本發(fā)明屬于原子磁強(qiáng)計(jì)關(guān)鍵性能參數(shù)測(cè)量和分析領(lǐng)域，具體涉及一種serf態(tài)下在線測(cè)量原子磁強(qiáng)計(jì)氣室內(nèi)堿金屬密度的方法。

背景技術(shù)：

serf(無自旋交換弛豫)原子磁強(qiáng)計(jì)是一種工作在serf態(tài)下，利用原子自旋的塞曼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量的儀器。堿金屬氣室是serf原子磁強(qiáng)計(jì)的核心敏感元件，其中的堿金屬原子密度直接制約了磁強(qiáng)計(jì)的本征靈敏度。因此，在維持serf態(tài)下，僅利用原子磁強(qiáng)計(jì)本身，實(shí)現(xiàn)封閉氣室內(nèi)堿金屬原子密度精確測(cè)量具有重要的意義。

目前，激光吸收光譜法和法拉第光旋方法是檢測(cè)氣室內(nèi)的堿金屬原子密度的兩種主要方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在453k下激光吸收光譜法的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算結(jié)果相差達(dá)10倍。這種方法的精度受限于洛倫茲線形的展寬和扭曲。法拉第光旋方法是利用線偏振光的法拉第旋光效應(yīng)測(cè)量堿金屬原子密度。結(jié)果表明，該方法與激光吸收光譜法具有近似的測(cè)量精度。然而，這種方法需要施加一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)(～1.2t)，可能會(huì)將原子磁強(qiáng)計(jì)的磁屏蔽桶磁化，影響磁屏蔽效果。此外，這兩種方法都需要利用其它裝置，且無法在原子磁強(qiáng)計(jì)serf態(tài)下工作。因此，均無法滿足serf原子磁強(qiáng)計(jì)在線測(cè)量堿金屬原子密度的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種serf態(tài)下在線測(cè)量原子磁強(qiáng)計(jì)氣室內(nèi)堿金屬密度的方法及裝置，實(shí)現(xiàn)serf態(tài)需要光抽運(yùn)，極化原子自旋；高堿金屬原子密度，增加原子自旋碰撞率；弱磁環(huán)境。在維持serf態(tài)的條件下，僅利用原子磁強(qiáng)計(jì)本身，精確測(cè)量封閉氣室內(nèi)堿金屬原子密度。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種serf態(tài)下在線測(cè)量原子磁強(qiáng)計(jì)氣室內(nèi)堿金屬密度的方法，在原子磁強(qiáng)計(jì)上施加弱背景磁場(chǎng)和橫向線性調(diào)頻信號(hào)。利用數(shù)據(jù)采集卡采集掃頻時(shí)間內(nèi)磁強(qiáng)計(jì)的響應(yīng)信號(hào)，通過快速傅里葉變換得到頻域內(nèi)的磁共振曲線，并分析得到該曲線的共振線寬和共振頻率。改變背景磁場(chǎng)，獲得多組共振線寬和共振頻率，對(duì)其進(jìn)行擬合處理可得到自旋交換時(shí)間，從而計(jì)算出該溫度下氣室內(nèi)堿金屬原子密度。

其中，通過主動(dòng)磁補(bǔ)償線圈在原子磁強(qiáng)計(jì)上施加50nt以內(nèi)的弱背景磁場(chǎng)和橫向線性調(diào)頻信號(hào)。

其中，橫向線性調(diào)頻信號(hào)的帶寬覆蓋共振頻率，且為所加背景磁場(chǎng)相應(yīng)磁共振幅頻曲線線寬的5倍以上。

其中，多組共振線寬和共振頻率依照二次曲線進(jìn)行擬合，二次項(xiàng)系數(shù)正比于自旋交換時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算堿金屬原子密度。

其中，本發(fā)明僅用原子磁強(qiáng)計(jì)本身即可實(shí)現(xiàn)。其中，原子磁強(qiáng)計(jì)中間部分包括堿金屬氣室及其外層的無磁電加熱裝置、小真空腔、磁補(bǔ)償線圈和磁屏蔽桶，無磁電加熱裝置用于給堿金屬氣室加熱，小真空腔用于減弱熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，磁屏蔽桶用于隔離環(huán)境磁場(chǎng)的干擾，磁補(bǔ)償線圈連接至函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，用于在xyz三個(gè)垂直方向產(chǎn)生磁場(chǎng)；原子磁強(qiáng)計(jì)抽運(yùn)光路在z方向，包括抽運(yùn)激光器、擴(kuò)束器、起偏器和四分之一波片，作用是產(chǎn)生圓偏振光極化堿金屬原子；原子磁強(qiáng)計(jì)檢測(cè)光路在x方向，包括檢測(cè)激光器、起偏器、二分之一波片、偏振分光棱鏡、反射鏡和平衡探測(cè)器，作用是檢測(cè)背景磁場(chǎng)下原子自旋進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的線偏振檢測(cè)光偏振面的光旋角。平衡探測(cè)器的輸出信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡采集。抽運(yùn)光與檢測(cè)光正交于堿金屬氣室的中心位置。

該本發(fā)明包括測(cè)試和數(shù)據(jù)分析兩部分，具體步驟如下：

步驟1、根據(jù)堿金屬種類，堿金屬氣室通過無磁電加熱裝置加熱至140℃至200℃之間，開啟抽運(yùn)激光器，擴(kuò)束器使抽運(yùn)光足以覆蓋堿金屬氣室，經(jīng)起偏器獲得線偏振光，線偏振光經(jīng)四分之一波片得到沿z方向傳播的圓偏振抽運(yùn)光，將波長(zhǎng)調(diào)至堿金屬原子的d1線；為保證原子自旋低極化率，調(diào)節(jié)抽運(yùn)光光功率密度不超過0.2mw/cm²；開啟檢測(cè)激光器，經(jīng)起偏器獲得沿x方向傳播的線偏振檢測(cè)光，將波長(zhǎng)調(diào)諧至堿金屬原子的d2線，再失諧直到磁強(qiáng)計(jì)響應(yīng)信號(hào)的峰峰值最大，調(diào)節(jié)二分之一波片，使得在未抽運(yùn)時(shí)偏振分光棱鏡的透射光和反射光光功率密度相等，即平衡探測(cè)器輸出信號(hào)為零；

步驟2、通過磁補(bǔ)償線圈補(bǔ)償磁屏蔽桶內(nèi)剩磁，然后重復(fù)以下步驟：在z方向施加背景磁場(chǎng)，背景磁場(chǎng)不應(yīng)超過50nt，在y方向施加掃頻時(shí)間不少于100s的線性調(diào)頻信號(hào)，其頻率范圍應(yīng)當(dāng)包含z方向背景磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的共振頻率，同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡采集該時(shí)間段內(nèi)磁強(qiáng)計(jì)響應(yīng)信號(hào)；

步驟3、對(duì)采集卡采集到的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，將所得頻域信號(hào)擬合到serf磁強(qiáng)計(jì)響應(yīng)的幅頻理論曲線得到多組共振頻率和線寬，擬合公式為：

其中a和b為方便擬合所用的系數(shù)。

步驟4、將不同弱背景磁場(chǎng)下測(cè)得的多組共振線寬和共振頻率依照二次曲線進(jìn)行擬合得到自旋交換時(shí)間tse，其擬合公式為：

其中c和d為方便擬合所用的系數(shù)。進(jìn)而根據(jù)以下公式計(jì)算堿金屬原子密度：

其中，n代表堿金屬原子密度，其它參量均為常量或已知量：σse是自旋交換碰撞截面積，kb是玻爾茲曼常數(shù)，t是用開爾文單位表示的溫度，m是堿金屬原子的平均質(zhì)量。

本發(fā)明技術(shù)方案的原理是：

在原子磁強(qiáng)計(jì)的y方向施加一個(gè)震蕩磁場(chǎng)其中，b′是震蕩磁場(chǎng)幅值，ω是震蕩頻率。這個(gè)磁場(chǎng)可以分解為兩個(gè)反向傳播的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：

設(shè)磁強(qiáng)計(jì)的z方向存在一背景磁場(chǎng)b0，其對(duì)應(yīng)的共振頻率為ω0。

其中，是z方向單位矢量，γ^e是電子旋磁比，q(p)是核子減慢因子，是與堿金屬種類有關(guān)的常量。serf磁強(qiáng)計(jì)的響應(yīng)信號(hào)為兩個(gè)中心頻率分別在±ω0的洛倫茲曲線之和：

其中，是不加任何震蕩激勵(lì)時(shí)的穩(wěn)態(tài)原子自旋極化率，δω是磁共振線寬。

因?yàn)閟erf磁強(qiáng)計(jì)的磁共振頻率很低，所以-ω0曲線的影響在擬合時(shí)必須要考慮?；诖?，serf磁強(qiáng)計(jì)響應(yīng)的幅頻理論曲線擬合公式為：

其中a和b為方便擬合所用的系數(shù)。在低極化率和弱背景磁場(chǎng)下，磁共振線寬與磁共振中心頻率ω0的二次方成線性關(guān)系：

從而得到擬合公式為：

其中c和d為方便擬合所用的系數(shù)，tse是自旋交換時(shí)間，其倒數(shù)正比于堿金屬原子密度：

其中，n代表堿金屬原子密度，其它參量均為常量或已知量：σse是自旋交換碰撞截面積，kb是玻爾茲曼常數(shù)，t是用開爾文單位表示的溫度，m是堿金屬原子的平均質(zhì)量。

因此，將不同弱背景磁場(chǎng)下測(cè)得的多組共振線寬和共振頻率依照二次曲線進(jìn)行擬合，通過二次項(xiàng)系數(shù)可得自旋交換時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算堿金屬原子密度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明僅利用serf磁強(qiáng)計(jì)本身實(shí)現(xiàn)氣室內(nèi)堿金屬原子密度在線測(cè)量。

(2)本發(fā)明在維持serf態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。

(3)通過將不同弱背景磁場(chǎng)下測(cè)得的多組共振線寬和共振頻率依照二次曲線進(jìn)行擬合，不僅可以獲得自旋交換時(shí)間，還可以獲得零磁場(chǎng)下的極限線寬，這是評(píng)估serf磁強(qiáng)計(jì)理論靈敏度的重要參數(shù)。

(4)線性調(diào)頻信號(hào)在低頻段(1khz以內(nèi))可獲得較好的頻率分辨率，適用于serf磁強(qiáng)計(jì)弱磁場(chǎng)要求的低頻段掃頻范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置系統(tǒng)示意圖；

圖2為鉀原子磁強(qiáng)計(jì)在170℃，所加背景磁場(chǎng)從2nt變化至46nt時(shí)測(cè)到的共振頻率和共振線寬的及其二次擬合曲線。

附圖標(biāo)記列示如下：1-抽運(yùn)激光器，2-擴(kuò)束器，3-起偏器，4-四分之一波片，5-磁補(bǔ)償線圈，6-堿金屬氣室，7-無磁電加熱裝置，8-小真空腔，9-磁屏蔽桶，10-檢測(cè)激光器，11-起偏器，12-二分之一波片，13-偏振分光棱鏡，14-平衡探測(cè)器，15-數(shù)據(jù)采集卡，16-反射鏡，17-函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明僅利用原子磁強(qiáng)計(jì)本身即可實(shí)現(xiàn)。其中，原子磁強(qiáng)計(jì)包括堿金屬氣室6及其外層的無磁電加熱裝置7、小真空腔8、磁補(bǔ)償線圈5和磁屏蔽桶9，無磁電加熱裝置7用于給堿金屬氣室6加熱，小真空腔8用于減弱熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，磁屏蔽桶9用于隔離環(huán)境磁場(chǎng)的干擾，磁補(bǔ)償線圈5連接至函數(shù)信號(hào)發(fā)生器17，用于在xyz三個(gè)垂直方向產(chǎn)生磁場(chǎng)；原子磁強(qiáng)計(jì)抽運(yùn)光路在z方向，包括抽運(yùn)激光器1、擴(kuò)束器2、起偏器3和四分之一波片4，作用是產(chǎn)生圓偏振光極化堿金屬原子；原子磁強(qiáng)計(jì)檢測(cè)光路在x方向，包括檢測(cè)激光器10、起偏器11、二分之一波片12、偏振分光棱鏡13、反射鏡16和平衡探測(cè)器14，作用是檢測(cè)背景磁場(chǎng)下原子自旋進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的線偏振檢測(cè)光偏振面的光旋角。平衡探測(cè)器14的輸出信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡15采集。抽運(yùn)光與檢測(cè)光正交于堿金屬氣室6的中心位置。

本發(fā)明包括測(cè)試和數(shù)據(jù)分析兩部分，具體步驟如下：

步驟1、根據(jù)堿金屬種類，堿金屬氣室6通過無磁電加熱裝置7加熱至140℃至200℃之間，開啟抽運(yùn)激光器1，擴(kuò)束器2使抽運(yùn)光足以覆蓋堿金屬氣室6，經(jīng)起偏器3獲得線偏振光，線偏振光經(jīng)四分之一波片4得到沿z方向傳播的圓偏振抽運(yùn)光，將波長(zhǎng)調(diào)至堿金屬原子的d1線；為保證原子自旋低極化率調(diào)節(jié)抽運(yùn)光光功率密度不超過0.2mw/cm²；開啟檢測(cè)激光器10，經(jīng)起偏器11獲得沿x方向傳播的線偏振檢測(cè)光，將波長(zhǎng)調(diào)諧至堿金屬原子的d2線，再失諧直到磁強(qiáng)計(jì)響應(yīng)信號(hào)的峰峰值最大，調(diào)節(jié)二分之一波片12，使得在未抽運(yùn)時(shí)偏振分光棱鏡13的透射光和反射光光功率密度相等，即平衡探測(cè)器14輸出信號(hào)為零；

步驟2、通過磁補(bǔ)償線圈5補(bǔ)償磁屏蔽桶9內(nèi)剩磁，然后重復(fù)以下步驟：在z方向施加背景磁場(chǎng)，背景磁場(chǎng)不應(yīng)超過50nt，在y方向施加掃頻時(shí)間不少于100s的線性調(diào)頻信號(hào)，其頻率范圍應(yīng)當(dāng)包含z方向背景磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的共振頻率，同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡(15)采集該時(shí)間段內(nèi)磁強(qiáng)計(jì)響應(yīng)信號(hào)；

步驟3、對(duì)數(shù)據(jù)采集卡15采集到的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，將所得頻域信號(hào)擬合到serf磁強(qiáng)計(jì)響應(yīng)的幅頻理論曲線得到多組共振頻率和線寬，擬合公式為：

其中a和b為方便擬合所用的系數(shù)。

步驟4、將不同弱背景磁場(chǎng)下測(cè)得的多組共振線寬和共振頻率依照二次曲線進(jìn)行擬合得到自旋交換時(shí)間tse，其擬合公式為：

其中c和d為方便擬合所用的系數(shù)。進(jìn)而根據(jù)以下公式計(jì)算堿金屬原子密度：

其中，n代表堿金屬原子密度，其它參量均為常量或已知量：σse是自旋交換碰撞截面積，kb是玻爾茲曼常數(shù)，t是用開爾文單位表示的溫度，m是堿金屬原子的平均質(zhì)量。

如圖2所示，為鉀原子磁強(qiáng)計(jì)在170℃，所加背景磁場(chǎng)從2nt變化至46nt時(shí)測(cè)到的共振頻率和共振線寬的及其二次擬合曲線。通過擬合結(jié)果可知，自旋交換時(shí)間約為2.1×10^-5s，相應(yīng)鉀原子密度為3.7×10¹³cm^-3。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。