CN107490775B - 一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法，属于光学检测、磁场探测与分析技术领域。本发明针对三轴线圈产生磁场精度直接影响基于无自旋交换理论的超高灵敏磁场/惯性测量装置灵敏度问题，提出基于原子自旋拉莫尔进动理论的三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法。本发明填补了无快速有效的三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法的空白，并可为原子磁强计灵敏度提升提供前提保障。

Description

一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法
技术领域
本发明旨在提出一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法，属于光学检测、磁场探测与分析技术领域。
背景技术
磁场客观存在于自然中。对于磁场的精确探测可以有效的促进生物医学、磁共振成像、地球物理勘探、基础物理等领域的研究与发展。近期，全光学原子自旋磁强计因其超高的磁场测量灵敏度逐渐成为弱磁场探测的主要工具之一。在全光学原子自旋磁强计的众多组成部分中，三轴线圈是最重要的组成部分。
三轴线圈是全光学原子自旋磁强计产生磁场的重要组件。对于三轴线圈来说，除了其产生磁场均匀性外，线圈常数的精确与否和三轴之间的正交性是衡量三轴线圈性能最重要的参数。K.
Figure GDA0002171217990000011
等人利用一个置于三轴线圈中心位置的质子磁强计来获取激励电流与其诱发的磁场之间的比例常数，即线圈常数。此方法需要额外的质子磁强计作为磁场测量装置，且此方法的测量精度首先于质子磁强计的精度。B.Heilig提出了一种利用标量磁强计来确定三轴线圈两轴间的螺旋角以及标定线圈非正交角的方法。这种方法一方面需要额外设备且测量精度受限于此测量设备，另一方面需要有足够大的均匀区来容纳磁强计探头。J.Dinale等人研究了改进的TWOSTEP算法来同时标定线圈常数和非正交角误差。然而，这个方法十分复杂，全光学原子自旋磁强计装置进行线圈常数与非正交角的一体化标定与测量。
目前，有关直接利用全光学原子自旋磁强计装置本身完成精确、快速、同步标定与测量三轴磁线圈的线圈常数与非正交角的方法，未见公开报道。
为解决上述问题，本发明提出一种适用于全光学原子自旋磁强计的一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法。本发明针对线圈产生磁场精度直接影响全光学原子自旋磁强计灵敏度这一问题，提出基于原子自旋拉莫尔进动理论的三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法。本发明填补了无准确、快速、一体化的全光学原子自旋磁强计三轴线圈常数与非正交角标定与测量方法的空白，并可为全光学原子自旋磁强计灵敏度提升提供理论指导与参考。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法。为提升原子自旋磁强计灵敏度提供基础保障。本发明目的：为了填补无准确、快速、一体化的全光学原子自旋磁强计三轴线圈常数与非正交角标定与测量方法的空白，本发明立足于全光学原子自旋磁强计本身，提出一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法，本方将为全光学原子自旋磁强计灵敏度提升提供基础保障。
本发明采用的技术方案为：一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法，包括如下步骤：
步骤(1)圆偏振抽运光沿z轴传播，线偏振检测光沿x轴传播。
步骤(2)在z轴施加DC待测磁场，在垂直于抽运光与检测光平面的方向(y方向)施加AC磁场扫场，自旋极化的碱金属原子会围绕待测DC磁场的方向进行拉莫尔进动，其拉莫尔进动频率为：
Figure GDA0002171217990000021
其中，f0为拉莫尔进动频率，I为核子角动量，
Figure GDA0002171217990000023
为普朗克常量，gs为电子的朗德因子，μB为玻尔磁子，B为待测磁场。
步骤(3)原子自旋在待测磁场下的拉莫尔进动可由一束垂直于抽运光传播方向的线偏振检测光探测到，包含拉莫尔信息的线偏振检测光经由光电探测器送至锁相放大器，锁相放大器的输出信号f(v)与AC扫场频率ν按洛伦兹线型拟合：
Figure GDA0002171217990000022
其中，a为拟合系数，ν为扫场频率，Δω为磁共振线宽，b为直流偏置。
步骤(4)根据公式(2)即可拟合获得原子自旋在此待测磁场下的拉莫尔进动频率，从而根据公式(1)解算出待测磁场。
线圈常数Ccoil是电流I与磁场B的函数：
Ccoil＝B/I (3)
步骤(5)在z轴施加一个已知幅值的DC偏置磁场，沿x轴施加幅值相等方向相反的磁场-∣x∣和+∣x∣。由于x、z轴之间非正交角的存在，导致-∣x∣与z轴DC磁场形成的合磁场幅值
Figure GDA0002171217990000024
与+∣x∣与z轴DC磁场形成的合磁场幅值
Figure GDA0002171217990000025
不同。那么，根据公式(1)及余弦定理，可得，
Figure GDA0002171217990000031
Figure GDA0002171217990000032
式中，为施加在x轴正向的磁场与z轴施加的DC磁场形成的合磁场；
Figure GDA0002171217990000038
为施加在x轴负向的磁场与z轴施加的DC磁场形成的合磁场；施加在x轴正向的磁场；Bz为z轴施加的DC磁场；θ为x，z轴线圈之间的非正交角；
步骤(6)公式(4)和公式(5)联立，并解算出
Figure GDA0002171217990000035
和θ，
Figure GDA0002171217990000036
Figure GDA0002171217990000037
获知x轴磁场幅值后，由于再根据公式(3)，求解出x轴线圈常数。
同理，对于求解y轴线圈常数和y，z轴非正交角的方法与上述求解x轴线圈常数和x，z轴非正交角的方法相同。
本发明的有益效果如下：
(1)填补缺乏快速有效的线圈常数和非正交角一体化测量方法的空白；
(2)为提升原子磁强计灵敏度提供保障；
(3)无需额外的测量设备，测量精度更好；
(4)具有较强的普适性，特别是针对微小型化原子磁强计内部三轴线圈的常数和非正交角的一体化测量。
附图说明
图1为外磁场下原子自旋拉莫尔进动示意图，图1(a)为自旋极化的碱金属原子沿z轴应用磁场进行拉莫尔进动，图1(b)为自旋极化的碱金属原子沿x，z轴合磁场进行拉莫尔进动，图1(c)为自旋极化的碱金属原子沿y，z轴合磁场进行拉莫尔进动，其中：101为AC扫场磁场；102为抽运光；103为碱金属原子钾(K)；104为氮气(N2)；105为氦气(4He)；106为磁矩；107为z轴待测应用磁场；108为检测光2；109为x轴待测应用磁场；110为x、z合磁场；111为z轴施加已知应用磁场；112为y轴待测应用磁场；
图2为线圈正交性对原子自旋拉莫尔进动的影响示意图，其中：201为第一磁矩；202为x轴负方向磁场；203为x轴正方向磁场；204为第二磁矩；205为x正方向与z轴第一合磁场；206为z轴施加已知应用磁场；207为x负方向与z轴第二合磁场；
图3为实验结果，图3(a)为线圈常数测试结果，图3(b)为非正交角测试结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
以钾原子磁强计为例具体说明利用本发明方法进行线圈常数和非正交角一体化测量过程。
一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法，其步骤为：
(1)***准备。开启电加热***，将碱金属气室内部加热至180℃。抽运光沿z轴传播，检测光沿x轴传播。
(2)开始测试。首先测量z轴线圈常数，其步骤为：
(a)在z轴施加未知幅值DC待测磁场，在垂直于抽运光与检测光平面的方向(y方向)施加150nT幅值、频率为10kHz～26kHz的AC磁场扫场，自旋极化的碱金属原子会围绕待测DC磁场的方向进行拉莫尔进动，其拉莫尔进动频率为：
Figure GDA0002171217990000041
其中，f0为拉莫尔进动频率，I为核子角动量，
Figure GDA0002171217990000043
为普朗克常量，gs为电子的朗德因子，μB为玻尔磁子，B为待测磁场；
(b)步骤(a)所述的原子自旋在待测磁场下的拉莫尔进动可由一束垂直于抽运光传播方向的线偏振检测光探测到，包含拉莫尔信息的线偏振检测光经由光电探测器送至锁相放大器，锁相放大器的输出信号f(v)与AC扫场频率ν按洛伦兹线型拟合：
Figure GDA0002171217990000042
其中，a为拟合系数，ν为扫场频率，Δω为磁共振线宽，b为直流偏置。
(c)根据公式(2)即可拟合获得原子自旋在此待测磁场下的拉莫尔进动频率，从而根据公式(1)解算出待测磁场幅值。
(d)根据下式解算出z轴线圈常数，
Ccoil＝Bz/I (3)
如附图3(a)所示，z轴线圈常数约为129.56nT/mA。
(3)其次，进行x轴线圈常数以及x、z轴非正交角的一体化测量。其步骤为：
(a)在z轴施加一个幅值为2331nT的DC偏置磁场，沿x轴施加幅值相等方向相反的待测磁场-∣x∣和+∣x∣。在垂直于抽运光与检测光平面的方向(y方向)施加150nT幅值、频率为10kHz～26kHz的AC磁场扫场。
(b)由于x、z轴之间非正交角的存在，导致-∣x∣与z轴DC磁场形成的合磁场幅值
Figure GDA0002171217990000051
与+∣x∣与z轴DC磁场形成的合磁场幅值
Figure GDA0002171217990000052
不同。根据下列公式可解算出x轴施加待测磁场幅值，以及x、z轴非正交角：
Figure GDA0002171217990000053
如附图3(a)所示，x线圈常数为146.35nT/mA。如附图3(b)所示，x、z轴非正交角约为0.117°。
(4)最后，进行y轴线圈常数以及y、z轴非正交角的一体化测量。其步骤为：(a)在z轴施加一个幅值为2331 nT的DC偏置磁场，沿y轴施加幅值相等方向相反的待测磁场-∣y∣和+∣y∣。在垂直于抽运光与检测光平面的方向(x方向)施加150 nT幅值、频率为10kHz～26kHz的AC磁场扫场。
(b)由于y、z轴之间非正交角的存在，导致-∣y∣与z轴DC磁场形成的合磁场幅值
Figure GDA0002171217990000055
与+∣y∣与z轴DC磁场形成的合磁场幅值
Figure GDA0002171217990000056
不同。根据下列公式可解算出y轴施加待测磁场幅值，以及y、z轴非正交角：
Figure GDA0002171217990000058
如说明书附图3(a)所示，y线圈常数为149.98 nT/mA。如附图3(b)所示，y、z轴非正交角约为0.222°。

Claims (2)

1.一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤(1)圆偏振抽运光沿z轴传播，线偏振检测光沿x轴传播；
步骤(2)在z轴施加DC待测磁场，在垂直于抽运光与检测光平面的方向即y方向施加AC磁场扫场，自旋极化的碱金属原子会围绕待测DC磁场的方向进行拉莫尔进动，其拉莫尔进动频率为：
Figure FDA0002171217980000011
其中，f0为拉莫尔进动频率，I为核子角动量，
Figure FDA0002171217980000016
为普朗克常量，gs为电子的朗德因子，μB为玻尔磁子，B为待测磁场；
步骤(3)原子自旋在待测磁场下的拉莫尔进动可由一束垂直于抽运光传播方向的线偏振检测光探测到，包含拉莫尔信息的线偏振检测光经由光电探测器送至锁相放大器，锁相放大器的输出信号f(v)与AC扫场频率ν按洛伦兹线型拟合：
Figure FDA0002171217980000012
其中，a为拟合系数，Δω为磁共振线宽，b为直流偏置；
步骤(4)根据公式(2)即可拟合获得原子自旋在此待测磁场下的拉莫尔进动频率，从而根据公式(1)解算出待测磁场，线圈常数Ccoil是电流I与磁场B的函数：
Ccoil＝B/I, (3)
在获得了待测磁场幅值后，即可根据公式(3)获得此待测磁场方向的线圈常数；
步骤(5)在z轴施加一个已知幅值的DC偏置磁场，沿x轴施加幅值相等方向相反的磁场-∣x∣和+∣x∣，由于x、z轴之间非正交角的存在，导致-∣x∣与z轴DC磁场形成的合磁场幅值
Figure FDA0002171217980000013
与+∣x∣与z轴DC磁场形成的合磁场幅值
Figure FDA0002171217980000014
不同，那么，根据公式(1)及余弦定理，可得，
Figure FDA0002171217980000015
Figure FDA0002171217980000021
式中，为施加在x轴正向的磁场与z轴施加的DC磁场形成的合磁场；
Figure FDA0002171217980000023
为施加在x轴负向的磁场与z轴施加的DC磁场形成的合磁场；施加在x轴正向的磁场；Bz为z轴施加的DC磁场；θ为x，z轴线圈之间的非正交角；
步骤(6)公式(4)和公式(5)联立，并解算出
Figure FDA0002171217980000025
和θ，
Figure FDA0002171217980000026
Figure FDA0002171217980000027
获知x轴磁场幅值后，由于再根据公式(3)，求解出x轴线圈常数。
2.根据权利要求1中所述的一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法，其特征在于：y方向线圈常数及y、z方向非正交角测量方法与x方向线圈常数及x、z方向非正交角测量方法相同。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108535668B (zh) * 2018-03-30 2019-08-16 中国科学院武汉物理与数学研究所 一种补偿激光原子磁力计磁屏蔽罩内部剩余磁场的方法
CN110426651B (zh) * 2019-06-17 2020-11-27 北京航空航天大学 基于serf磁强计的三维原位磁线圈标定实验装置及方法
CN110568381B (zh) * 2019-09-09 2020-08-18 北京航空航天大学 基于双光束三轴矢量原子磁强计光磁非正交角原位测量方法
CN113447860A (zh) * 2021-06-24 2021-09-28 北京航空航天大学 屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59148308A (ja) * 1983-02-14 1984-08-25 Mitsubishi Electric Corp 高均一磁界発生装置
CN101251584A (zh) * 2008-04-09 2008-08-27 武汉大学 三轴磁强计校正方法以及三轴磁梯度计校正方法
CN101382586A (zh) * 2008-10-24 2009-03-11 三环瓦克华（北京）磁性器件有限公司 圆环形轴向充磁永磁体的取向度测量装置与方法
CN101526589A (zh) * 2008-03-04 2009-09-09 陈艳 一种磁体磁场角度测量***和测量方法
JP2011065115A (ja) * 2009-09-16 2011-03-31 Kamata Isamu 弦楽器用弦高測定器
CN102136336A (zh) * 2010-12-29 2011-07-27 中国船舶重工集团公司第七一○研究所 一种通过分流补偿磁场线圈非均匀性的方法
CN203799001U (zh) * 2014-02-28 2014-08-27 中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 一种双均匀区型磁场梯度磁强计校准装置
CN104884915A (zh) * 2012-10-11 2015-09-02 硅音震有限公司 用于具有光学读出的位移传感器的闭合环路控制技术
CN105259529A (zh) * 2015-11-23 2016-01-20 上海卫星装备研究所 卫星磁场测试***校准装置及校准方法
CN105301541A (zh) * 2015-11-16 2016-02-03 东南大学 原子磁强计的磁线圈x、y轴非正交角的测量装置与方法
CN106597338A (zh) * 2016-12-28 2017-04-26 北京航空航天大学 一种基于电子共振相频分析测量原子横向弛豫时间的方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59148308A (ja) * 1983-02-14 1984-08-25 Mitsubishi Electric Corp 高均一磁界発生装置
CN101526589A (zh) * 2008-03-04 2009-09-09 陈艳 一种磁体磁场角度测量***和测量方法
CN101251584A (zh) * 2008-04-09 2008-08-27 武汉大学 三轴磁强计校正方法以及三轴磁梯度计校正方法
CN101382586A (zh) * 2008-10-24 2009-03-11 三环瓦克华（北京）磁性器件有限公司 圆环形轴向充磁永磁体的取向度测量装置与方法
JP2011065115A (ja) * 2009-09-16 2011-03-31 Kamata Isamu 弦楽器用弦高測定器
CN102136336A (zh) * 2010-12-29 2011-07-27 中国船舶重工集团公司第七一○研究所 一种通过分流补偿磁场线圈非均匀性的方法
CN104884915A (zh) * 2012-10-11 2015-09-02 硅音震有限公司 用于具有光学读出的位移传感器的闭合环路控制技术
CN203799001U (zh) * 2014-02-28 2014-08-27 中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 一种双均匀区型磁场梯度磁强计校准装置
CN105301541A (zh) * 2015-11-16 2016-02-03 东南大学 原子磁强计的磁线圈x、y轴非正交角的测量装置与方法
CN105259529A (zh) * 2015-11-23 2016-01-20 上海卫星装备研究所 卫星磁场测试***校准装置及校准方法
CN106597338A (zh) * 2016-12-28 2017-04-26 北京航空航天大学 一种基于电子共振相频分析测量原子横向弛豫时间的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A method for calibrating coil constants by using an atomic spin co-magnetometer;Hong Zhang 等;《THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL D》;20161013;全文 *
磁场线圈常数的频率响应测量;张伟 等;《计量学报》;20160131;全文 *

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