[发明专利]跟踪式氦(He4)光泵磁力仪

说明书

本发明是一种检测地球磁场变化的仪器。

利用“光泵”技术构成磁力仪是卡斯特拉（Kastlar）于1956年提出来的（“Optical    methode    of    atomic    orcentation    and    of    magnetic    resonance”J.opti，soc，Am，47，4.60-4.65）。

根据这一原理，美国德克萨斯（Texas）仪器公司于1967年制作了跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪。（A.R.Keyser，J.A.Rice，L.D.Schearer“Ametastable Helium magnetometer for observing small geomagnetic fluctuations”）。从设计摘要（Bernard Kovit“Ulra-Precise magnetometer for underser or spece”DESIGN DIGEST 1961）可知其基本工作原理。

由高频功率源、氦灯、凸镜、圆偏振片、绕有共振线圈的吸收室及光电检测器组成的探头，是产生光泵作用，提供误差讯号的部件。其讯噪比的高低，是决定仪器灵敏度的关键所在。

由共振线圈（射频磁场线圈）、吸收室、光电检测器、相敏检波器及压控振荡器组成了跟踪环路。要使仪器进入自动跟踪，探头必须输出具有一定幅度的基频误差讯号（调制频率）。由于在跟踪区域附近，基频误差讯号与外磁场的关系如图1之1所示。一旦当外磁场的变化超出了磁共振的正常跟踪区域3，基频误差讯号就变得很小而使仪器不能正常跟踪。这对需要以较快速率进行连续测量和采样的系统将是不适应的。由跟踪原理可知，被测磁场值Hr可用跟踪状态下的共振频率fr即拉莫尔频率（Larmar）来表示，用计数脉冲来表示的显示灵敏度S由式（1）确定：

S＝ 2/(rpmT) （1）

式中rp为氦（He⁴）光泵磁力仪的旋磁比，约28Hz/nT。

m为提高显示灵敏度，对共振频率fr进行倍频的倍频数。

T为每次采样的周期（秒）。

为在快速采样中提高仪器的显示灵敏度，需要对共振频率fr进行高次倍频（日本专利昭和-55-151275）后再进入计数器。这种方法在频率较高而且需要变化范围较大的情况下，其电路是比较复杂而且可靠性不高。

基于上述跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪的原理和已有技术，本发明提供一种跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，其目的在于：

（1）为尽可能提高仪器的灵敏度，对探头中的高频激励系统、氦灯、吸收室周围的射频磁场和调制磁场提出了新的设计，从提高探头的讯噪比以提高仪器的灵敏度。

（2）利用误差讯号中存在的二倍频误差讯号幅值变化的特点如图1中之2，提供了能在大的外磁场变化速率时具有快速跟踪的自动控制、防止失踪能力的电路。

（3）利用跟踪环路自身对射频共振磁场的频率进行了高次锁定倍频，以提高被测磁场的显示灵敏度。

本发明根据上述三点提供的跟踪式氦（He⁴）光泵磁力仪，由高频功率激励系统（4-9）、光学系统（10-19）、吸收室磁场系统（18、19）所组成的探头及跟踪环路系统所组成。如图2及图3所示。

高频振荡器4产生高频电压，经变压器5供功率放大器6以提高输出功率，再通过变压器7输出经传输电缆传到调谐回路8以激励氦灯10并以激励电极9激发吸收室14。

氦灯10被激励后发出1.083μm的光经凸镜11形成平行光，通过偏振片12及1/4波长片13变成圆偏振光，此光射至吸收室14在外磁场Hr的作用下产生光泵作用。吸收室14周围绕有提供射频磁场的线圈18和产生调制磁场的线圈19在吸收室14内所产生的磁场与之产生磁共振。磁共振使通过吸收室14的光线最弱。此光线经凸镜15聚焦于光敏器件16产生带调制的光电流。该光电流即以调制场频率输出误差讯号，经前置放大器17放大和经传输电缆20进入仪器主体的基频误差讯号选频放大器21。经选频放大后的基频误差讯号在相敏检测器22解调检波产生直流控制电压，此电压经可控滤波器23抑制较高频率的噪声后控制压控振荡器24的振荡频率fv，此频率供计数器进行计数以显示外磁场的强度值Hr。另外此频率经可予置分频器25分频m次，得到频率为fr的拉莫尔频率（fr＝fv/m），供给射频磁场线圈18，从而形成了跟踪环路，使压控振荡器24，提供的频率能自动跟踪外磁场Hr的变化。