CN114234951B - 一种基于核自旋极化抑制的serf惯性装置磁场波动测试方法 - Google Patents
一种基于核自旋极化抑制的serf惯性装置磁场波动测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法，首先将惯性装置加热到碱金属原子所需的工作温度，对碱金属原子进行抽运，使装置工作在惯性测量模式下，测试***的角速度响应和磁场响应，其次使用梯度线圈对***施加合适的梯度磁场，抑制核自旋的极化，使装置工作在磁场测量模式。最后通过调整梯度磁场的大小，构造高灵敏度的磁强计并进行长时间的数据采集，采用Allan方差评估方法进行磁场波动分析，可以在惯性测量模式和磁场测量模式之间灵活切换，既可以测量角速度，也可以实现原位高灵敏度的磁场测量，为惯性装置中磁场波动的准确评估提供方法，对SERF惯性装置的误差分析具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于原子传感器技术领域，特别是一种基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法。
背景技术
由两种旋磁比不同的自旋物质组成的原子传感器已经被广泛应用于各种科学探索和医学应用中，包括基础物理研究、磁共振成像以及惯性导航等。尤其是应用在惯性测量领域的SERF惯性装置由于其对异常场和转动的超高灵敏度而得到广泛关注(SERF，SpinExchange Relaxation Free，无自旋交换弛豫)。
通常，惯性装置由气室、无磁电加热***、磁补偿线圈、磁屏蔽***和正交的抽运检测光路***组成。在实际应用中，温度、光功率和磁场的波动会损害***的稳定性，尤其是由磁屏蔽、磁补偿线圈和电加热***引入的低频磁场波动。磁屏蔽***一般由高磁导率的坡莫合金和低噪声的MnZn铁氧体组成，磁导率随温度变化会产生变化，导致屏蔽***内剩磁波动。磁补偿线圈用于产生***正常工作所需的补偿磁场，线圈内的电流波动直接导致了磁场波动。另外，用于加热的电加热丝中电流的波动同样导致了磁场波动。
目前，磁场波动的一类测试方法是采用磁强计进行测试，包括磁通门磁强计和三轴原子磁强计等。磁通门磁强计由于其操作简便，易于移动的特点，经常被用来测试磁屏蔽和磁补偿***中的磁场大小，但其灵敏度不高，不能检测到pt量级的磁场(pt，10-12特斯拉)。三轴原子磁强计也被提出用来测量磁场波动，其具有超高的灵敏度，可以检测到ft量级的磁场(ft，10-15特斯拉)。但其不是原位测量，当其转变为惯性测量模式时需要更换气室，更换过程中会引入其他误差。另一类测试方法是惯性和磁场同步测量的方法。但其不能进行连续的磁场测量，不能有效的对磁场波动进行长时间连续测试。
随着SERF惯性装置稳定性能的提高，对磁场的稳定性提出了更高的要求。但现阶段仍然缺少有效的高灵敏度原位磁场测试方法来评估惯性装置中磁场的长期稳定性。因此，如何在惯性装置中实现原位高灵敏度磁场测试成为了一项亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有的惯性装置中无法进行原位、高精度及长时间磁场波动测试的缺点，提出一种基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法，对惯性装置中磁场的波动进行准确的测试和评估。与现有技术相比，本发明具有以下优点：可以在惯性测量模式和磁场测量模式之间灵活切换，既可以测量角速度，也可以实现原位高灵敏度的磁场测量，为惯性装置中磁场波动的准确评估提供方法，对SERF惯性装置的误差分析具有重要意义。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将惯性装置中的碱金属气室加热到工作温度；
步骤2，开启惯性装置中的抽运激光器和检测激光器，并进行磁场补偿，使惯性装置工作在惯性测量模式；
步骤3，在惯性测量模式下，测试***角速度响应和磁场响应，以获得标度因数；
步骤4，使用梯度线圈施加合适的磁场梯度，抑制核自旋的极化，使惯性装置工作在磁场测量模式；
步骤5，在磁场测量模式下，进行磁场补偿以及磁强计灵敏度测试；
步骤6，判断磁强计灵敏度是否满足要求，核自旋极化是否被抑制，如果均为是，则进入步骤7，如果不是均为是，则返回步骤4；
步骤7，利用标度因数和磁强计长时间采集的磁场数据，进行磁场波动分析。
所述步骤7中的长时间为1小时至3小时。
所述步骤7中的磁场波动分析包括采用Allan方差评估方法。
步骤1中所述的碱金属气室中充有碱金属原子钾和铷，惰性气体氖气，以及缓冲气体氮气。
所述的SERF惯性装置测量角速度和磁场的表达式为：
其中，
是碱金属电子的横向自旋极化分量，Bx和By分别是x轴和y轴方向的磁场，Ωx和Ωy分别是x轴和y轴方向的角速度，γe和γn分别是电子自旋和核自旋的旋磁比，
和
分别是碱金属电子和惰性气体原子的补偿点，
和
是碱金属电子和惰性气体的横向弛豫率，Kbx、Kby、KΩx和KΩx分别是Bx、By、Ωx和Ωy的系数，其表达式如下：
其中，
和
分别是碱金属电子和惰性气体原子的纵向自旋极化分量，
是碱金属电子和惰性气体原子相互碰撞的自旋交换速率。
步骤2中的工作在惯性测量模式下，存在数学关系如下：
的表达式简化为：
步骤4中的梯度线圈半径为r，产生的一阶梯度磁场表达式为：
其中，
是一阶梯度磁场矢量，I是梯度线圈的电流密度，C是线圈常数。
步骤5中工作在磁场测量模式下，磁场梯度增大了碱金属原子和惰性气体原子的纵向弛豫率和横向弛豫率，使得
远大于其他项，同时纵向弛豫率也比惯性测量状态增大了4～5个量级，
接近0，即惰性气体原子没有被极化，
的表达式简化为：
本发明的技术效果如下：本发明一种基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法，首先将惯性装置加热到碱金属原子所需的工作温度，对碱金属原子进行抽运，使装置工作在惯性测量模式下，测试***的角速度响应和磁场响应，其次使用梯度线圈对***施加合适的梯度磁场，抑制核自旋的极化，使装置工作在磁场测量模式。最后通过调整梯度磁场的大小，构造高灵敏度的磁强计并进行长时间的数据采集，采用Allan方差评估方法进行磁场波动分析，可以在惯性测量模式和磁场测量模式之间灵活切换，既可以测量角速度，也可以实现原位高灵敏度的磁场测量，为惯性装置中磁场波动的准确评估提供方法，对SERF惯性装置的误差分析具有重要意义。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明可以在惯性测量模式和磁场测量模式之间灵活切换，既可以测量角速度，也可以测量磁场。(2)本发明可实现原位高精度磁场测量。(3)本发明可进行长期磁场波动测试，为惯性装置中磁场波动的准确评估提供方法；
附图说明
图1是实施本发明一种基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法工作流程示意图。图1中包括步骤1，将惯性装置加热到碱金属气室(碱金属原子)所需的工作温度；步骤2，开启抽运光和检测光，进行磁场补偿等操作，使装置工作在惯性测量模式；步骤3，惯性测量模式下，***角速度响应和磁场响应测试；步骤4，使用梯度线圈施加合适的磁场梯度，抑制核自旋的极化，使装置工作在磁场测量模式；步骤5，磁场测量模式下，进行磁场补偿，以及磁场响应、磁强计灵敏度测试；步骤6，磁强计灵敏度是否满足要求，核自旋极化是否被抑制，如果均为是，则进入步骤7，如果不是均为是，则返回步骤4；步骤7，长时间(例如2小时左右，1小时至3小时)采集数据，进行磁场波动分析。
图2是实施图1中磁场波动测试方法所使用的SERF惯性装置结构示意图。
图3为图1中或图2中的梯度线圈结构示意图。图3的xyz坐标轴中的r指线圈半径。图3中虚线和实线分别表示通入大小相同但方向相反的电流。
附图标记列示如下：1为抽运激光器；2为第一透镜；3为第二透镜；4为第一1/2波片；5为抽运光功率控制模块；6为第一控制电路；7为反射镜；8为第二1/2波片；9为第一偏振分光棱镜；10为1/4波片；11为第一光电探测器；12为检测激光器；13为第三1/2波片；14为检测光功率控制模块；15为第四1/2波片；16为第二偏振分光棱镜；17为第二控制电路；18为第二光电探测器；19为第五1/2波片；20为第三偏振分光棱镜；21为第三光电探测器；22为第四光电探测器；23为信号放大模块；24为磁屏蔽筒；25为三轴均匀磁场线圈；26为梯度线圈；27为碱金属气室；28为烤箱。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图3)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法工作流程示意图。图2是实施图1中磁场波动测试方法所使用的SERF惯性装置结构示意图。图3为图1中或图2中的梯度线圈结构示意图。参考图1至图3所示，一种基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法，包括以下步骤：步骤1，将惯性装置中的碱金属气室加热到工作温度；步骤2，开启惯性装置中的抽运激光器和检测激光器，并进行磁场补偿，使惯性装置工作在惯性测量模式；步骤3，在惯性测量模式下，测试***角速度响应和磁场响应，以获得标度因数；步骤4，使用梯度线圈施加合适的磁场梯度，抑制核自旋的极化，使惯性装置工作在磁场测量模式；步骤5，在磁场测量模式下，进行磁场补偿以及磁强计灵敏度测试；步骤6，判断磁强计灵敏度是否满足要求，核自旋极化是否被抑制，如果均为是，则进入步骤7，如果不是均为是，则返回步骤4；步骤7，利用标度因数和磁强计长时间采集的磁场数据，进行磁场波动分析。
所述步骤7中的长时间为1小时至3小时。所述步骤7中的磁场波动分析包括采用Allan方差评估方法。步骤1中所述的碱金属气室中充有碱金属原子钾和铷，惰性气体氖气，以及缓冲气体氮气。
所述的SERF惯性装置测量角速度和磁场的表达式为：
其中，
是碱金属电子的横向自旋极化分量，Bx和By分别是x轴和y轴方向的磁场，Ωx和Ωy分别是x轴和y轴方向的角速度，γe和γn分别是电子自旋和核自旋的旋磁比，
和
分别是碱金属电子和惰性气体原子的补偿点，
和
是碱金属电子和惰性气体的横向弛豫率，Kbx、Kby、KΩx和KΩx分别是Bx、By、Ωx和Ωy的系数，其表达式如下：
其中，
和
分别是碱金属电子和惰性气体原子的纵向自旋极化分量，
是碱金属电子和惰性气体原子相互碰撞的自旋交换速率。
步骤2中的工作在惯性测量模式下，存在数学关系如下：
的表达式简化为：
步骤4中的梯度线圈半径为r，产生的一阶梯度磁场表达式为：
其中，
是一阶梯度磁场矢量，I是梯度线圈的电流密度，C是线圈常数。
步骤5中工作在磁场测量模式下，磁场梯度增大了碱金属原子和惰性气体原子的纵向弛豫率和横向弛豫率，使得
远大于其他项，同时纵向弛豫率也比惯性测量状态增大了4～5个量级，
接近0，即惰性气体原子没有被极化，
的表达式简化为：
图1表明了本发明一种基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法的操作流程：首先将惯性装置加热到碱金属气室27所需的工作温度，开启抽运激光器1和检测激光器12，进行磁场补偿等操作，使装置工作在惯性测量模式。在惯性测量模式下，测试***的角速度响应和磁场响应。然后，使用梯度线圈26施加合适的磁场梯度，抑制核自旋的极化，使装置工作在磁场测量模式。在磁场测量模式下，进行磁场补偿以及磁场响应、磁强计灵敏度测试。最后，计算磁强计灵敏度是否满足要求，检查核自旋极化是否被抑制，若满足要求，则进行长时间的数据采集并进行磁场波动分析，若不满足要求，则调整磁场梯度的大小再重新进行测试和计算。
该方法中的SERF惯性装置测量角速度和磁场的表达式为：
其中，
是碱金属电子的横向自旋极化分量，Bx和By是x和y方向的磁场，Ωx和Ωy是x和y方向的角速度，γe和γn分别是电子自旋和核自旋的旋磁比，
和
是碱金属电子和惰性气体原子的补偿点，
和
是碱金属电子和惰性气体的横向弛豫率，Kbx、Kby、KΩx和KΩx分别是Bx、By、Ωx和Ωy的系数，其表达式如下：
其中，
和
分别是碱金属电子和惰性气体原子的纵向自旋极化分量，
是碱金属电子和惰性气体原子相互碰撞的自旋交换速率。
该方法中工作在惯性测量模式下，存在数学关系如下
的表达式简化为：
该方法中的梯度线圈26半径为r，产生的一阶梯度磁场表达式为
其中，I是梯度线圈的电流密度，C是线圈常数。
该方法中工作在磁场测量模式下，磁场梯度增大了碱金属原子和稀有气体原子的纵向弛豫率和横向弛豫率，使得
远大于其他项，同时纵向弛豫率也比惯性测量状态增大了4～5个量级，
接近0，即惰性气体原子没有被极化，
的表达式简化为：
图2表明了本发明一种基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法的惯性装置结构，由图可见，本发明装置包括抽运激光器1、第一透镜2、第二透镜3、第一1/2波片4、抽运光功率控制模块5、第一控制电路6、反射镜7、第二1/2波片8、第一偏振分光棱镜9、1/4波片10、第一光电探测器11、检测激光器12、第三1/2波片13、检测光功率控制模块14、第四1/2波片15、第二偏振分光棱镜16、第二控制电路17、第二光电探测器18、第五1/2波片19、第三偏振分光棱镜20、第三光电探测器21、第四光电探测器22、信号放大模块23、磁屏蔽筒24、三轴均匀磁场线圈25、梯度线圈26、碱金属气室27、烤箱28。
碱金属气室21是由GE180铝硅酸盐玻璃制成的直径8mm的球形气室，气室中充有钾和铷的碱金属混合物，惰性气体氖气和缓冲气体氮气。气室被放置在氮化硼陶瓷制成的烤箱中，烤箱表面贴有双层双绞线的无磁加热膜，并通入99KHz的交流电流来防止低频磁串扰。
磁屏蔽筒24由外面2层2mm厚的高磁导率的坡莫合金筒和内层6mm厚的铁氧体筒组成，分别用来屏蔽外界磁场干扰和降低低频磁噪声。
三轴均匀磁场线圈25用来补偿磁屏蔽***的剩余磁场，以及对***施加特定的标定磁场。梯度线圈26用来施加梯度磁场，对核自旋进行抑制。
抽运激光器1发射出抽运光束，其中心频率是钾原子的D1共振线。抽运光束通过第一透镜2和第二透镜3来扩束，通过第一1/2波片4、抽运光功率控制模块5来保证光功率的长期稳定性，通过1/4波片10后线偏振光被转化为圆偏振光来沿z轴极化钾原子。通过钾原子和铷原子的自旋交换碰撞，铷原子被极化。然后极化的钾和铷原子通过自旋交换碰撞去超极化氖气。检测激光器12发射出检测光束，其中心频率在铷的D1共振线附近远失谐。检测光束通过检测光功率控制模块14来保证光功率的长期稳定性，第二偏振分光棱镜16将检测光重新起偏为线偏振光，用于检测极化的铷原子在x轴上的投影分量。检测光传播穿过碱金属气室27后，采用平衡偏振分束法采集第三光电探测器21和第四光电探测器22的差分信号并通过信号放大模块23放大得到输出信号。
图3表明了本发明中梯度线圈26的结构，可以产生一阶梯度磁场。图中虚线和实线分别表示通入大小相同但方向相反的电流。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将惯性装置中的碱金属气室加热到工作温度；
步骤2，开启惯性装置中的抽运激光器和检测激光器，并进行磁场补偿，使惯性装置工作在惯性测量模式；
步骤3，在惯性测量模式下，测试***角速度响应和磁场响应，以获得标度因数；
步骤4，使用梯度线圈施加合适的磁场梯度，抑制核自旋的极化，使惯性装置工作在磁场测量模式；
步骤5，在磁场测量模式下，进行磁场补偿以及磁强计灵敏度测试；
步骤6，判断磁强计灵敏度是否满足要求，核自旋极化是否被抑制，如果均为是，则进入步骤7，如果不是均为是，则返回步骤4；
步骤7，利用标度因数和磁强计长时间采集的磁场数据，进行磁场波动分析；
所述步骤7中的长时间为1小时至3小时。
2.根据权利要求1所述的基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法，其特征在于，所述步骤7中的磁场波动分析包括采用Allan方差评估方法。
3.根据权利要求1所述的基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法，其特征在于，步骤1中所述的碱金属气室中充有碱金属原子钾和铷，惰性气体氖气，以及缓冲气体氮气。
4.根据权利要求1所述的基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法，其特征在于，所述的SERF惯性装置测量角速度和磁场的表达式为：
其中，
是碱金属电子的横向自旋极化分量，Bx和By分别是x轴和y轴方向的磁场，Ωx和Ωy分别是x轴和y轴方向的角速度，γe和γn分别是电子自旋和核自旋的旋磁比，
和
分别是碱金属电子和惰性气体原子的补偿点，
和
是碱金属电子和惰性气体的横向弛豫率，Kbx、Kby、KΩx和KΩx分别是Bx、By、Ωx和Ωy的系数，其表达式如下：
其中，
和
分别是碱金属电子和惰性气体原子的纵向自旋极化分量，
是碱金属电子和惰性气体原子相互碰撞的自旋交换速率。
5.根据权利要求4所述的基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法，其特征在于，步骤2中的工作在惯性测量模式下，存在数学关系如下：
的表达式简化为：
6.根据权利要求4所述的基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法，其特征在于，步骤4中的梯度线圈半径为r，产生的一阶梯度磁场表达式为：
其中，
是一阶梯度磁场矢量，I是梯度线圈的电流密度，C是线圈常数，Bz是z轴方向的磁场。
7.根据权利要求4所述的基于核自旋极化抑制的SERF惯性装置磁场波动测试方法，其特征在于，步骤5中工作在磁场测量模式下，磁场梯度增大了碱金属原子和惰性气体原子的纵向弛豫率和横向弛豫率，使得
远大于其他项，同时纵向弛豫率也比惯性测量状态增大了4～5个量级，
接近0，即惰性气体原子没有被极化，
的表达式简化为：
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| 无自旋交换弛豫原子自旋陀螺非线性特性实验研究;陈东营等;《光学学报》;20190810;第39卷(第8期);第1-4页 * |
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