[发明专利]一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁场测量装置和方法，具体而言，涉及一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法，属于磁场测量技术领域。

背景技术

磁场测量可用于导航定位、目标探测、地球物理研究、油气和矿产勘查、医学诊断、地质调查及考古研究等领域。目前对微弱磁场矢量的测量大都采用三轴磁通门磁力仪、超导磁力仪和外加三轴磁场的质子磁力仪。三轴磁通门磁力仪存在铁芯聚磁、三轴互相耦合、电路零点漂移等误差，其测量精度和分辨率都不高。超导磁力仪成熟度低、所需的低温制冷系统使得其维护成本高，体积庞大、无法大范围普及应用。

因此，迫切需要一种新的技术手段来解决以上问题，基于相干粒子数俘获(Coherent Population Trapping，CPT)效应的原子磁力仪通过检测激光与原子作用后的透射光谱来实现对磁场的测量，具有精度高、体积小、功耗低的优点。将高精度原子磁力仪用于地磁矢量测量，能够为科学研究和工程应用提供一种高精度、高稳定性的磁场矢量测量手段。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法，降低了磁力仪的体积和功耗，提高了测量精度，并可根据应用需求在标量和矢量两种模式间切换。

本发明的技术方案是：一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置，其特征在于：包括物理探头和主机系统；所述物理探头提供磁场感应部分，包括输入光纤、第一透镜、四分之一波片、第一直角棱镜、原子样品池、亥姆霍兹线圈、第二直角棱镜、第二透镜和输出光纤；所述主机系统包括激光光源和控制系统；

激光光源发出的线偏振光由输入光纤传播到物理探头，在物理探头内部依次经过第一透镜、四分之一波片和第一直角棱镜转为圆偏振的平行光后，沿Z轴方向入射原子样品池；在原子样品池内激光与原子相互作用，实现相干粒子数俘获效应，出射光束由第二直角棱镜反射再经过第二透镜聚焦耦合进入输出光纤，由输出光纤再传回控制系统，控制系统采集并处理带有待测磁场信息的信号，完成磁场矢量测量功能；所述输入光纤、第一透镜、四分之一波片、第一直角棱镜、原子样品池、第二直角棱镜、第二透镜和输出光纤的中心轴线在X-Z平面内；

所述物理探头内部加入一组亥姆霍兹线圈，通过给亥姆霍兹线圈通电流产生与激光传播方向成45度夹角的偏置磁场，定义正电流产生的偏置磁场方向与X轴和Z轴正方向成45度夹角，初始产生的偏置磁场在X-Z平面内；所述亥姆霍兹线圈通过转动机构绕Z轴旋转，产生Y-Z平面内的偏置磁场；所述X-Y-Z轴的定义如下：第二直角棱镜和第二透镜的中心轴线定义为X轴，激光在原子样品池中的传播反方向定义为Z轴，Y轴垂直于X-Z平面，指向纸面外。

利用一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置进行测量的方法，其特征在于步骤如下：

(1)设置所述亥姆霍兹线圈内的电流值为零，测量此时的待测磁场大小为B；

(2)扫描亥姆霍兹线圈内电流值，范围-I_max～I_max，判断相干粒子数俘获效应产生的中间峰幅度；当中间峰幅度为零时，产生偏置磁场的Z轴分量与待测磁场的Z轴分量相抵消，记录此时所述亥姆霍兹线圈内电流值为I_set，对应的偏置磁场为其中B₀为偏置磁场的标量大小，计算获得待测磁场的Z轴分量为

(3)保持亥姆霍兹线圈内电流值为I_set不变，测得此时待测磁场与偏置磁场合成的总磁场大小为B₁，计算得出待测磁场的X轴分量

(4)保持亥姆霍兹线圈内电流值为I_set不变，将亥姆霍兹线圈绕Z轴沿顺时针旋转90度，则偏置磁场位于Y-Z平面内，测得此时待测磁场与偏置磁场合成的总磁场大小为B₂，计算获得待测磁场的Y轴分量

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明只需在原子样品池周围安装一组亥姆霍兹线圈，从而有效减小测磁装置传感部分的体积。

(2)本发明不存在三轴垂直度误差，提高矢量磁力仪的测量精度。

(3)本发明采用激光作为干涉光源，激光的窄线宽特性和消多普勒效应，确保此装置具有pT量级的精度。

(4)本发明的矢量测磁方法简单，能够实现较快速度测量。

附图说明

图1是本发明的物理探头结构图；

图2是本发明实施例的磁场矢量测量流程图；

图3是偏置磁场在X-Z平面内的分解图；