一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪

技术领域

本发明涉及光磁探测技术和核磁共振陀螺领域，更具体涉及一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪，适用于远程探测型核磁共振、原子陀螺仪等相关领域。

背景技术

陀螺仪是实现惯性导航的关键核心部件。核磁共振陀螺仪是一种可兼具高精度和小体积的原子陀螺仪。核磁共振陀螺仪的物理机制可分为三个部分：惰性气体原子核的自旋交换光泵超极化、超极化惰性气体原子核的核磁共振、基于碱金属原子非线性磁光效应的磁场传感。目前的核磁共振陀螺仪通常采用单个充有惰性气体的碱金属混合原子室[Phys.Rev.Lett.,95:230801(2005)]，所有的物理过程都工作在同一混合原子蒸气室内，处于相同的物理环境。核磁共振与原子测磁的相互影响，是核磁共振陀螺指标的一个重要限制因素。特别是磁场、温度、光强这三个参数：对于温度参数，高精度的磁场测量需要较高的工作温度(以铷原子为例，>140℃)，以达到无自旋交换弛豫状态，实现超高的测磁灵敏度，而自旋交换光泵达到最高核极化效率的最优温度一般较低；对于光强参数，自旋交换光泵超极化需要强激光，以尽可能地提高极化度，而强激光会引起磁场测量过程中的泵浦弛豫，造成光功率展宽，降低磁场响应系数；对于磁场参数，存在的问题在于无自旋交换弛豫状态需要近零磁场环境，而核磁共振过程的主磁场越强，频率越高，有更好的谱分辨率。因此，传统核磁共振陀螺仪的工作参数需要权衡取舍，且不能同时满足各物理过程的最优工作条件。John Kitching团队提出了一种微流控芯片型氙129的激光极化和核磁共振探测方案[Nature Commun.,5:3908(2014)]，利用铷原子磁光效应检测氙原子核的核磁共振信号，在该方案中，氙气体依次流过泵浦腔和探测腔，实现氙129的激光核极化和核磁共振激光探测的分离，该方案部分解决了激光工作条件的问题，但未解决磁场和温度工作条件的问题。Igor Savukov团队提出了一种原子磁力计远程磁探测的方案[J.Magn.Reason.,317:106780(2020)]，将探测对象和原子磁力计的磁场环境分离，使原子磁力计可测量磁屏蔽外部的磁信号，但该方案亦未能解决核磁共振陀螺仪中的最优工作参数问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术缺陷，提供一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪，本发明可实现核磁共振磁场的远程探测，以及磁场、温度、光强的分离优化控制，由此获得更优的技术指标。

本发明的上述目的通过以下技术方案进行实现：

一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪，包括圆柱形电磁屏蔽外壳，圆柱形电磁屏蔽外壳套设在陀螺仪壳体外部，陀螺仪壳体由磁屏蔽夹层分隔为第一磁场区域和第二磁场区域，第一磁场区域和第二磁场区域中分别设置有第一混合原子室和第二混合原子室，第一磁场区域中位于第一混合原子室外部还分别设置有第一三维磁场线圈、励磁圆形亥姆霍兹线圈和输入线圈，第二磁场区域中位于第二混合原子室外部还分别设置有第二三维磁场线圈和输出线圈，输入线圈通过磁通传输线与输出线圈连接。

如上所述磁屏蔽夹层包括两个磁屏蔽单层和设置在两个磁屏蔽单层之间的空气介质层，两个磁屏蔽单层上均开设有通光孔，两个通光孔分别放置第二四分之一波片与光强衰减片。

如上所述第一混合原子室中设置有氙原子、猝灭气体、缓冲气体和饱和的工作气体；第二混合原子室中设置有猝灭气体、缓冲气体和饱和的工作气体。

一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪，还包括光源模块，光源模块包括激光光源、格兰棱镜、起偏器、第一四分之一波片、以及饱和吸收稳频装置，激光光源用于产生线偏振激光并经由格兰棱镜分为两束，一束激光射入饱和吸收稳频装置用于稳定频率，另一束激光通过起偏器和第一四分之一波片后成为圆偏振光并进入第一混合原子室。

一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪，还包括第一电加热炉和第二电加热炉，第一电加热炉和第二电加热炉均包括保温层、无磁电加热片以及支撑骨架，第一电加热炉和第二电加热炉的无磁电加热片分别紧贴第一混合原子室和第二混合原子室设置，第一电加热炉和第二电加热炉的保温层分别包裹第一混合原子室和第二混合原子室，第一混合原子室的保温层和第二混合原子室的保温层分别通过支撑骨架设置在第一磁场区域与第二磁场区域中。

如上所述磁通传输线串联调谐电容。

如上所述第一三维磁场线圈和第二三维磁场线圈均包括一对轴向亥姆霍兹型线圈和两对马鞍型线圈，所述输入线圈与输出线圈均为由利兹线绕成的螺线管线。

如上所述圆偏振光射入第一混合原子室后极化工作气体原子，受极化的工作气体原子通过碰撞极化氙原子核，受极化后的第一混合原子室内氙原子核，经过第一三维磁场线圈匀场后，在激励磁场下进行自旋进动产生的时变磁通量，时变磁通量经由输入线圈接收，产生交流电压并产生驱动电流，驱动电流经由串联有调谐电容的磁通传输线传输至输出线圈，在第二混合原子室内产生时变磁场，从第一混合原子室射出的圆偏振光经由磁屏蔽夹层的光强衰减片以及第二四分之一波片生成线偏光并作为探测光射入第二混合原子室，线偏光由输出线圈输出的时变磁场下作用下，与第二混合原子室内部的工作气体原子作用，使得探测光的偏振与强度发生变化，然后射入光电探测器。

如上所述光电探测器的光探测信号的电压V与待测磁场的y方向分量B

其中，G为光电探测器的电流-电压转换系数，R为光电探测器的光强-电流转换系数，I

如上所述激励磁场X方向上的大小

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本发明一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪，通过磁屏蔽夹层结构，将装置分为高磁场区域与零磁场区域，实现磁场分离控制。高磁场区域的核磁共振不受场强限制，谱分辨率更高；零磁场区域的原子磁力计工作在近零磁场，测磁灵敏度更高。

(2)本发明一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪，通过独立的温控，可实现温度分离控制。核磁共振工作的第一混合原子室设定为自旋交换光泵效率最优的温度，提高极化度；用于磁场测量的第二混合原子室设定为较高温度，使碱金属原子实现无自旋交换弛豫状态，实现超高的测磁灵敏度。

(3)本发明一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪，通过光强衰减片，可实现光强分离控制。激光通过核磁共振工作的混合原子室时光强较强，以提高自旋交换光泵速率；经过光强衰减片后，激光通过核磁共振工作的混合原子室时光强较弱，减小光泵引起的碱金属原子自旋弛豫，降低测磁线宽，提高测磁灵敏度。

(4)本发明一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪，通过磁通转换器模块，接收线圈用于接收核磁共振信号转换为电流信号，输出线圈用于将电流信号在另一处转换为磁场信号，实现对核磁共振磁场的远程探测。

附图说明

图1是本发明一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪原理图。

附图中：1-激光光源，2-格兰棱镜，3-起偏器，4-第一四分之一波片，5-励磁圆形亥姆霍兹线圈，6-第一热敏电阻，7-第一电加热炉，8-输入线圈，9-第一三维磁场线圈，10-磁屏蔽夹层，11-第一温度控制器，12-第二温度控制器，13-第二热敏电阻，14-第二电加热炉，15-输出线圈，16-第二三维磁场线圈，17-圆柱形电磁屏蔽外壳，18-光电探测器，19-信号处理装置，20-第二混合原子室，21-第二四分之一波片，22-通线孔，23-磁通传输线，24-第一混合原子室，25-饱和吸收稳频装置。

图2为磁屏蔽夹层10的结构图。

附图中：21-第二四分之一波片，26-磁屏蔽单层，27-空气介质层，28-光强衰减片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案以及效果更加清晰完整，下面结合附图以及

本实施例提供一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪，其具有磁场、温度、光强可分离控制以及可以实现远程核磁共振测量等优点。如图1所示，一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪，包括光源模块、磁屏蔽模块、原子传感器模块、磁通转换器模块。

所述光源模块包括发射线偏振激光的激光光源1、格兰棱镜2、起偏器3、第一四分之一波片4、以及饱和吸收稳频装置25。激光光源1为半导体激光器，发射的激光经由格兰棱镜2分为两束，一束激光射入饱和吸收稳频装置25用于稳定频率，另一束激光通过起偏器3和第一四分之一波片4后成为圆偏振光射入磁屏蔽系统。激光光源1的激光工作波长为795nm，与

所述磁屏蔽模块包括圆柱形电磁屏蔽外壳17和磁屏蔽夹层10，圆柱形电磁屏蔽外壳17套设在陀螺仪壳体外部，磁屏蔽夹层10设置在陀螺仪壳体中部并将陀螺仪壳体分隔为第一磁场区域(高磁场区域)与第二磁场区域(零/低磁场区域)，第一三维磁场线圈9和第二三维磁场线圈16分别设置在第一磁场区域与第二磁场区域中。圆柱形电磁屏蔽外壳17的主要材质为高磁导率、低矫顽力的坡莫合金，其中磁屏蔽夹层10包括两个磁屏蔽单层26和设置在两个磁屏蔽单层26之间的空气介质层27，磁屏蔽夹层10将整个陀螺仪壳体分为高磁场区域与低磁场区域两部分。磁屏蔽夹层10(两个磁屏蔽单层26)中心处有通光孔，且两个通光孔分别放置第二四分之一波片21与光强衰减片28，用于将强激光衰减至较弱的光强，且将圆偏振光变成线偏光，作为第二混合原子室20的探测光。两个磁屏蔽单层26上还设置有通线孔22，用于磁通传输线23通过。

本实施例中，磁屏蔽模块中的圆柱形电磁屏蔽外壳17以及两个磁屏蔽单层26的材质为坡莫合金，电磁屏蔽外壳厚度为3mm，层数为3层，层间距3mm，底面直径100mm，同时两个磁屏蔽单层26和空气介质层的厚度均为3mm，中部通光孔直径为10mm。第一三维磁场线圈9和第二三维磁场线圈16均包括一对轴向亥姆霍兹型线圈和两对马鞍型线圈，用于匀场。经过磁屏蔽夹层10，装置被分为高磁场区域与低磁场区域，其中高磁场区域磁场最高可为50-100μT，高磁导率的坡莫合金磁屏蔽夹层10的被动屏蔽因子为10

所述原子传感器模块包括第一混合原子室24、第二混合原子室20、第一电加热炉7、第二电加热炉14、第一热敏电阻6、第二热敏电阻13、励磁圆形亥姆霍兹线圈5(作为励磁线圈)、第一三维磁场线圈9和第二三维磁场线圈16。第一三维磁场线圈9和第二三维磁场线圈16均包括一对轴向亥姆霍兹型线圈和两对马鞍型线圈，用于匀场，本发明中，陀螺仪壳体轴向方向为Z方向，X方向和Y方向均垂直于Z方向，且X方向垂直于Y方向，励磁圆形亥姆霍兹线圈的中心轴平行于X方向，第一三维磁场线圈9和第二三维磁场线圈16的轴向亥姆霍兹型线圈和的中心轴均平行于Z方向。第一三维磁场线圈9设置在第一混合原子室24外部，第二三维磁场线圈16设置在第二混合原子室20外部，第一电加热炉7包覆在第一混合原子室24外部，第二电加热炉14包覆在第二混合原子室20外部，第一热敏电阻6设置在第一混合原子室24上，第二热敏电阻13设置在第二混合原子室20上，第一温度控制器11和第二温度控制器12设置在电磁屏蔽外壳17外部。激光光源1产生波长为795nm激光，通过设定温度的第一混合原子室24，然后通过磁屏蔽夹层10上的第二四分之一波片21以及光强衰减片28，射入设定温度的第二混合原子室20。第一混合原子室24和第二混合原子室20内均充有猝灭气体、缓冲气体与饱和的工作气体。第一混合原子室24在通过励磁圆形亥姆霍兹线圈与第一三维磁场线圈9产生进动场与射频场中，产生核磁共振信号，第二混合原子室20用于测量核磁共振信号。第一电加热炉7和第二电加热炉14均包括保温层、无磁电加热片以及氮化硼材质构成的支撑骨架。无磁电加热片紧贴各自的混合原子室(第一电加热炉7的无磁电加热片紧贴第一混合原子室24设置，第二电加热炉14的无磁电加热片紧贴第二混合原子室20设置)，保温层优选材质为气凝胶或聚酰亚胺材料，第一电加热炉7和第二电加热炉14的保温层分别包裹于第一混合原子室24和第二混合原子室20的周围，用于降低加热功耗和提供温度稳定性，第一混合原子室24的保温层和第二混合原子室20的保温层分别通过支撑骨架设置在高磁场区域与低磁场区域中。

本实施例中，第一混合原子室24中设置有

所述磁通转换器模块包括设置在第一混合原子室24外部的磁通输入线圈8、设置在第二混合原子室20外部的输出线圈15、以及磁通传输线23，输入线圈8和输出线圈15通过磁通传输线23连接，磁通传输线23贯穿两个磁屏蔽单层26的通线孔22。其中，输入线圈8与输出线圈15均为由利兹线绕成的螺线管线圈，磁通传输线23为同轴导线，且其串联调谐电容，用于调谐磁通转换器模块的谐振频率，提高品质因子。第一混合原子室24的时变磁通量信号经由输入线圈8接收，产生一定频率和幅值的交流电流，然后在输出线圈15中产生磁场，由第二混合原子室20对信号进行检测。

基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪的工作方式为：

激光光源1产生波长为795nm、功率为数十mW的高强度激光，经由分光棱镜2分成两束，一束激光射入饱和吸收稳频装置25用于稳频，另一束激光经由起偏器3与第一四分之一波片4成为强光强的圆偏振光，圆偏振光射入第一混合原子室24用于极化工作气体原子(

其中，L

从第一混合原子室射出的圆偏振光，经由磁屏蔽夹层10的光强衰减片28以及第二四分之一波片21成为弱光强的作为探测光的线偏光。在经由第二三维磁场线圈16进行匀场后，探测光射入第二混合原子室20，线偏光由输出线圈15输出的时变磁场下作用下，与第二混合原子室20内部的

其中，I

下面对上述核磁共振陀螺仪原理进行理论分析：

核磁共振陀螺仪一般采用自旋交换光抽运的方式，用被激光光泵极化的碱金属原子去极化惰性气体原子核。惰性气体的核自旋极化度P

其中P

M

其中，μ

在静磁场B

ω

γ是氙原子核旋磁比，氙原子核磁矩在静磁场B

T

结合公式(2)、(3)、(4)，即原子磁力计可以实现通过磁通转换器远程探测X方向上的磁场信号与系统旋转角速度ω

下面对上述核磁共振陀螺仪探测灵敏度进行分析：

当

式中μ

当X方向上的激励磁场B

根据上述理论，高磁场区的第一混合原子室24发生核磁共振，通过磁通转换器模块将核磁共振信号传输至原子传感器模块并进行测量，从而计算出核磁共振陀螺仪探测系统的旋转角速度，达到本发明测量旋转角速度的目的。

本发明提供一种基于分离式磁屏蔽的远程磁探测型核磁共振陀螺仪，通过磁屏蔽模块将装置分为高磁场区域与低磁场区域两部分，其中高磁场区域通过光学模块，进行核磁共振，目标核磁共振信号经由磁通转换器模块传输至低磁场区域的原子传感器模块进行测量。本发明实现核磁共振磁场的远程探测，同时可以进行原子核磁共振陀螺仪的磁场、温度、光强的分离优化控制，解决了单一原子室内各个物理过程难以同时达到最优工作参数的问题，进而能够获得更优的核磁共振陀螺仪技术指标。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以同等替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。