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激光氦光泵磁梯度測(cè)量傳感技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間:2021-01-07 23:53
  激光光泵磁測(cè)的基礎(chǔ)物理原理是原子的塞曼分裂和磁共振效應(yīng)。原子在極化和退極化過程中會(huì)吸收激光光能,產(chǎn)生磁共振信號(hào)。通過對(duì)磁共振信號(hào)中共振點(diǎn)的檢測(cè),可以獲得磁場(chǎng)值。激光光泵的工作物質(zhì)主要包括堿金屬(銣,銫,鉀等)和氦兩類。與堿金屬相比,氦原子在磁測(cè)過程中不需要加熱和保溫,功耗相對(duì)更低。隨著實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的不斷豐富,各種環(huán)境因素,比如磁日變以及磁暴活動(dòng)等,會(huì)讓被測(cè)磁場(chǎng)信息湮沒在磁場(chǎng)噪聲中,難以被獲取。在一些背景磁場(chǎng)很強(qiáng)的區(qū)域進(jìn)行磁探測(cè)工作時(shí),對(duì)異常的解釋推斷工作往往還會(huì)遭受背景場(chǎng)強(qiáng)與被測(cè)磁異常比值太大的困擾,僅僅依靠單一的磁場(chǎng)標(biāo)量值無法準(zhǔn)確獲取所需信息。因此,磁梯度的測(cè)量工作尤為重要。為了高質(zhì)量完成磁梯度測(cè)量工作,本論文針對(duì)激光氦光泵磁梯度測(cè)量傳感技術(shù)進(jìn)行了研究,主要工作內(nèi)容如下:(1)激光氦光泵磁測(cè)原理研究及磁梯度系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。對(duì)激光氦光泵磁測(cè)原理進(jìn)行了分析,推導(dǎo)了激光氦光泵磁測(cè)原理公式,確定了共振頻率的檢測(cè)是磁場(chǎng)準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵。研究了獲取磁共振信號(hào)的射頻掃描法,并根據(jù)光磁學(xué)布洛赫方程以及描述原子對(duì)光吸收的Beer-Lambert定律,建立了磁共振信號(hào)的模型,共振曲線形態(tài)符合洛倫茲線型特性。... 

【文章來源】:吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】:127 頁

【學(xué)位級(jí)別】:博士

【部分圖文】:

激光氦光泵磁梯度測(cè)量傳感技術(shù)研究


奧地利空間研究中心的CPT磁力儀

激光氦光泵磁梯度測(cè)量傳感技術(shù)研究


(a)JESSY STAR磁測(cè)系統(tǒng)(b)Air Bird磁測(cè)系統(tǒng)

譜線,光泵,磁力


堿金屬光泵磁力儀的研發(fā)開始于20世紀(jì)60年代,最早使用的工作物質(zhì)是銣。在60年代末期,為了對(duì)地球磁場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),美國(guó)先后發(fā)射了POGO-2、POGO-4和POGO6三顆磁測(cè)衛(wèi)星,這些衛(wèi)星全部搭載了當(dāng)時(shí)最為先進(jìn)的銣光泵磁力儀,磁測(cè)精度可以達(dá)到6nT[97,98]。之后,由于銫原子的塞曼頻移比銣原子小,銫原子逐漸進(jìn)入了研究人員的視野。到了1979年,為了進(jìn)一步完善POGO系列衛(wèi)星的測(cè)量結(jié)果,美國(guó)航天局和地質(zhì)調(diào)查局又聯(lián)合發(fā)射了新型磁測(cè)衛(wèi)星MagSat,MagSat搭載的是銫光泵磁力儀,既用于總場(chǎng)測(cè)量,又用于校正三分量數(shù)據(jù),磁力儀磁測(cè)精度優(yōu)于6nT[99-100]。時(shí)至今日,銫光泵磁力儀已經(jīng)成為了商用最為成功的磁測(cè)儀器之一,其中最具代表性的就是加拿大SCINTRE公司生產(chǎn)的CS-3銫光泵磁力儀。該儀器磁測(cè)范圍達(dá)到15000nT---105000nT,特別適合于磁力大幅度變化的測(cè)量,測(cè)量絕對(duì)精度優(yōu)于2.5nT,最高分辨率為0.6pT/ Hz1/2[101]。圖 1.9(a)所示是CS-3銫光泵磁力儀。從80 年代中期開始,塞曼頻移更小的鉀原子開始進(jìn)入光泵磁力儀大家庭。由于鉀原子譜線間距比銣和銫都大,且無重疊現(xiàn)象,所以鉀光泵磁力儀的理論精度比銣光泵磁力儀和銫光泵磁力儀都要高,理論上可以優(yōu)于0.1nT[66]。加拿大GEM公司研制的GSMP-35系列鉀光泵磁力儀磁測(cè)范圍同樣很大,可以達(dá)到20000nT---120000nT,其測(cè)量絕對(duì)精度達(dá)到±0.1nT,最高分辨率為3.5pT/ Hz1/2[102],目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于全球各地的地面和航空磁勘探,取得不錯(cuò)的效果。圖 1.9(b)所示是GSMP-35鉀光泵磁力儀。在國(guó)內(nèi),北京地質(zhì)儀器廠與北京大學(xué)合作,與1976年研制了銫光泵磁力儀CSZ-1。浙江大學(xué)2007年開始研制銣光泵磁力儀,經(jīng)過陸續(xù)的改進(jìn),2016年報(bào)道的激光銣光泵磁力儀靈敏度可達(dá)1pT/ Hz1/2[103]。浙江大學(xué)同時(shí)也進(jìn)行銫光泵磁力儀的研究,2013年報(bào)道的激光銫光泵磁力儀測(cè)磁靈敏度為1.8pT/ Hz1/2[104]。北京大學(xué)2013年研制成功的激光銫光泵磁力儀,測(cè)磁靈敏度為2.5pT/ Hz1/2[105]。

【參考文獻(xiàn)】:
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本文編號(hào):2963489

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