【摘要】：磁場(chǎng)是一種既看不見又摸不著而又在我們的生活中無(wú)處不在的特殊物質(zhì),也影響改變著我們的生活,因此各國(guó)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)磁場(chǎng)的精密測(cè)量方法展開了深入的研究。原子磁力儀憑借其高靈敏度的特點(diǎn)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外各研究團(tuán)隊(duì)的重點(diǎn)。原子磁力儀中的光泵磁力儀憑借其體積小,靈敏度高的特點(diǎn)應(yīng)用廣泛,近年來(lái)得到快速發(fā)展與研究。我國(guó)雖然研究起步晚,但是經(jīng)過(guò)多年的研究也取得了一定的成果,縮短了與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。但是對(duì)于自激振蕩式的光泵磁力儀,我國(guó)各研究團(tuán)隊(duì)研究較少,研究成果與國(guó)外相比有一定差距。在自激式光泵原子磁力儀中自激反饋回路是其最關(guān)鍵的部位之一。整個(gè)反饋回路由射頻線圈激勵(lì)源,光電轉(zhuǎn)化電路和信號(hào)放大移相反饋電路構(gòu)成,其中線圈激勵(lì)源需要在大頻率范圍內(nèi)為射頻線圈提供穩(wěn)定的能量,信號(hào)放大移相反饋電路同樣需要在寬的信號(hào)頻率范圍內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)的相位提供穩(wěn)定的90°相位延遲。但是目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少,相關(guān)研究中的反饋移相回路移相精度不高、穩(wěn)定性不好、反饋系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜不利于調(diào)試且成本高昂。因此本文以自激式銫光泵原子磁力儀為研究對(duì)象,研究一種由低成本,高穩(wěn)定性的射頻線圈激勵(lì)源和寬工作頻率的信號(hào)放大移相反饋回路構(gòu)成的自激式銫光泵磁力儀。本研究中主要以銫原子為自激式磁力儀工作物質(zhì),從對(duì)光泵磁力儀基本物理原理研究入手,分析研究了自激式光泵磁力儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)以及光學(xué)信號(hào)特點(diǎn),完成自激式磁力儀光學(xué)系統(tǒng)搭建并測(cè)試。根據(jù)磁力儀中銫原子氣室的規(guī)格,設(shè)計(jì)了亥姆霍茲線圈及其恒流驅(qū)動(dòng)源,該驅(qū)動(dòng)源在信號(hào)頻率為1kHz至1MHz范圍內(nèi)輸出電流誤差不超過(guò)0.5mA;再根據(jù)自激式磁力儀中光學(xué)信號(hào)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了信號(hào)放大移相反饋回路,反饋回路在信號(hào)頻率20kHz至360kHz范圍內(nèi)信號(hào)移相最大誤差不超過(guò)2.9°,在220kHz信號(hào)頻率以下最小誤差僅為0.07°。最后將整體反饋回路與磁力儀光學(xué)結(jié)構(gòu)結(jié)合,完成整個(gè)自激式銫光泵原子磁力儀系統(tǒng)搭建,并對(duì)在不同磁場(chǎng)環(huán)境下的磁力儀系統(tǒng)所測(cè)得的磁共振信號(hào)頻率值進(jìn)行了測(cè)量和分析。
【圖文】：

明了第一個(gè)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的裝置, 該裝置由懸掛在空氣中的棒著科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)世界認(rèn)識(shí)的不斷深入，對(duì)磁場(chǎng)探測(cè)的探測(cè)精度和靈敏度的要求也不斷提高，并隨著人們對(duì)光磁共振、應(yīng)以及原子物理的深入研究，制造出了更多種類的磁探測(cè)裝置可以發(fā)現(xiàn)所有的磁探測(cè)裝置都可以分為兩個(gè)主要類別，即經(jīng)典測(cè)裝置。經(jīng)典探測(cè)裝置基于傳統(tǒng)電磁原理，如懸浮在細(xì)線上的磁等。原子探測(cè)裝置主要分為兩種類型：基于約瑟夫森效應(yīng)的超導(dǎo)SQUID）和基于原子極化或核磁共振效應(yīng)的原子磁力儀。原子磁化法和 Overhauser 效應(yīng)法的質(zhì)子磁力儀[3]-[5]是工作原理最為簡(jiǎn)種；堿金屬光泵原子磁力儀是當(dāng)中最先進(jìn)的一種磁力儀，基于塞能級(jí)躍遷極化；基于銫、銣、氦元素的堿金屬磁力儀是目前研究光泵原子磁力儀；鉀光泵原子磁力儀由于其譜線寬、譜線間沒有的特點(diǎn)具有更高的靈敏度和絕對(duì)精度，靈敏度極限可達(dá)10fT 0.1nT[6]-[8]，但是目前并未有成熟的產(chǎn)品，也是將來(lái)磁力儀發(fā)展對(duì)象�；诓煌瑴y(cè)量原理的磁探測(cè)裝置分類如圖 1.1 所示。

3.1 自激式銫光泵磁力儀系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)銫光泵磁力儀基于光泵作用和磁共振基本原理，，需要將氣室內(nèi)的銫原子通過(guò)光泵浦作用集中在磁量子數(shù) =+4Fm 的塞曼子能級(jí)上實(shí)現(xiàn)原子極化，再通過(guò)磁共振作用打亂極化后的銫原子塞曼子能級(jí)分布，需要通過(guò)檢測(cè)磁共振的頻率來(lái)計(jì)算外界待測(cè)磁場(chǎng)大小，如何檢測(cè)磁共振是否發(fā)生是其中的關(guān)鍵。在自激式光泵磁力儀中發(fā)生磁共振時(shí)候探測(cè)到的光強(qiáng)將成與磁共振頻率相同頻率的正弦變化，因此為提高測(cè)量信號(hào)的信噪比，需要將磁力儀中將氣室內(nèi)銫原子的相鄰塞曼子能級(jí)之間的能量變換轉(zhuǎn)換為透射光強(qiáng)的變化并測(cè)量，通過(guò)光強(qiáng)信號(hào)變化的頻率來(lái)測(cè)得磁共振信號(hào)的頻率。在第二章中從理論上分析了自激式光泵磁力儀的基本原理，在自激式光泵磁力儀中當(dāng)外加射頻磁場(chǎng)rfB 方向與光路方向平行，待測(cè)磁場(chǎng)0B 在光路垂直的方向上時(shí)光電探測(cè)器測(cè)得的光信號(hào)的相位將超前射頻信號(hào)相位 90°，因此可以將光信號(hào)放大移相后反饋到射頻線圈構(gòu)成自激振蕩回路，如圖 3.1 所示。
【學(xué)位授予單位】：重慶師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH89

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本文編號(hào)：2620304