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)間在線測量方法實(shí)驗(yàn)　

　　研究方向：精密測量　　

　　測試目的：　

　　核磁共振陀螺中探測光頻率變動(dòng)將導(dǎo)致內(nèi)嵌磁力儀所測信號(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激光穩(wěn)頻方法，即對探測光頻率加上一個(gè)幅度調(diào)制，然后對平衡探測器接收到的光強(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線圈和磁場梯度線圈，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，對堿金屬原子自旋進(jìn)行光泵浦。

　　探測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施加的初始條件下將平衡探測器的輸出調(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通過平衡探測器來探測。

　　接下來，平衡探測器的差分輸出信號(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偏移，偏移的原因推測是隨著溫度的升高87Rb原子自旋的極化場也增強(qiáng)，使得z軸磁場發(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)測量結(jié)果

　　溫度越低則弛豫速率越大，推測是因?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)

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