一种SERF态下在线测量原子磁强计气室内碱金属密度的方法与流程

本发明属于原子磁强计关键性能参数测量和分析领域，具体涉及一种serf态下在线测量原子磁强计气室内碱金属密度的方法。

背景技术：

serf(无自旋交换弛豫)原子磁强计是一种工作在serf态下，利用原子自旋的塞曼效应实现磁场测量的仪器。碱金属气室是serf原子磁强计的核心敏感元件，其中的碱金属原子密度直接制约了磁强计的本征灵敏度。因此，在维持serf态下，仅利用原子磁强计本身，实现封闭气室内碱金属原子密度精确测量具有重要的意义。

目前，激光吸收光谱法和法拉第光旋方法是检测气室内的碱金属原子密度的两种主要方法。实验结果表明，在453k下激光吸收光谱法的实验测量值与理论计算结果相差达10倍。这种方法的精度受限于洛伦兹线形的展宽和扭曲。法拉第光旋方法是利用线偏振光的法拉第旋光效应测量碱金属原子密度。结果表明，该方法与激光吸收光谱法具有近似的测量精度。然而，这种方法需要施加一个强磁场(～1.2t)，可能会将原子磁强计的磁屏蔽桶磁化，影响磁屏蔽效果。此外，这两种方法都需要利用其它装置，且无法在原子磁强计serf态下工作。因此，均无法满足serf原子磁强计在线测量碱金属原子密度的需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种serf态下在线测量原子磁强计气室内碱金属密度的方法及装置，实现serf态需要光抽运，极化原子自旋；高碱金属原子密度，增加原子自旋碰撞率；弱磁环境。在维持serf态的条件下，仅利用原子磁强计本身，精确测量封闭气室内碱金属原子密度。

本发明采用的技术方案为：一种serf态下在线测量原子磁强计气室内碱金属密度的方法，在原子磁强计上施加弱背景磁场和横向线性调频信号。利用数据采集卡采集扫频时间内磁强计的响应信号，通过快速傅里叶变换得到频域内的磁共振曲线，并分析得到该曲线的共振线宽和共振频率。改变背景磁场，获得多组共振线宽和共振频率，对其进行拟合处理可得到自旋交换时间，从而计算出该温度下气室内碱金属原子密度。

其中，通过主动磁补偿线圈在原子磁强计上施加50nt以内的弱背景磁场和横向线性调频信号。

其中，横向线性调频信号的带宽覆盖共振频率，且为所加背景磁场相应磁共振幅频曲线线宽的5倍以上。

其中，多组共振线宽和共振频率依照二次曲线进行拟合，二次项系数正比于自旋交换时间，进而计算碱金属原子密度。

其中，本发明仅用原子磁强计本身即可实现。其中，原子磁强计中间部分包括碱金属气室及其外层的无磁电加热装置、小真空腔、磁补偿线圈和磁屏蔽桶，无磁电加热装置用于给碱金属气室加热，小真空腔用于减弱热对流和热传导，磁屏蔽桶用于隔离环境磁场的干扰，磁补偿线圈连接至函数信号发生器，用于在xyz三个垂直方向产生磁场；原子磁强计抽运光路在z方向，包括抽运激光器、扩束器、起偏器和四分之一波片，作用是产生圆偏振光极化碱金属原子；原子磁强计检测光路在x方向，包括检测激光器、起偏器、二分之一波片、偏振分光棱镜、反射镜和平衡探测器，作用是检测背景磁场下原子自旋进动产生的线偏振检测光偏振面的光旋角。平衡探测器的输出信号通过数据采集卡采集。抽运光与检测光正交于碱金属气室的中心位置。

该本发明包括测试和数据分析两部分，具体步骤如下：

步骤1、根据碱金属种类，碱金属气室通过无磁电加热装置加热至140℃至200℃之间，开启抽运激光器，扩束器使抽运光足以覆盖碱金属气室，经起偏器获得线偏振光，线偏振光经四分之一波片得到沿z方向传播的圆偏振抽运光，将波长调至碱金属原子的d1线；为保证原子自旋低极化率，调节抽运光光功率密度不超过0.2mw/cm²；开启检测激光器，经起偏器获得沿x方向传播的线偏振检测光，将波长调谐至碱金属原子的d2线，再失谐直到磁强计响应信号的峰峰值最大，调节二分之一波片，使得在未抽运时偏振分光棱镜的透射光和反射光光功率密度相等，即平衡探测器输出信号为零；

步骤2、通过磁补偿线圈补偿磁屏蔽桶内剩磁，然后重复以下步骤：在z方向施加背景磁场，背景磁场不应超过50nt，在y方向施加扫频时间不少于100s的线性调频信号，其频率范围应当包含z方向背景磁场对应的共振频率，同时数据采集卡采集该时间段内磁强计响应信号；

步骤3、对采集卡采集到的信号进行快速傅里叶变换，将所得频域信号拟合到serf磁强计响应的幅频理论曲线得到多组共振频率和线宽，拟合公式为：

其中a和b为方便拟合所用的系数。

步骤4、将不同弱背景磁场下测得的多组共振线宽和共振频率依照二次曲线进行拟合得到自旋交换时间tse，其拟合公式为：

其中c和d为方便拟合所用的系数。进而根据以下公式计算碱金属原子密度：

其中，n代表碱金属原子密度，其它参量均为常量或已知量：σse是自旋交换碰撞截面积，kb是玻尔兹曼常数，t是用开尔文单位表示的温度，m是碱金属原子的平均质量。

本发明技术方案的原理是：

在原子磁强计的y方向施加一个震荡磁场其中，b′是震荡磁场幅值，ω是震荡频率。这个磁场可以分解为两个反向传播的旋转磁场：

设磁强计的z方向存在一背景磁场b0，其对应的共振频率为ω0。

其中，是z方向单位矢量，γ^e是电子旋磁比，q(p)是核子减慢因子，是与碱金属种类有关的常量。serf磁强计的响应信号为两个中心频率分别在±ω0的洛伦兹曲线之和：

其中，是不加任何震荡激励时的稳态原子自旋极化率，δω是磁共振线宽。

因为serf磁强计的磁共振频率很低，所以-ω0曲线的影响在拟合时必须要考虑。基于此，serf磁强计响应的幅频理论曲线拟合公式为：

其中a和b为方便拟合所用的系数。在低极化率和弱背景磁场下，磁共振线宽与磁共振中心频率ω0的二次方成线性关系：

从而得到拟合公式为：

其中c和d为方便拟合所用的系数，tse是自旋交换时间，其倒数正比于碱金属原子密度：

其中，n代表碱金属原子密度，其它参量均为常量或已知量：σse是自旋交换碰撞截面积，kb是玻尔兹曼常数，t是用开尔文单位表示的温度，m是碱金属原子的平均质量。

因此，将不同弱背景磁场下测得的多组共振线宽和共振频率依照二次曲线进行拟合，通过二次项系数可得自旋交换时间，进而计算碱金属原子密度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明仅利用serf磁强计本身实现气室内碱金属原子密度在线测量。

(2)本发明在维持serf态下进行测量。

(3)通过将不同弱背景磁场下测得的多组共振线宽和共振频率依照二次曲线进行拟合，不仅可以获得自旋交换时间，还可以获得零磁场下的极限线宽，这是评估serf磁强计理论灵敏度的重要参数。

(4)线性调频信号在低频段(1khz以内)可获得较好的频率分辨率，适用于serf磁强计弱磁场要求的低频段扫频范围。

附图说明

图1为本发明装置系统示意图；

图2为钾原子磁强计在170℃，所加背景磁场从2nt变化至46nt时测到的共振频率和共振线宽的及其二次拟合曲线。

附图标记列示如下：1-抽运激光器，2-扩束器，3-起偏器，4-四分之一波片，5-磁补偿线圈，6-碱金属气室，7-无磁电加热装置，8-小真空腔，9-磁屏蔽桶，10-检测激光器，11-起偏器，12-二分之一波片，13-偏振分光棱镜，14-平衡探测器，15-数据采集卡，16-反射镜，17-函数信号发生器。

具体实施方式

下面通过附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明仅利用原子磁强计本身即可实现。其中，原子磁强计包括碱金属气室6及其外层的无磁电加热装置7、小真空腔8、磁补偿线圈5和磁屏蔽桶9，无磁电加热装置7用于给碱金属气室6加热，小真空腔8用于减弱热对流和热传导，磁屏蔽桶9用于隔离环境磁场的干扰，磁补偿线圈5连接至函数信号发生器17，用于在xyz三个垂直方向产生磁场；原子磁强计抽运光路在z方向，包括抽运激光器1、扩束器2、起偏器3和四分之一波片4，作用是产生圆偏振光极化碱金属原子；原子磁强计检测光路在x方向，包括检测激光器10、起偏器11、二分之一波片12、偏振分光棱镜13、反射镜16和平衡探测器14，作用是检测背景磁场下原子自旋进动产生的线偏振检测光偏振面的光旋角。平衡探测器14的输出信号通过数据采集卡15采集。抽运光与检测光正交于碱金属气室6的中心位置。

本发明包括测试和数据分析两部分，具体步骤如下：

步骤1、根据碱金属种类，碱金属气室6通过无磁电加热装置7加热至140℃至200℃之间，开启抽运激光器1，扩束器2使抽运光足以覆盖碱金属气室6，经起偏器3获得线偏振光，线偏振光经四分之一波片4得到沿z方向传播的圆偏振抽运光，将波长调至碱金属原子的d1线；为保证原子自旋低极化率调节抽运光光功率密度不超过0.2mw/cm²；开启检测激光器10，经起偏器11获得沿x方向传播的线偏振检测光，将波长调谐至碱金属原子的d2线，再失谐直到磁强计响应信号的峰峰值最大，调节二分之一波片12，使得在未抽运时偏振分光棱镜13的透射光和反射光光功率密度相等，即平衡探测器14输出信号为零；

步骤2、通过磁补偿线圈5补偿磁屏蔽桶9内剩磁，然后重复以下步骤：在z方向施加背景磁场，背景磁场不应超过50nt，在y方向施加扫频时间不少于100s的线性调频信号，其频率范围应当包含z方向背景磁场对应的共振频率，同时数据采集卡(15)采集该时间段内磁强计响应信号；

步骤3、对数据采集卡15采集到的信号进行快速傅里叶变换，将所得频域信号拟合到serf磁强计响应的幅频理论曲线得到多组共振频率和线宽，拟合公式为：

其中a和b为方便拟合所用的系数。

步骤4、将不同弱背景磁场下测得的多组共振线宽和共振频率依照二次曲线进行拟合得到自旋交换时间tse，其拟合公式为：

其中c和d为方便拟合所用的系数。进而根据以下公式计算碱金属原子密度：

其中，n代表碱金属原子密度，其它参量均为常量或已知量：σse是自旋交换碰撞截面积，kb是玻尔兹曼常数，t是用开尔文单位表示的温度，m是碱金属原子的平均质量。

如图2所示，为钾原子磁强计在170℃，所加背景磁场从2nt变化至46nt时测到的共振频率和共振线宽的及其二次拟合曲线。通过拟合结果可知，自旋交换时间约为2.1×10^-5s，相应钾原子密度为3.7×10¹³cm^-3。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。