,磁傳感器的外壁上均勻纏繞有加熱絲,用于加熱堿金屬至氣態,加熱絲與電纜電連接實現供電;電極的一端連接電纜,電極的另一端插入磁傳感器內,用于高頻激勵堿金屬蒸汽,使堿金屬蒸汽發光;磁傳感器內安裝有偏振片,用于將堿金屬光轉換為泵浦光;磁傳感器的兩端均安裝有反射鏡,從而在磁傳感器內腔形成雙向反射通道,泵浦光沿雙向反射通道反復泵浦堿金屬蒸汽原子,以發生光泵效應;光電探測器固定在磁傳感器靠近磁力儀主機的一端,用于檢測含有拉莫頻率的光信號,并將其轉為電信號,通過電纜傳輸至磁力儀主機,實現對外磁場的測量。

    7.作為進一步的技術方案,所述磁傳感器的外壁與探頭外罩的內壁之間填充有保溫層。

    8.作為進一步的技術方案,所述管狀結構為玻璃外套管,玻璃外套管套設在磁共振玻璃管外周;磁共振玻璃管具有梨形端和柱形端;玻璃外套管的一端與磁共振玻璃管的梨形端外壁焊接密封,玻璃外套管的另一端與磁共振玻璃管的柱形端口部焊接密封。

    9.作為進一步的技術方案,所述磁共振玻璃管的梨形端密封焊接有球面反射鏡,平面反射鏡焊接密封在磁共振玻璃管的柱形端口部。

    10.作為進一步的技術方案,偏振片固定在磁共振玻璃管內,光電探測器固定在平面反射鏡上;磁共振玻璃管內充入堿金屬和緩沖氣體,在磁共振玻璃管內形成磁共振腔。

    11.作為進一步的技術方案,所述磁力儀主機通過對外接口模塊與外部設備電連接,實現供電和通信。

    12.作為進一步的技術方案,所述磁力儀主機還包括高頻激勵模塊,高頻激勵模塊的一端與對外接口模塊電連接,高頻激勵模塊的另一端通過電纜連接電極,用于提供可調諧、高頻激勵功率。

    13.作為進一步的技術方案,所述磁力儀主機還包括信號處理模塊和主控模塊,信號處理模塊的一端通過電纜與光電探測器電連接,用于接收拉莫頻率電信號,信號處理模塊的另一端與主控模塊電連接,用于輸出模擬或者ttl頻率信號;主控模塊將接收到的信號轉化成磁場值并輸出至對外接口模塊。

    14.作為進一步的技術方案,所述磁力儀主機還包括溫控模塊,溫控模塊的一端通過電纜分別與線圈和加熱絲電連接,用于控制加熱絲的加熱溫度和線圈的電流大小,溫控模塊的另一端與對外接口模塊電連接。

    15.本實用新型的有益效果為:

    16.1、采用泵浦光波長自鎖技術方案,可克服光泵磁力儀光泵探頭內泵源光譜較寬,光泵效應較弱、光噪聲較大的不足;

    17.2、采用光軸雙向泵浦方式,可增加堿金屬原子的泵浦幾率,可克服磁傳感器尺寸縮小,磁共振信號下降,磁力儀性能下降的不足;

    18.3、采用光泵源與原子吸收室一體化設計,將有助于光泵探頭結構及附屬電路的簡化;

    19.4、具有體積小、靈敏度較強等優點,可廣泛應用各領域的磁法測量任務。

    附圖說明

    20.圖1為本實用新型的結構示意圖。

    21.圖2為探頭的結構示意圖。

    22.圖3為磁傳感器的結構示意圖。

    23.圖4為磁力儀主機的結構示意圖。

    24.附圖標記說明:探頭1、電纜2、磁力儀主機3、磁傳感器4、線圈5、電極6、保溫層7、加熱絲8、球面反射鏡9、偏振片10、磁共振玻璃管11、玻璃外套管12、平面反射鏡13、光電探測器14、高頻激勵模塊15、信號處理模塊16、溫控模塊17、主控模塊18、對外接口模塊19、探頭外罩20。

    具體實施方式

    25.下面將結合附圖對本實用新型做詳細的介紹:

    26.實施例:如附圖1~4所示,這種新型堿金屬光泵磁力儀,包括探頭1、磁力儀主機3和磁傳感器4,所述探頭1通過電纜2與磁力儀主機3電連接;探頭1包括探頭外罩20,探頭外罩20的內腔置入磁傳感器4,磁傳感器4外周環繞設置線圈5,線圈5通過電纜2與磁力儀主機3電連接,用于對磁傳感器4施加拉莫爾信號射頻場;磁傳感器4為兩端封閉的管狀結構,磁傳感器4內填充有堿金屬,磁傳感器4的外壁上均勻纏繞有加熱絲8,用于加熱堿金屬至氣態,加熱絲8與電纜2電連接實現供電;電極6的一端連接電纜2,電極6的另一端插入磁傳感器4內,用于高頻激勵堿金屬蒸汽,使堿金屬蒸汽發光;磁傳感器4內安裝有偏振片10,用于將堿金屬光轉換為泵浦光;磁傳感器4的兩端均安裝有反射鏡,從而在磁傳感器4內腔形成雙向反射通道,泵浦光沿雙向反射通道反復泵浦堿金屬蒸汽原子,以發生光泵效應;光電探測器14固定在磁傳感器4靠近磁力儀主機3的一端,用于檢測含有拉莫頻率的光信號,并將其轉為電信號,通過電纜2傳輸至磁力儀主機3,實現對外磁場的測量。

    27.進一步地,如圖3所示,管狀結構為玻璃外套管12,玻璃外套管12套設在磁共振玻璃管11外周;磁共振玻璃管11具有梨形端和柱形端;玻璃外套管12的一端與磁共振玻璃管11的梨形端外壁焊接密封,玻璃外套管12的另一端與磁共振玻璃管11的柱形端口部焊接密封。磁共振玻璃管11的梨形端密封焊接有球面反射鏡9,平面反射鏡13焊接密封在磁共振玻璃管11的柱形端口部。偏振片10固定在磁共振玻璃管11內,光電探測器14固定在平面反射鏡13上;磁共振玻璃管11內充入堿金屬和緩沖氣體,在磁共振玻璃管11內形成磁共振腔。

    28.進一步地,如圖4所示,磁力儀主機3通過對外接口模塊19與外部設備電連接,實現供電和通信。磁力儀主機3還包括高頻激勵模塊15、信號處理模塊16、溫控模塊17和主控模塊18,高頻激勵模塊15的一端與對外接口模塊19電連接,高頻激勵模塊15的另一端通過電纜2連接電極6,用于提供可調諧、高頻激勵功率。信號處理模塊16的一端通過電纜2與光電探測器14電連接,用于接收拉莫頻率電信號,信號處理模塊16的另一端與主控模塊18電連接,用于輸出模擬或者ttl頻率信號;主控模塊18將接收到的信號轉化成磁場值并輸出至對外接口模塊19。溫控模塊17的一端通過電纜2分別與線圈5和加熱絲8電連接,用于控制加熱絲8的加熱溫度和線圈5的電流大小,溫控模塊17的另一端與對外接口模塊19電連接。

    29.優選地,參考附圖2,磁傳感器4的外壁(即玻璃外套管12)與探頭外罩20的內壁之間填充有保溫層7。阻擋磁傳感器4內部加熱傳到外面,避免受外界溫度影響。

    30.本實用新型的工作原理:本實用新型是自激式的堿金屬光泵磁力儀,在緩充氣體及高頻激勵的影響下磁共振玻璃管11內的堿金屬發光,在偏振片10的作用下,形成偏振光泵浦光。泵浦光在球面反射鏡9、平面反射鏡13之間往返泵浦堿金屬原子(以銫原子為例)。當磁傳感器4的外周的線圈5在磁共振玻璃管11內(即磁共振腔)產生的射頻場的頻率與外磁場在銫原子能級躍遷產生的拉莫爾頻率相一致時,在移相器的作用下,銫光泵磁力儀光泵探頭產生自激現象。銫原子在磁共振腔內發生磁共振現象,原子躍遷的拉莫爾頻率信號由光電探測器14采集并傳輸至磁力儀主機3,磁力儀主機3的信號處理模塊16接收拉莫頻率電信號,并輸出模擬或者ttl頻率信號給主控模塊18,主控模塊18將接收到的信號轉化成磁場值并輸出至對外接口模塊19。在實際使用中,當線圈5產生的頻率和拉莫爾頻率一致才能產生磁共振,但并不能形成自激。需對接收拉莫爾頻率信號移相才能實現自激。此時,通過對該拉莫爾頻率進行計數,代入拉莫爾頻率與外磁場的關系式就可以推導出光泵磁力儀所處位置的磁場值。

    31.可以理解的是,對本領域技術人員來說,對本實用新型的技術方案及實用新型構思加以等同替換或改變都應屬于本實用新型所附的權利要求的保護范圍。技術特征:

    1.一種新型堿金屬光泵磁力儀,其特征在于:包括探頭(1)、磁力儀主機(3)和磁傳感器(4),所述探頭(1)通過電纜(2)與磁力儀主機(3)電連接;探頭(1)包括探頭外罩(20),探頭外罩(20)的內腔置入磁傳感器(4),磁傳感器(4)外周環繞設置線圈(5),線圈(5)通過電纜(2)與磁力儀主機(3)電連接,用于對磁傳感器(4)施加拉莫爾信號射頻場;磁傳感器(4)為兩端封閉的管狀結構,磁傳感器(4)內填充有堿金屬,磁傳感器(4)的外壁上均勻纏繞有加熱絲(8),用于加熱堿金屬至氣態,加熱絲(8)與電纜(2)電連接實現供電;電極(6)的一端連接電纜(2),電極(6)的另一端插入磁傳感器(4)內,用于高頻激勵堿金屬蒸汽,使堿金屬蒸汽發光;磁傳感器(4)內安裝有偏振片(10),用于將堿金屬光轉換為泵浦光;磁傳感器(4)的兩端均安裝有反射鏡,從而在磁傳感器(4)內腔形成雙向反射通道,泵浦光沿雙向反射通道反復泵浦堿金屬蒸汽原子,以發生光泵效應;光電探測器(14)固定在磁傳感器(4)靠近磁力儀主機(3)的一端,用于檢測含有拉莫頻率的光信號,并將其轉為電信號,通過電纜(2)傳輸至磁力儀主機(3),實現對外磁場的測量。2.根據權利要求1所述的新型堿金屬光泵磁力儀,其特征在于:所述磁傳感器(4)的外壁與探頭外罩(20)的內壁之間填充有保溫層(7)。3.根據權利要求1所述的新型堿金屬光泵磁力儀,其特征在于:所述管狀結構為玻璃外套管(12),玻璃外套管(12)套設在磁共振玻璃管(11)外周;磁共振玻璃管(11)具有梨形端和柱形端;玻璃外套管(12)的一端與磁共振玻璃管(11)的梨形端外壁焊接密封,玻璃外套管(12)的另一端與磁共振玻璃管(11)的柱形端口部焊接密封。4.根據權利要求3所述的新型堿金屬光泵磁力儀,其特征在于:所述磁共振玻璃管(11)的梨形端密封焊接有球面反射鏡(9),平面反射鏡(13)焊接密封在磁共振玻璃管(11)的柱形端口部。5.根據權利要求4所述的新型堿金屬光泵磁力儀,其特征在于:偏振片(10)固定在磁共振玻璃管(11)內,光電探測器(14)固定在平面反射鏡(13)上;磁共振玻璃管(11)內充入堿金屬和緩沖氣體,在磁共振玻璃管(11)內形成磁共振腔。6.根據權利要求1所述的新型堿金屬光泵磁力儀,其特征在于:所述磁力儀主機(3)通過對外接口模塊(19)與外部設備電連接,實現供電和通信。7.根據權利要求6所述的新型堿金屬光泵磁力儀,其特征在于:所述磁力儀主機(3)還包括高頻激勵模塊(15),高頻激勵模塊(15)的一端與對外接口模塊(19)電連接,高頻激勵模塊(15)的另一端通過電纜(2)連接電極(6),用于提供可調諧、高頻激勵功率。8.根據權利要求6所述的新型堿金屬光泵磁力儀,其特征在于:所述磁力儀主機(3)還包括信號處理模塊(16)和主控模塊(18),信號處理模塊(16)的一端通過電纜(2)與光電探測器(14)電連接,用于接收拉莫頻率電信號,信號處理模塊(16)的另一端與主控模塊(18)電連接,用于輸出模擬或者ttl頻率信號;主控模塊(18)將接收到的信號轉化成磁場值并輸出至對外接口模塊(19)。9.根據權利要求6所述的新型堿金屬光泵磁力儀,其特征在于:所述磁力儀主機(3)還包括溫控模塊(17),溫控模塊(17)的一端通過電纜(2)分別與線圈(5)和加熱絲(8)電連接,用于控制加熱絲(8)的加熱溫度和線圈(5)的電流大小,溫控模塊(17)的另一端與對外接口模塊(19)電連接。

    技術總結

    本實用新型公開了一種新型堿金屬光泵磁力儀,涉及磁法測量領域。本實用新型創造性的設計出單波長反射腔,從而實現泵浦光波長自鎖、單軸雙向泵浦。本光泵磁力儀探頭具備較強的光泵效應,其磁共振信號高于傳統結構磁力儀探頭,同時磁力儀靈敏度更高。同時本結構簡化了光泵磁力儀泵燈與原子吸收室結構,實現泵源與原子吸收室一體化。在不降低磁力儀性能的前提下,簡化了光泵探頭結構及附屬電路,有助于光泵探頭小型化。本實用新型具有技術難度低、生產成本低廉的優勢,可滿足光泵探頭小型化的現實要求,具有實用性。具有實用性。具有實用性。

    技術研發人員:黃成功 周波 顧建松

    受保護的技術使用者:中國船舶重工集團公司第七一五研究所

    技術研發日:2021.05.28

    技術公布日:2022/1/4
    聲明:
    “新型堿金屬光泵磁力儀的制作方法” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究,如用于商業用途,請聯系該技術所有人。
    我是此專利(論文)的發明人(作者)
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