實(shí)驗(yàn)名稱：核磁共振陀螺內(nèi)嵌磁力儀的橫向弛豫時(shí)間在線測(cè)量方法實(shí)驗(yàn)

研究方向：精密測(cè)量

測(cè)試目的：

核磁共振陀螺中探測(cè)光頻率變動(dòng)將導(dǎo)致內(nèi)嵌磁力儀所測(cè)信號(hào)幅度的變動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致陀螺的零偏漂移。根據(jù)核磁共振陀螺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種集成式探測(cè)激光穩(wěn)頻方法，即對(duì)探測(cè)光頻率加上一個(gè)幅度調(diào)制，然后對(duì)平衡探測(cè)器接收到的光強(qiáng)信號(hào)作一次諧波解調(diào)，得到穩(wěn)頻誤差信號(hào)，通過PID反饋控制可將探測(cè)光頻率穩(wěn)定在某個(gè)合適的參考點(diǎn)。具體分析了該方法的原理和穩(wěn)頻精度影響因素，然后介紹了集成有探測(cè)光穩(wěn)頻系統(tǒng)的核磁共振陀螺實(shí)驗(yàn)裝置并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該穩(wěn)頻技術(shù)的可行性，在目前系統(tǒng)條件下可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻精度優(yōu)于10MHz。該技術(shù)不需要外部穩(wěn)頻系統(tǒng)，有利于核磁共振陀螺的小型化。

測(cè)試設(shè)備：ATA-4012高壓功率放大器、數(shù)據(jù)采集卡、磁控電路板、鎖相放大器。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖：NMRG實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖

搭建核磁共振陀螺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，示意圖和實(shí)物圖分別如上圖和下圖所示。

圖：NMRG實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置實(shí)物圖

原子氣室周圍環(huán)繞三維亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈和磁場(chǎng)梯度線圈，如下圖所示，線圈的黑色骨架為具有絕緣特性的亞克力材料，線圈的導(dǎo)線為無氧銅線，線圈導(dǎo)線和電源使用屏蔽線連接。線圈中通入的電流由數(shù)據(jù)采集卡和專門的磁控電路板驅(qū)動(dòng)。

圖：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的三維磁場(chǎng)線圈（置于磁屏蔽筒內(nèi)）

泵浦激光由較高功率的半導(dǎo)體激光器發(fā)出，為準(zhǔn)單色線偏振光，激光頻率調(diào)到堿金屬原子D1線躍遷中心頻率處。泵浦光經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直后，通過線偏振片（前面的λ/2波片用于調(diào)節(jié)入射到原子氣室的激光功率）和λ/4波片后成為左旋圓偏振光，然后沿z軸方向傳播進(jìn)入原子氣室，對(duì)堿金屬原子自旋進(jìn)行光泵浦。

探測(cè)激光由較低功率的半導(dǎo)體激光器發(fā)出，為準(zhǔn)單色線偏振光，激光頻率調(diào)到適當(dāng)偏離堿金屬原子的D1線躍遷中心頻率。探測(cè)激光經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直后，通過線偏振片后，沿x軸方向傳播進(jìn)入原子氣室。從原子氣室出射后，攜帶有光旋角信號(hào)的探測(cè)光經(jīng)過一個(gè)λ/2波片（λ/2波片的作用是在沒有泵浦光和磁場(chǎng)施加的初始條件下將平衡探測(cè)器的輸出調(diào)平衡）。然后經(jīng)過渥拉斯頓棱鏡，分解為兩束分別沿豎直方向和水平方向偏振的線偏振光。分解得到的兩束線偏振光的光強(qiáng)I1和I2通過平衡探測(cè)器來探測(cè)。

接下來，平衡探測(cè)器的差分輸出信號(hào)輸入到鎖相放大器，并在參考頻率處解調(diào)。通過鎖相放大器的正交解調(diào)和同相解調(diào)輸出，可以分別得到橫向磁場(chǎng)x軸分量BX信號(hào)和y軸分量By信號(hào)。鎖相放大器解調(diào)輸出的信號(hào)由數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、信號(hào)解調(diào)和頻譜分析，對(duì)獲取的Xe原子進(jìn)動(dòng)信號(hào)濾波放大和移相后與剩磁補(bǔ)償控制信號(hào)一起施加到橫向磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)線圈，通過該反饋環(huán)路來維持系統(tǒng)閉環(huán)磁共振狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖：在不同的原子氣室溫度條件下磁力儀的吸收信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在和仿真相同的實(shí)驗(yàn)方式和實(shí)驗(yàn)條件下，在不同的原子氣室溫度條件下，吸收信號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在上圖中用不同顏色和形狀的點(diǎn)表示。三個(gè)吸收曲線的中心頻率有微小的相對(duì)偏移，偏移的原因推測(cè)是隨著溫度的升高87Rb原子自旋的極化場(chǎng)也增強(qiáng)，使得z軸磁場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致87Rb原子磁共振頻移；但是這不影響弛豫時(shí)間的測(cè)量結(jié)果，橫向弛豫速率僅由吸收曲線的線寬決定。

圖：不同的原子氣室溫度條件下磁力儀幅頻響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

溫度越低則弛豫速率越大，推測(cè)是因?yàn)闇囟冉档秃缶彌_氣體壓強(qiáng)也降低，而堿金屬原子在緩沖氣體中的擴(kuò)散常數(shù)與緩沖氣體壓強(qiáng)成反比，結(jié)果導(dǎo)致溫度降低后堿金屬原子與內(nèi)壁的碰撞弛豫速率增加。

安泰ATA-4012高壓功率放大器：

圖：ATA-4012高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。

審核編輯黃宇