CN111060853A - 基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电子顺磁共振‑核磁共振三维磁场原位测量方法，包括下述步骤：步骤一：加热；步骤二：极化；步骤三：电子顺磁共振和核磁共振；步骤四：三维磁场原位测量。本发明的有益效果在于：其主要优势在于提高核磁共振陀螺中被动磁屏蔽后剩余磁场测量的灵敏度与精度，且测量的磁场的敏感源与测量角运动的敏感源共处同一原子气室，是核自旋感受的真实磁场，提高主动磁补偿精度，进而提升陀螺的零偏稳定性。同时，基于该方法构建的原子磁强计可以工作在地磁场环境下，实现高的的灵敏度与精度，可应用在磁异常探测、地磁导航、深空探测等领域。
Description
技术领域
本发明属于磁场测量方法，具体涉及一种基于电子顺磁共振-核磁共振三维磁场原位测量方法。
背景技术
核磁共振陀螺基于原子操控技术的前沿研究进展，具有高精度、小体积等综合优势，是未来高精度、微小型陀螺技术的主要发展方向之一。核磁共振陀螺需要屏蔽环境磁场，隔离磁场对核自旋进动测量的影响。一般采用“基于高导磁材料的被动磁屏蔽+基于三维磁场测量的主动磁补偿”方案实现。被动磁屏蔽一般仅能实现105～106的磁场衰减系数，在此基础上的进一步磁场衰减，需要进行三维磁场测量剩余磁场再进行主动补偿。目前的三维磁场测量灵敏度与精度较低，且磁场测量探头与原子气室不在同一位置，测量的磁场并不是核自旋真实感受的剩余磁场，这两种因素限制主动磁补偿精度的提升。随着核磁共振陀螺向高精度发展，急需高精度的三维磁场原位测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电子顺磁共振-核磁共振三维磁场原位测量方法，它能够解决现有技术的缺陷。
本发明的技术方案如下：基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法，包括下述步骤：
步骤一：加热；
步骤二：极化；
步骤三：电子顺磁共振和核磁共振；
步骤四：三维磁场原位测量。
所述的步骤一中将原子气室加热至120℃以上，用于增加原子密度，所述的原子气室12内部包含用于敏感磁场的惰性气体的两种核自旋和碱金属原子的电子自旋，以及辅助功能气体原子N2，其中惰性气体核自旋原子如氦3、氖21、氪83、氙129、氙131中的两种。
所述的步骤二包括一束驱动激光依次通过三维线圈垂直射入原子气室的一个面，用于极化铯原子的电子自旋和氙129原子与氙131原子核自旋。
所述的驱动激光的光源波长选择为铯原子的电子自旋的D1线。
所述的步骤三包括另一束检测激光从驱动激光入射面的邻面垂直入射原子气室，用于检测原子自旋，定义其入射方向为X轴方向；根据右手法则定义Y轴方向，建立XYZ直角坐标系，通过电流源在三维线圈Z轴方向施加交流激励磁场和直流主磁场，使铯原子的电子自旋发生顺磁共振，在X轴方向施加两个交流激励磁场，使氙129原子与氙131原子两种核自旋发生核磁共振。
所述的步骤四包括检测激光通过起偏器进入原子气室，检测到极化率P与X轴方向磁场Bx和Y轴方向By满足以下关系
将光电探测器接收的信号输入到锁相放大器，提取锁相放大输出一倍频信号的同相相位信号和和正交相位信号，输入到低通滤波器和低通滤波器，通过调节电流源在三维线圈X轴方向和Y轴方向施加的直流磁场，使得锁相放大输出一倍频信号的同相相位信号和和正交相位信号经低通滤波器和低通滤波器为零，此时在三维线圈X轴方向和Y轴方向施加的直流磁场X轴方向磁场Bx和Y轴方向磁场By，
将光电探测器接受的信号输入到低通滤波器，采用频率计提取系统观测的核磁共振频率ω129Xe与ω131Xe，将光电探测器接受的信号输入到低通滤波器，采用频率计提取系统观测的核磁共振频率ω129Xe与ω131Xe，具有关系式：
其中，ωL_129Xe与ωL_131Xe对应氙129原子与氙131原子核自旋在惯性空间固有的磁共振频率：
联合上述两个方程，可以获得Bz的表达式：
用于测量三维磁场的原子气室与敏感角运动的原子气室为同一个原子气室。
所述铯原子的电子自旋顺磁共振通过电流源在三维线圈Z轴方向施加交流激励磁场Bc和直流主磁场B0，使交流磁场激励频率等于铯原子的电子自旋固有拉莫尔进动频率，所述的氙129原子与氙131原子两种核自旋的核磁共振，是通过在X轴方向施加两个交流激励磁场B-129Xe与B-131Xe，激励频率分别等于两种核自旋的固有拉莫尔进动频率。
所述的X轴方向磁场和Y轴方向磁场信息正比于电子顺磁共振一倍频信号的同相相位信号和正交相位信号。
所述的直流主磁场幅值大小在几千纳特到几万纳特，交流激励磁场幅值要远小于直流主磁场，是直流主磁场的十分之一或百分之一
本发明的有益效果在于：其主要优势在于提高核磁共振陀螺中被动磁屏蔽后剩余磁场测量的灵敏度与精度，且测量的磁场的敏感源与测量角运动的敏感源共处同一原子气室，是核自旋感受的真实磁场，提高主动磁补偿精度，进而提升陀螺的零偏稳定性。同时，基于该方法构建的原子磁强计可以工作在地磁场环境下，实现高的的灵敏度与精度，可应用在磁异常探测、地磁导航、深空探测等领域。
附图说明
图1为本发明的一种基于电子顺磁共振-核磁共振三维磁场原位测量方法的示意图。
图中：1驱动激光、2电流源、4频率计、5高通滤波器、6锁相放大器、7光电探测器、8低通滤波器、9低通滤波器、10PID控制器、11PID控制器、11PID控制器、12原子气室、13三维线圈、14检测激光。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一种基于电子顺磁共振-核磁共振三维磁场原位测量方法，包括下述步骤：
步骤一：加热
将原子气室12加热至120℃以上，用于增加原子密度。所述的原子气室12内部包含用于敏感磁场的惰性气体的两种核自旋和碱金属原子的电子自旋，以及辅助功能气体原子N2。其中惰性气体核自旋原子如氦3、氖21、氪83、氙129、氙131中的两种，本实施例中为氙129原子与氙131原子，碱金属原子如钾、铷、铯，本实施例为铯原子。
步骤二：极化
一束驱动激光1垂直射入原子气室12的一个面，并定义其入射方向为Z轴正向，用于极化碱金属原子(本实施例为铯原子)的电子自旋和惰性气体核自旋原子(本实施例为氙129原子与氙131原子)。
所述的驱动激光1的光源波长选择为铯原子的电子自旋的D1线。
步骤三：电子顺磁共振和核磁共振
一束检测激光14从驱动激光1入射面的邻面垂直入射原子气室12，用于检测原子自旋，定义其入射方向为X轴方向；根据右手法则定义Y轴方向，建立XYZ直角坐标系；设X、Y、Z轴的三个环境磁场分别为：Bx、By、Bz，是三维磁场测量的对象。通过电流源2在三维线圈13Z轴方向施加交流激励磁场Bc和直流主磁场B0，使铯原子的电子自旋发生顺磁共振。在X轴方向施加两个交流激励磁场B-129Xe与B-131Xe，使氙129原子与氙131原子两种核自旋发生核磁共振。
所述的交流激励磁场Bc频率ωc满足以下关系
ωc＝γeB0
式中，γe铯原子的电子自旋旋磁比，为物理常量。
所述的交流激励磁场B-129Xe与B-131Xe，频率ωL1与ωL2：
ωL1＝γ1B0，ωL2＝γ2B0
式中，γ1、γ2分别为氙129原子与氙131原子两种核自旋旋磁比，为物理常量。
所述的直流主磁场B0幅值大小在几千纳特到几万纳特，交流激励磁场Bc、B-129Xe、B-131Xe幅值要远小于B0，是B0的十分之一或百分之一。
步骤四：三维磁场原位测量
检测激光14进入原子气室12，检测到极化率
与X轴方向磁场Bx和Y轴方向By满足以下关系
式中，γe铯原子的电子自旋旋磁比，为物理常量。
为电子自旋极化率沿Z轴方向的极化率为已知量，
为电子自旋弛豫时间，为已知量，K00、K01、K1、K2为与电子自旋顺磁共振频率相关的已知量。
检测激光14透过原子气室12，检测到的光强PPD与极化率
成正比，即
式中，kPD为综合转换系数，为已知量。
将检测到的光强进行锁相放大，提取锁相放大信号中电子顺磁共振一倍频信号的同相相位信号和和正交相位信号，将同相相位信号和和正交相位信号分别进行低通滤波，通过调节X轴方向和Y轴方向施加的直流磁场，使得电子顺磁共振一倍频信号的同相相位信号和和正交相位信号经低通后直流量为零，此时在X轴方向和Y轴方向施加的直流磁场即为X轴方向磁场Bx和Y轴方向磁场By。
将检测到的光强进行低通，采用频率计4提取系统观测的核磁共振频率ω129Xe与ω131Xe，具有关系式：
其中，ωL_129Xe与ωL_131Xe对应氙129原子与氙131原子核自旋在惯性空间固有的磁共振频率：
联合上述两个方程，可以获得Bz的表达式：
Claims (10)
1.基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法，其特征在于：包括下述步骤：
步骤一：加热；
步骤二：极化；
步骤三：电子顺磁共振和核磁共振；
步骤四：三维磁场原位测量。
2.如权利要求1所述的基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法，其特征在于：所述的步骤一中将原子气室加热至120℃以上，用于增加原子密度，所述的原子气室12内部包含用于敏感磁场的惰性气体的两种核自旋和碱金属原子的电子自旋，以及辅助功能气体原子N2，其中惰性气体核自旋原子如氦3、氖21、氪83、氙129、氙131中的两种。
3.如权利要求1所述的基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法，其特征在于：所述的步骤二包括一束驱动激光依次通过三维线圈垂直射入原子气室的一个面，用于极化铯原子的电子自旋和氙129原子与氙131原子核自旋。
4.如权利要求1所述的基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法，其特征在于：所述的驱动激光的光源波长选择为铯原子的电子自旋的D1线。
5.如权利要求1所述的基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法，其特征在于：所述的步骤三包括另一束检测激光从驱动激光入射面的邻面垂直入射原子气室，用于检测原子自旋，定义其入射方向为X轴方向；根据右手法则定义Y轴方向，建立XYZ直角坐标系，通过电流源在三维线圈Z轴方向施加交流激励磁场和直流主磁场，使铯原子的电子自旋发生顺磁共振，在X轴方向施加两个交流激励磁场，使氙129原子与氙131原子两种核自旋发生核磁共振。
6.如权利要求1所述的基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法，其特征在于：所述的步骤四包括检测激光通过起偏器进入原子气室，检测到极化率P与X轴方向磁场Bx和Y轴方向By满足以下关系
将光电探测器接收的信号输入到锁相放大器，提取锁相放大输出一倍频信号的同相相位信号和和正交相位信号，输入到低通滤波器和低通滤波器，通过调节电流源在三维线圈X轴方向和Y轴方向施加的直流磁场，使得锁相放大输出一倍频信号的同相相位信号和和正交相位信号经低通滤波器和低通滤波器为零，此时在三维线圈X轴方向和Y轴方向施加的直流磁场X轴方向磁场Bx和Y轴方向磁场By，
将光电探测器接受的信号输入到低通滤波器，采用频率计提取系统观测的核磁共振频率ω129Xe与ω131Xe，将光电探测器接受的信号输入到低通滤波器，采用频率计提取系统观测的核磁共振频率ω129Xe与ω131Xe，具有关系式：
其中，ωL_129Xe与ωL_131Xe对应氙129原子与氙131原子核自旋在惯性空间固有的磁共振频率：
联合上述两个方程，可以获得Bz的表达式：
7.如权利要求1所述的基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法，其特征在于：用于测量三维磁场的原子气室与敏感角运动的原子气室为同一个原子气室。
8.如权利要求6所述的基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法，其特征在于：所述铯原子的电子自旋顺磁共振通过电流源在三维线圈Z轴方向施加交流激励磁场Bc和直流主磁场B0，使交流磁场激励频率等于铯原子的电子自旋固有拉莫尔进动频率，所述的氙129原子与氙131原子两种核自旋的核磁共振，是通过在X轴方向施加两个交流激励磁场B-129Xe与B-131Xe，激励频率分别等于两种核自旋的固有拉莫尔进动频率。
9.如权利要求6所述的基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法，其特征在于：所述的X轴方向磁场和Y轴方向磁场信息正比于电子顺磁共振一倍频信号的同相相位信号和正交相位信号。
10.如权利要求6所述的基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法，其特征在于：所述的直流主磁场幅值大小在几千纳特到几万纳特，交流激励磁场幅值要远小于直流主磁场，是直流主磁场的十分之一或百分之一。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111413738A (zh) * | 2020-04-26 | 2020-07-14 | 山东大学 | 一种多孔介质的时间域激发极化谱分析方法及系统 |
| CN111413738B (zh) * | 2020-04-26 | 2021-06-11 | 山东大学 | 一种多孔介质的时间域激发极化谱分析方法及系统 |
| CN111964658A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-11-20 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种旋转场驱动的核磁共振陀螺闭环磁共振方法 |
| CN111964658B (zh) * | 2020-07-24 | 2023-09-19 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种旋转场驱动的核磁共振陀螺闭环磁共振方法 |
| CN112649765A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-04-13 | 北京自动化控制设备研究所 | 全向磁场测量方法及使用其的测量系统 |
| CN112649765B (zh) * | 2020-12-11 | 2022-07-15 | 北京自动化控制设备研究所 | 全向磁场测量方法及使用其的测量系统 |
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