【摘要】：從戰(zhàn)國時期僅能指明方向的司南,到近些年來最靈敏的超導量子干涉儀等,人們研制與發(fā)展超高靈敏度的磁力計的腳步從未停止。超靈敏原子磁力計是一種測量光泵后的堿金屬原子蒸氣在磁場中的拉莫爾進動來對微弱磁場進行測量的儀器裝置。這種原子磁力計在靈敏度上可以與超導量子干涉儀相媲美,但無需超低溫液體來維持儀器的超導狀態(tài),因此,堿金屬原子磁力計具有超高靈敏度、低成本、可小型化等特點。本文設計并優(yōu)化了泵浦-探測構(gòu)型的Rb原子磁力計,實現(xiàn)了優(yōu)于20 fT/Hz~(1/2)的靈敏度。本文成果如下:(1)設計和實現(xiàn)了主被動磁屏蔽系統(tǒng)。被動磁屏蔽是由高磁導率坡莫合金制作的高屏蔽系數(shù)的磁屏蔽罩,理論上磁屏蔽系數(shù)為10~8,實際內(nèi)部剩余磁場低于1 nT;主動磁屏蔽為高均勻度的勻場線圈,軸向不均勻度低于千分之一。(2)設計與實現(xiàn)了泵浦-探測構(gòu)型的光路系統(tǒng)和基于堿金屬原子飽和吸收譜的鎖頻系統(tǒng)。(3)設計與加工了加熱爐與磁屏蔽內(nèi)部支撐,方形的Rb原子蒸氣室放置于加熱爐的中心,雙絞的加熱絲繞于加熱爐的表面。利用高頻交流電加熱和PID反饋方式實現(xiàn)了加熱和溫度控制,控溫精度0.1℃。(4)優(yōu)化激光參數(shù)和工作溫度,提高磁場信號的響應幅度和信噪比,優(yōu)化磁力計靈敏度。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM936
【圖文】：

圖 1-1 環(huán)境磁場和人體產(chǎn)生磁場的范圍磁場測量是一種應用十分廣泛的技術(shù)，據(jù)《古礦錄》中記載，早在戰(zhàn)國有利用天然磁鐵制作的司南指示方向的記錄。到了現(xiàn)代，磁場測量的最主要集中在地質(zhì)研究[1]、考古[2]、天然氣與石油的檢測、鐵磁性礦產(chǎn)勘查[3]等方面從17世紀開始，便有了利用磁性羅盤來探測鐵磁性礦石的記錄。1832年，

因此該能級總電子角動量量子數(shù)具有精細結(jié)構(gòu) J，這里我們使用標準光譜表示法，上標表示自旋多重態(tài) 2S+1J。因此基態(tài)可以寫作 ，第一激發(fā)態(tài)寫作 和 。能級之間的躍遷分別稱為 D1 躍遷和 D2 躍遷。金屬原子同位素都有不同的核自旋 I，因此，電子自旋和原子用會產(chǎn)生超精細能級結(jié)構(gòu)。堿金屬原子的如圖所示。根據(jù) W角動量矢量 J 必須與總原子角動量矢量 F 平行，因此測量電上等于確定原子自旋向量的方向，反之亦然。 和 能F=I±1/2。例如， 裂分成 F=I+1/2 和 F=I-1/2 兩個能級， {I-3/2，I-1/2，I+1/2，I+3/2}四個能級。堿金屬原子的基態(tài)和與超精細結(jié)構(gòu)能級示意圖如圖所示。

圖 2-2 Rb 原子精細結(jié)構(gòu)在磁場中的塞曼效應力計的信號幅度通常與堿金屬蒸氣的極化度正相關。因此，要非常大的原子極化度。在通常熱平衡的狀態(tài)下，原子的極12tanh( )s BtherBg BPk T 是電子的朗道 g 因子， t JT是玻爾磁矩，B 玻爾茲曼常數(shù)，T 為開爾文溫度。舉例來說，在室溫下，地中的熱極化度僅為 ，在 10 T 的磁場中熱極化度僅為 0測到磁力計信號。通過光泵的方式，將光子的角動量轉(zhuǎn)移給生約為 1 的極化度。

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