专利名称：基于塞曼频率的剩场量测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及测量系统设计领域，特别涉及一种基于塞曼频率的剩场量测量系统。
背景技术：
在现有原子谱线探测应用领域中(如原子钟)，物理系统提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线，原子钟正是通过将压控晶体振荡器的输出频率锁定在原子共振吸收峰上而获得高稳频率输出的。充制在物理系统中的元素原子平时能级是简并的，要想实现上述应用功能，需要给整个系统施加相应的磁场，称之为C场。C场线圈的作用是产生一个和微波磁场方向相平行的弱静磁场，使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴，同时通过调节C场电流的大小，改变磁场的强度，微调系统的输出频率。以上谈及的C场是人为加到系统中的，但是系统本身存在着各种形式的干扰，它们通过闭合线路电磁交换形式，产生一定量的剩余磁场。这些磁场的存在是相当复杂的，是“塞曼分裂”及“量子化轴”用C场之外的附加磁场。在剩场作用下，由于塞曼效应，原子能级发生移动，最终导致输出频率发生变化。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够精确测量系统内部剩余磁场强度的剩场量绝对值测量系统。为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于塞曼频率的剩场量测量系统，包括光源、微处理器、用于对所述光源辐射的光束进行滤光的滤光单元、用于为经过所述滤光单元滤光处理的光束完成共振跃迁的共振吸收模块、用于对所述共振吸收模块输出的光信号进行检测的光电检测单元、用于为所述共振吸收模块提供能量的微波源、用于为所述共振吸收模块完成原子分裂及量子化轴提供磁场的磁场控制模块及用于调节控制所述磁场控制模块的电流控制模块；所述光源与所述滤光单元连接，所述滤光单元与所述共振吸收模块连接，所述共振吸收模块依次与所述微波源、所述磁场控制模块、所述光电检测单元连接，所述微处理器依次与所述微波源、所述磁场控制模块、所述电流控制模块连接，所述电流控制模块与所述磁场控制模块连接。进一步地，所述滤光单元呈泡状腔体结构，所述光源用于辐射光束的元素是M，所述滤光单元中工作物质是所述M元素的同位素N元素；所述光源辐射的光束通过所述滤光单元进行滤光处理，并通过所述滤光单元传送至所述共振吸收模块。进一步地，所述共振吸收单元呈泡状腔体结构，所述谐振腔呈圆柱形腔体结构，所述共振吸收单元置于所述谐振腔内部，用于为经所述滤光单元滤光后的光束完成共振跃迁。进一步地，所述磁场控制模块包括:漆包线、电流开关；所述漆包线缠绕在所述谐振腔外壁上，并通过所述电流开关与所述电流控制模块连接。[0009]进一步地，所述电流控制模块输出电流为恒流，所述微处理器通过所述电流控制模块调节控制所述磁场控制模块磁场强度。进一步地，所述微波源输出信号频率通过所述微处理器进行调节控制，所述微波源输出信号频率控制在所述M元素原子基态超精细结构跃迁中心频率附近。 进一步地，所述M元素是87Rb,所述N元素是85Rb。本实用新型提供的一种基于塞曼频率的剩场量测量系统，包括光源、微处理器、滤光单元、共振吸收模块、光电检测单元、微波源、磁场控制模块及电流控制模块。其中，光源与滤光单元连接，滤光单元与共振吸收模块连接，共振吸收模块依次与微波源、磁场控制模块、光电检测单元连接，微处理器依次与微波源、磁场控制模块、电流控制模块连接，电流控制模块与磁场控制模块连接。本实用新型通过电流控制模块改变磁场控制模块中磁场电流的电流方向，并通过微处理器控制微波源输出信号频率，进而完成整个原子谱线的扫频，同时记录整个过程中共振吸收模块输出的光信号幅度值V与微波源的信号频率值F，最终实现对剩场量绝对值的测量计算。本实用新型具有结构简单、易操作、测量精度高的特点。
图1为本实用新型实施例提供的基于塞曼频率的剩场量测量系统结构原理框图。图2为本实用新型实施例提供的基于塞曼频率的剩场量测量系统中磁场控制模块的工作原理结构示意图。图3为87Rb原子能级示意图。图4为本实用新型实施例提供的基于塞曼频率的剩场量测量系统测量过程中7个跃迁频率峰值曲线示意图。其中，1-谐振腔，2-漆包线，201-光源，202-滤光单元，203-共振吸收模块，204-微波源，205-磁场控制模块，206-光电检测单元，207-微控制器，208-电流控制模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本实用新型提供的具体实施方式
作进一步详细说明。参见图1、2，本实用新型实施例提供的一种基于塞曼频率的剩场量测量系统，包括光源201、微处理器207、用于对所述光源201福射的光束进行滤光的滤光单兀202、用于为经过所述滤光单元202滤光处理的光束完成共振跃迁的共振吸收模块203、用于对所述共振吸收模块203输出的光信号进行检测的光电检测单元206、用于为所述共振吸收模块203提供能量的微波源204、用于为所述共振吸收模块203完成原子分裂及量子化轴提供磁场的磁场控制模块205及用于调节控制所述磁场控制模块205的电流控制模块208。其中，光源201与滤光单元202连接，滤光单元202与共振吸收模块203连接，共振吸收模块203依次与微波源204、磁场控制模块205、光电检测单元206连接，微处理器207依次与微波源204、磁场控制模块205、电流控制模块208连接，电流控制模块208与磁场控制模块205连接。本实施例中，优选的，滤光单元202呈泡状腔体结构。光源201用于辐射光束的元素是M，滤光单元中工作物质是所述M元素的同位素N元素。其中，光源201辐射的光束通过滤光单元202进行滤光处理，处理后的光束传送至共振吸收模块203。[0021]本实施例中，共振吸收模块203包括:共振吸收单元、谐振腔。优选的，共振吸收单元呈泡状腔体结构，谐振腔呈圆柱形腔体结构。同时，共振吸收单元置于谐振腔内部，用于为经所述滤光单元滤光后的光束完成共振跃迁。本实施例中，优选的，磁场控制模块205包括:漆包线、电流开关209。其中，漆包线缠绕在谐振腔外壁上，并通过电流开关209与电流控制模块208连接。本实施例中，电流控制模块208输出电流为恒流，微处理器207通过调节控制电流控制模块208输出电流强度进而调节控制磁场控制模块205磁场强度。本实施例中，微波源204输出信号频率通过微处理器207进行调节控制，微波源204输出信号频率控制在M元素原子基态超精细结构跃迁中心频率附近，完成整个原子谱线的扫频。优选的，M元素是87Rb, N元素是85Rb。本实施例提供的测量系统在测量剩场量绝对值之前，先简要阐述本发明实施例的设计理论依据以便于本发明实施例的理解与实施。磁致频移是由于原子能级的塞曼效应引起的，对于87Rb原子的基态超精细能级其塞曼分裂为:E(F, Mf) =E0(f) +A1H+A2H2+A3H3+—(I)参见图3所示的87Rb原子能级图，在进行87Rb原子基态超精细结构共振跃迁探测时，有7个跃迁，其中包括一个0-0跃迁，即基态能级中的<F=2，mF=0>和<F=1，mF=0>这两个能级之间跃迁频率的精确值为6834.68XXXX MHz (外磁场H=O)，后四位数字由磁场和缓冲气体的微扰确定。 这也就是所谓的量子鉴频频率值。由式(1)可知:对于原子基态超精细结构非0 — 0跃迁而言，其频率对磁场H较为敏感，而对于0 — 0跃迁而言，其频率仅与H的二次方成正比，与H的一次方无关，对外界磁场较不敏感。所以当系统中磁场发生变化，首当其冲的是会引起非0-0跃迁频率明显的变化。但是为更好地应用本发明，提高测量精度，因此也要对0-0跃迁进行研究。87Rb原子0 — 0跃迁频率对外界磁场的敏感度远比其它跃迁低，但磁场对0 — 0跃迁频率的影响仍然不可忽视。有经验公式:f = f0+574H2(2)式中&为外界磁场为零时的频率，f是外界磁场为H时的频率。式(2)中H (磁场)的单位为“高斯”，f (共振频率)的单位为“赫兹”。由式(2)可得Af与AH的关系:Af=I 148.28HAH(3)式(3)两边除以原子共振中心频率fQ (取fQ = 6834.6875MHz)有:Af/fQ=l.68*1(T7HAH(4)式(4)不出了磁场变化与原子0 — 0跃迁关系。基于上述理念，设计出本发明提供的一种基于塞曼频率的剩场量测量系统。在实际测量过程中，通过本发明提供的一种基于塞曼频率的剩场量测量系统按照如下步骤进行测量操作:步骤S1:通过电流控制模块208及电流开关209调节控制磁场控制模块205的磁场电流为正方向，进而通过磁场控制模块205给用于“原子分裂及量子化轴”的共振吸收模块203提供一个磁场强度为C的磁场；步骤S2:通过微处理器207控制微波源204输出信号频率，进而控制共振吸收模块203完成一次光共振吸收过程；步骤S3:通过光电检测单元206检测共振吸收模块203输出的光信号幅度值V，并将所述V值传输至微处理器207进行存储，微处理器207同时记录此时微波源204输出信号频率值F ；步骤S4:通过微处理器207调节控制微波源204输出信号频率，完成原子谱线扫频，并根据记录数值绘制V— F关系曲线，如图4所示，对于七个峰值中，找出峰值F1、F2、F3 ；步骤S5:通过电流控制模块208及电流开关209调节控制磁场控制模块205的磁场电流为负方向， 按照上述步骤S2—步骤S4操作获得峰值F4、F5、F6 ；步骤S6:依次计算峰值F1、峰值F2对应频差F21=F2—Fl ;峰值F2、峰值F3对应频差F32=F3—F2;峰值F5、峰值F4对应频差F54=F5—F4 ；峰值F5、峰值F6对应频差F65=F6—F5;并定义对应频差为塞曼频率；步骤S7:依次计算出F21、F32 二者平均值F7 ;计算出F54、F65 二者平均值F8 ;进而计算出磁场电流方向改变前后微波源204输出的信号频率变化量Λ F= I F8-F7 | ；步骤S8:根据传统磁场量原子吸收峰的频率关系数值Α，计算出剩场量绝对值B= Δ F/A。优选的，按照上述测量步骤获得一组测量数据:峰 2 (MHz)峰 I (MHz) 峰 3 (MHz)磁场电流正方向6834.33890 (Fl) 6834.41217 (F2) 6834.48558 (F3)磁场电流负方向6834.34086 (F4) 6834.41216 (F5) 6834.48348 (F6)因此得到磁场电流方向在改变前后塞曼频率分别为(F21=73.27KHz、F32=73.41KHz)、(F54=71.30KHz、F65=71.32KHz)，分别对 F21、F32 二者取平均值及 F54、F65二者取平均值后，获得磁场电流方向在改变前后塞曼频率变化量为Λ F=2.03KHz。因为本发明提供的测量系统在测量过程中，并没有改变磁场电流的大小值，只是将磁场电流进行了反向处理，也就是说人为产生的原子分裂与量子化轴用的磁场强度是不会发生改变的，即附图4中的塞曼频率应该不会发生大小变化，但是通过本发明提供的实施例，在磁场电流发生反向的前后测量获得的塞曼频率却相差Λ F=2.03KHz，这一差值就是系统中剩场的贡献，根据传统磁场量原子吸收峰的频率关系数值A(磁强强度与塞曼频率间的关系)，优选地，A=0.7KHz/lmG,比较塞曼频率在磁场电流方向改变前后的值，就能估算出剩场的大小绝对值为2.03KHz/(0.7KHz/lmG) =2.9mG。本实用新型提供的一种基于塞曼频率的剩场量测量系统，包括光源201、微处理器207、滤光单元202、共振吸收模块203、光电检测单元206、微波源204、磁场控制模块205及电流控制模块208。其中，光源201与滤光单元202连接，滤光单元202与共振吸收模块203连接，共振吸收模块203依次与微波源204、磁场控制模块205、光电检测单元连接206，微处理器207依次与微波源204、磁场控制模块205、电流控制模块208连接，电流控制模块208与磁场控制模块205连接。本实用新型通过电流控制模块208改变磁场控制模块205中磁场电流的电流方向，并通过微处理器207控制微波源204输出信号频率，进而完成整个原子谱线的扫频，同时记录整个过程中共振吸收模块203输出的光信号幅度值V与微波源204的信号频率值F，最终实现对剩场量绝对值的测量计算。本实用新型具有结构简单、易操作、测量精度高的特点。 最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.一种基于塞曼频率的剩场量测量系统，包括光源(201)、微处理器(207)，其特征在于，还包括:用于对所述光源(201)辐射的光束进行滤光的滤光单元(202)、用于为经过所述滤光单元(202)滤光处理的光束完成共振跃迁的共振吸收模块(203)、用于对所述共振吸收模块(203)输出的光信号进行检测的光电检测单元(206)、用于为所述共振吸收模块(203)提供能量的微波源(204)、用于为所述共振吸收模块(203)完成原子分裂及量子化轴提供磁场的磁场控制模块(205)及用于调节控制所述磁场控制模块(205)的电流控制模块(208)； 所述光源(201)与所述滤光单元(202 )连接，所述滤光单元(202 )与所述共振吸收模块(203)连接，所述共振吸收模块(203)依次与所述微波源(204)、所述磁场控制模块(205)、所述光电检测单元(206 )连接，所述微处理器(207 )依次与所述微波源(204 )、所述磁场控制模块(205 )、所述电流控制模块(208 )连接，所述电流控制模块(208 )与所述磁场控制模块(205)连接。
2.根据权利要求1所述基于塞曼频率的剩场量测量系统，其特征在于: 所述滤光单元(202)呈泡状腔体结构，所述光源(201)用于辐射光束的元素是M，所述滤光单元(202)中工作物质是所述M元素的同位素N元素； 所述光源(201)辐射的光束通过所述滤光单元(202)进行滤光处理，并通过所述滤光单元(202)传送至所述共振吸收模块(203)。
3.根据权利要求2所述基于塞曼频率的剩场量测量系统，其特征在于，所述共振吸收模块(203)包括:共振吸收单元、谐振腔(I)； 所述共振吸收单元呈泡状腔体结构，所述谐振腔(I)呈圆柱形腔体结构，所述共振吸收单元置于所述谐振腔(I)内部，用于为经所述滤光单元(202)滤光后的光束完成共振跃迁。
4.根据权利要求3所述基于塞曼频率的剩场量测量系统，其特征在于，所述磁场控制模块(205)包括:漆包线(2)、电流开关(209)； 所述漆包线(2 )缠绕在所述谐振腔(I)外壁上，并通过所述电流开关(209 )与所述电流控制模块(208)连接。
5.根据权利要求4所述基于塞曼频率的剩场量测量系统，其特征在于: 所述电流控制模块(208)输出电流为恒流，所述微处理器(207)通过所述电流控制模块(208)调节控制所述磁场控制模块(205)磁场强度。
6.根据权利要求5所述基于塞曼频率的剩场量测量系统，其特征在于: 所述微波源(204)输出信号频率通过所述微处理器(207)进行调节控制，所述微波源(204)输出信号频率控制在所述M元素原子基态超精细结构跃迁中心频率附近。
7.根据权利要求2-6任一项所述基于塞曼频率的剩场量测量系统，其特征在于: 所述M元素是87Rb,所述N元素是85Rb。
专利摘要本实用新型公开了一种基于塞曼频率的剩场量测量系统,包括光源、微处理器、滤光单元、共振吸收模块、光电检测单元、微波源、磁场控制模块及电流控制模块。其中，光源与滤光单元连接，滤光单元与共振吸收模块连接，共振吸收模块依次与微波源、磁场控制模块、光电检测单元连接，微处理器依次与微波源、磁场控制模块、电流控制模块连接，电流控制模块与磁场控制模块连接。本实用新型通过电流控制模块改变磁场控制模块中磁场电流的电流方向，并通过微处理器控制微波源输出信号频率，进而完成整个原子谱线的扫频，同时记录整个过程中共振吸收模块输出的光信号幅度值V与微波源的信号频率值F，最终实现对剩场量绝对值的测量计算。
文档编号G01R33/02GK202995014SQ20122060605
公开日2013年6月12日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者雷海东 申请人:江汉大学