1.本實用新型涉及磁法測量的領(lǐng)域，具體涉及一種新型堿金屬光泵磁力儀。

背景技術(shù)：

2.在地質(zhì)構(gòu)造中,由于地殼中不同巖層介質(zhì)具有密度、彈性、導(dǎo)電性、磁性、放射性以及導(dǎo)熱性等方面差異，因而造成局部地球物理場發(fā)生變化。通過測量這些物理場的分布和變化特征,對其進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造分析,進(jìn)而推斷地質(zhì)性狀。地球物理勘探的主要任務(wù)是對局部地殼導(dǎo)電、放射性、磁性、重力等參數(shù)進(jìn)行測量，為地質(zhì)分析提供參考信息，便于今后礦產(chǎn)勘探及開采。為實現(xiàn)地質(zhì)磁性參數(shù)收集，地球物理勘探人員通過操作各類磁法勘探設(shè)備開展磁法勘探以收集地殼磁性參數(shù)。

3.在地球地殼中，存留著大量鐵鉻鎳等順磁材料。在地球強(qiáng)磁場作用下，順磁材料磁化后具有較強(qiáng)磁性。因具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料特性以及豐富的儲藏，鐵鉻鎳順磁材料而被人們廣泛應(yīng)用于日常生產(chǎn)生活領(lǐng)域及軍事用途。未爆炸物uxo、地面、水下不明物體因具有大量磁性體而引起周圍地球磁場變化。它們的磁特性常被作為一種探測目標(biāo)。磁探測設(shè)備是主要的探測與定位裝備。

4.光泵磁力儀是一種高靈敏磁探測設(shè)備，其工作原理是磁場中特定原子在光泵作用下發(fā)生磁共振，通過去取向作用的跟蹤環(huán)路或者拉莫爾磁共振頻率自激環(huán)路實現(xiàn)對外磁場的進(jìn)行跟蹤測量。因光泵磁力儀靈敏度高，而成為軍民用高精度、高性能磁法勘探及磁異常探測的主要裝備。本新型堿金屬光泵磁力儀采用的是自激式磁力儀。只有自激跟蹤環(huán)路中拉莫爾信號幅度足夠大、相位滿足自激條件時，光泵探頭產(chǎn)生拉莫爾信號的自激振蕩。通過對拉莫爾頻率進(jìn)行測量，可計算出外磁場值。為實現(xiàn)光泵效應(yīng)，傳統(tǒng)光泵磁力儀中泵燈和原子吸收室采用分離結(jié)構(gòu)。獨立的泵燈對原子吸收室內(nèi)的原子產(chǎn)生光泵效應(yīng)，原子吸收室內(nèi)的原子發(fā)生磁共振。該方式中泵浦效應(yīng)為單向泵浦，堿金屬原子的泵浦幾率有限。為保證足夠的泵浦光強(qiáng)，技術(shù)人員將對泵燈施加較高功率的高頻激勵。同時，由于泵燈光譜較寬，泵浦光外光波將引入光噪聲。如果采用激光器作為泵源，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，配套電路眾多，激光泵磁力儀的技術(shù)難度較高、生產(chǎn)成本高昂。此外，為了保證堿金屬泵燈和堿金屬原子吸收室內(nèi)的金屬蒸汽濃度，通常設(shè)計人員采用兩套電路分別對燈、室實現(xiàn)加熱、保溫。因此，傳統(tǒng)光泵探頭結(jié)構(gòu)較為繁瑣、尺寸較大、電路復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

5.本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種新型堿金屬光泵磁力儀，具有泵浦光波長自鎖、單軸雙向泵浦、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)難度較小、生產(chǎn)成本較低的優(yōu)勢。

6.本實用新型的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的：這種新型堿金屬光泵磁力儀，包括探頭、磁力儀主機(jī)和磁傳感器，所述探頭通過電纜與磁力儀主機(jī)電連接；探頭包括探頭外罩，探頭外罩的內(nèi)腔置入磁傳感器，磁傳感器外周環(huán)繞設(shè)置線圈，線圈通過電纜與磁力儀

主機(jī)電連接，用于對磁傳感器施加拉莫爾信號射頻場；磁傳感器為兩端封閉的管狀結(jié)構(gòu)，磁傳感器內(nèi)填充有堿金屬，磁傳感器的外壁上均勻纏繞有加熱絲，用于加熱堿金屬至氣態(tài)，加熱絲與電纜電連接實現(xiàn)供電；電極的一端連接電纜，電極的另一端插入磁傳感器內(nèi)，用于高頻激勵堿金屬蒸汽，使堿金屬蒸汽發(fā)光；磁傳感器內(nèi)安裝有偏振片，用于將堿金屬光轉(zhuǎn)換為泵浦光；磁傳感器的兩端均安裝有反射鏡，從而在磁傳感器內(nèi)腔形成雙向反射通道，泵浦光沿雙向反射通道反復(fù)泵浦堿金屬蒸汽原子，以發(fā)生光泵效應(yīng)；光電探測器固定在磁傳感器靠近磁力儀主機(jī)的一端，用于檢測含有拉莫頻率的光信號，并將其轉(zhuǎn)為電信號，通過電纜傳輸至磁力儀主機(jī)，實現(xiàn)對外磁場的測量。

7.作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述磁傳感器的外壁與探頭外罩的內(nèi)壁之間填充有保溫層。

8.作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述管狀結(jié)構(gòu)為玻璃外套管，玻璃外套管套設(shè)在磁共振玻璃管外周；磁共振玻璃管具有梨形端和柱形端；玻璃外套管的一端與磁共振玻璃管的梨形端外壁焊接密封，玻璃外套管的另一端與磁共振玻璃管的柱形端口部焊接密封。

9.作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述磁共振玻璃管的梨形端密封焊接有球面反射鏡，平面反射鏡焊接密封在磁共振玻璃管的柱形端口部。

10.作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，偏振片固定在磁共振玻璃管內(nèi)，光電探測器固定在平面反射鏡上；磁共振玻璃管內(nèi)充入堿金屬和緩沖氣體，在磁共振玻璃管內(nèi)形成磁共振腔。

11.作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述磁力儀主機(jī)通過對外接口模塊與外部設(shè)備電連接，實現(xiàn)供電和通信。

12.作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述磁力儀主機(jī)還包括高頻激勵模塊，高頻激勵模塊的一端與對外接口模塊電連接，高頻激勵模塊的另一端通過電纜連接電極，用于提供可調(diào)諧、高頻激勵功率。

13.作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述磁力儀主機(jī)還包括信號處理模塊和主控模塊，信號處理模塊的一端通過電纜與光電探測器電連接，用于接收拉莫頻率電信號，信號處理模塊的另一端與主控模塊電連接，用于輸出模擬或者ttl頻率信號；主控模塊將接收到的信號轉(zhuǎn)化成磁場值并輸出至對外接口模塊。

14.作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述磁力儀主機(jī)還包括溫控模塊，溫控模塊的一端通過電纜分別與線圈和加熱絲電連接，用于控制加熱絲的加熱溫度和線圈的電流大小，溫控模塊的另一端與對外接口模塊電連接。

15.本實用新型的有益效果為：

16.1、采用泵浦光波長自鎖技術(shù)方案，可克服光泵磁力儀光泵探頭內(nèi)泵源光譜較寬，光泵效應(yīng)較弱、光噪聲較大的不足；

17.2、采用光軸雙向泵浦方式，可增加堿金屬原子的泵浦幾率，可克服磁傳感器尺寸縮小，磁共振信號下降，磁力儀性能下降的不足；

18.3、采用光泵源與原子吸收室一體化設(shè)計，將有助于光泵探頭結(jié)構(gòu)及附屬電路的簡化；

19.4、具有體積小、靈敏度較強(qiáng)等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用各領(lǐng)域的磁法測量任務(wù)。

附圖說明

20.圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

21.圖2為探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

22.圖3為磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

23.圖4為磁力儀主機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

24.附圖標(biāo)記說明：探頭1、電纜2、磁力儀主機(jī)3、磁傳感器4、線圈5、電極6、保溫層7、加熱絲8、球面反射鏡9、偏振片10、磁共振玻璃管11、玻璃外套管12、平面反射鏡13、光電探測器14、高頻激勵模塊15、信號處理模塊16、溫控模塊17、主控模塊18、對外接口模塊19、探頭外罩20。

具體實施方式

25.下面將結(jié)合附圖對本實用新型做詳細(xì)的介紹：

26.實施例：如附圖1～4所示，這種新型堿金屬光泵磁力儀，包括探頭1、磁力儀主機(jī)3和磁傳感器4，所述探頭1通過電纜2與磁力儀主機(jī)3電連接；探頭1包括探頭外罩20，探頭外罩20的內(nèi)腔置入磁傳感器4，磁傳感器4外周環(huán)繞設(shè)置線圈5，線圈5通過電纜2與磁力儀主機(jī)3電連接，用于對磁傳感器4施加拉莫爾信號射頻場；磁傳感器4為兩端封閉的管狀結(jié)構(gòu)，磁傳感器4內(nèi)填充有堿金屬，磁傳感器4的外壁上均勻纏繞有加熱絲8，用于加熱堿金屬至氣態(tài)，加熱絲8與電纜2電連接實現(xiàn)供電；電極6的一端連接電纜2，電極6的另一端插入磁傳感器4內(nèi)，用于高頻激勵堿金屬蒸汽，使堿金屬蒸汽發(fā)光；磁傳感器4內(nèi)安裝有偏振片10，用于將堿金屬光轉(zhuǎn)換為泵浦光；磁傳感器4的兩端均安裝有反射鏡，從而在磁傳感器4內(nèi)腔形成雙向反射通道，泵浦光沿雙向反射通道反復(fù)泵浦堿金屬蒸汽原子，以發(fā)生光泵效應(yīng)；光電探測器14固定在磁傳感器4靠近磁力儀主機(jī)3的一端，用于檢測含有拉莫頻率的光信號，并將其轉(zhuǎn)為電信號，通過電纜2傳輸至磁力儀主機(jī)3，實現(xiàn)對外磁場的測量。

27.進(jìn)一步地，如圖3所示，管狀結(jié)構(gòu)為玻璃外套管12，玻璃外套管12套設(shè)在磁共振玻璃管11外周；磁共振玻璃管11具有梨形端和柱形端；玻璃外套管12的一端與磁共振玻璃管11的梨形端外壁焊接密封，玻璃外套管12的另一端與磁共振玻璃管11的柱形端口部焊接密封。磁共振玻璃管11的梨形端密封焊接有球面反射鏡9，平面反射鏡13焊接密封在磁共振玻璃管11的柱形端口部。偏振片10固定在磁共振玻璃管11內(nèi)，光電探測器14固定在平面反射鏡13上；磁共振玻璃管11內(nèi)充入堿金屬和緩沖氣體，在磁共振玻璃管11內(nèi)形成磁共振腔。

28.進(jìn)一步地，如圖4所示，磁力儀主機(jī)3通過對外接口模塊19與外部設(shè)備電連接，實現(xiàn)供電和通信。磁力儀主機(jī)3還包括高頻激勵模塊15、信號處理模塊16、溫控模塊17和主控模塊18，高頻激勵模塊15的一端與對外接口模塊19電連接，高頻激勵模塊15的另一端通過電纜2連接電極6，用于提供可調(diào)諧、高頻激勵功率。信號處理模塊16的一端通過電纜2與光電探測器14電連接，用于接收拉莫頻率電信號，信號處理模塊16的另一端與主控模塊18電連接，用于輸出模擬或者ttl頻率信號；主控模塊18將接收到的信號轉(zhuǎn)化成磁場值并輸出至對外接口模塊19。溫控模塊17的一端通過電纜2分別與線圈5和加熱絲8電連接，用于控制加熱絲8的加熱溫度和線圈5的電流大小，溫控模塊17的另一端與對外接口模塊19電連接。

29.優(yōu)選地，參考附圖2，磁傳感器4的外壁(即玻璃外套管12)與探頭外罩20的內(nèi)壁之間填充有保溫層7。阻擋磁傳感器4內(nèi)部加熱傳到外面，避免受外界溫度影響。

30.本實用新型的工作原理：本實用新型是自激式的堿金屬光泵磁力儀，在緩充氣體及高頻激勵的影響下磁共振玻璃管11內(nèi)的堿金屬發(fā)光，在偏振片10的作用下，形成偏振光泵浦光。泵浦光在球面反射鏡9、平面反射鏡13之間往返泵浦堿金屬原子(以銫原子為例)。當(dāng)磁傳感器4的外周的線圈5在磁共振玻璃管11內(nèi)(即磁共振腔)產(chǎn)生的射頻場的頻率與外磁場在銫原子能級躍遷產(chǎn)生的拉莫爾頻率相一致時，在移相器的作用下，銫光泵磁力儀光泵探頭產(chǎn)生自激現(xiàn)象。銫原子在磁共振腔內(nèi)發(fā)生磁共振現(xiàn)象，原子躍遷的拉莫爾頻率信號由光電探測器14采集并傳輸至磁力儀主機(jī)3，磁力儀主機(jī)3的信號處理模塊16接收拉莫頻率電信號，并輸出模擬或者ttl頻率信號給主控模塊18，主控模塊18將接收到的信號轉(zhuǎn)化成磁場值并輸出至對外接口模塊19。在實際使用中，當(dāng)線圈5產(chǎn)生的頻率和拉莫爾頻率一致才能產(chǎn)生磁共振，但并不能形成自激。需對接收拉莫爾頻率信號移相才能實現(xiàn)自激。此時，通過對該拉莫爾頻率進(jìn)行計數(shù)，代入拉莫爾頻率與外磁場的關(guān)系式就可以推導(dǎo)出光泵磁力儀所處位置的磁場值。

31.可以理解的是，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對本實用新型的技術(shù)方案及實用新型構(gòu)思加以等同替換或改變都應(yīng)屬于本實用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。技術(shù)特征：

1.一種新型堿金屬光泵磁力儀，其特征在于：包括探頭(1)、磁力儀主機(jī)(3)和磁傳感器(4)，所述探頭(1)通過電纜(2)與磁力儀主機(jī)(3)電連接；探頭(1)包括探頭外罩(20)，探頭外罩(20)的內(nèi)腔置入磁傳感器(4)，磁傳感器(4)外周環(huán)繞設(shè)置線圈(5)，線圈(5)通過電纜(2)與磁力儀主機(jī)(3)電連接，用于對磁傳感器(4)施加拉莫爾信號射頻場；磁傳感器(4)為兩端封閉的管狀結(jié)構(gòu)，磁傳感器(4)內(nèi)填充有堿金屬，磁傳感器(4)的外壁上均勻纏繞有加熱絲(8)，用于加熱堿金屬至氣態(tài)，加熱絲(8)與電纜(2)電連接實現(xiàn)供電；電極(6)的一端連接電纜(2)，電極(6)的另一端插入磁傳感器(4)內(nèi)，用于高頻激勵堿金屬蒸汽，使堿金屬蒸汽發(fā)光；磁傳感器(4)內(nèi)安裝有偏振片(10)，用于將堿金屬光轉(zhuǎn)換為泵浦光；磁傳感器(4)的兩端均安裝有反射鏡，從而在磁傳感器(4)內(nèi)腔形成雙向反射通道，泵浦光沿雙向反射通道反復(fù)泵浦堿金屬蒸汽原子，以發(fā)生光泵效應(yīng)；光電探測器(14)固定在磁傳感器(4)靠近磁力儀主機(jī)(3)的一端，用于檢測含有拉莫頻率的光信號，并將其轉(zhuǎn)為電信號，通過電纜(2)傳輸至磁力儀主機(jī)(3)，實現(xiàn)對外磁場的測量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型堿金屬光泵磁力儀，其特征在于：所述磁傳感器(4)的外壁與探頭外罩(20)的內(nèi)壁之間填充有保溫層(7)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型堿金屬光泵磁力儀，其特征在于：所述管狀結(jié)構(gòu)為玻璃外套管(12)，玻璃外套管(12)套設(shè)在磁共振玻璃管(11)外周；磁共振玻璃管(11)具有梨形端和柱形端；玻璃外套管(12)的一端與磁共振玻璃管(11)的梨形端外壁焊接密封，玻璃外套管(12)的另一端與磁共振玻璃管(11)的柱形端口部焊接密封。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型堿金屬光泵磁力儀，其特征在于：所述磁共振玻璃管(11)的梨形端密封焊接有球面反射鏡(9)，平面反射鏡(13)焊接密封在磁共振玻璃管(11)的柱形端口部。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的新型堿金屬光泵磁力儀，其特征在于：偏振片(10)固定在磁共振玻璃管(11)內(nèi)，光電探測器(14)固定在平面反射鏡(13)上；磁共振玻璃管(11)內(nèi)充入堿金屬和緩沖氣體，在磁共振玻璃管(11)內(nèi)形成磁共振腔。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型堿金屬光泵磁力儀，其特征在于：所述磁力儀主機(jī)(3)通過對外接口模塊(19)與外部設(shè)備電連接，實現(xiàn)供電和通信。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型堿金屬光泵磁力儀，其特征在于：所述磁力儀主機(jī)(3)還包括高頻激勵模塊(15)，高頻激勵模塊(15)的一端與對外接口模塊(19)電連接，高頻激勵模塊(15)的另一端通過電纜(2)連接電極(6)，用于提供可調(diào)諧、高頻激勵功率。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型堿金屬光泵磁力儀，其特征在于：所述磁力儀主機(jī)(3)還包括信號處理模塊(16)和主控模塊(18)，信號處理模塊(16)的一端通過電纜(2)與光電探測器(14)電連接，用于接收拉莫頻率電信號，信號處理模塊(16)的另一端與主控模塊(18)電連接，用于輸出模擬或者ttl頻率信號；主控模塊(18)將接收到的信號轉(zhuǎn)化成磁場值并輸出至對外接口模塊(19)。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型堿金屬光泵磁力儀，其特征在于：所述磁力儀主機(jī)(3)還包括溫控模塊(17)，溫控模塊(17)的一端通過電纜(2)分別與線圈(5)和加熱絲(8)電連接，用于控制加熱絲(8)的加熱溫度和線圈(5)的電流大小，溫控模塊(17)的另一端與對外接口模塊(19)電連接。

技術(shù)總結(jié)

本實用新型公開了一種新型堿金屬光泵磁力儀，涉及磁法測量領(lǐng)域。本實用新型創(chuàng)造性的設(shè)計出單波長反射腔，從而實現(xiàn)泵浦光波長自鎖、單軸雙向泵浦。本光泵磁力儀探頭具備較強(qiáng)的光泵效應(yīng)，其磁共振信號高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)磁力儀探頭，同時磁力儀靈敏度更高。同時本結(jié)構(gòu)簡化了光泵磁力儀泵燈與原子吸收室結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)泵源與原子吸收室一體化。在不降低磁力儀性能的前提下，簡化了光泵探頭結(jié)構(gòu)及附屬電路，有助于光泵探頭小型化。本實用新型具有技術(shù)難度低、生產(chǎn)成本低廉的優(yōu)勢，可滿足光泵探頭小型化的現(xiàn)實要求，具有實用性。具有實用性。具有實用性。

技術(shù)研發(fā)人員：黃成功 周波 顧建松

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所

技術(shù)研發(fā)日：2021.05.28

技術(shù)公布日：2022/1/4