本發(fā)明屬于磁探技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種自激式銫光泵原子磁力儀，主要提供了一種小型銫光泵磁力儀探頭。

背景技術(shù)：

磁場無處不在，大到宇宙空間、星系、黑洞、恒星、行星，小到生物器官、電子芯片、原子都存在磁場。磁力儀是一種可測(cè)量其所處位置磁場值、磁場梯度、磁傾角、磁偏角的儀器，可用于勘探地質(zhì)、礦產(chǎn)、古遺址，檢測(cè)金屬產(chǎn)品內(nèi)部缺陷，探測(cè)水下磁異常目標(biāo)等。俄羅斯曾用磁力儀成功預(yù)報(bào)了地震，對(duì)預(yù)防重大災(zāi)害有重要意義，高靈敏度的磁力儀可用于診斷腦部和心臟疾病。磁力儀按原理可分為磁通門磁力儀、質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、原子磁力儀、超導(dǎo)磁力儀等，它們的靜態(tài)靈敏度分別為0.1nT/√Hz、50pT/√Hz、pT/√Hz、fT/√Hz量級(jí)。其中，原子磁力儀具有體積小、靈敏度高、工作于常溫的優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于航天、航空、海洋等領(lǐng)域。

銫光泵原子磁力儀是通過測(cè)量Cs¹³³原子磁距在磁場中的進(jìn)動(dòng)頻率從而計(jì)算出磁場值的儀器。對(duì)一個(gè)原子系統(tǒng)，當(dāng)存在靜磁場B時(shí)，原子磁距繞磁場方向進(jìn)行進(jìn)動(dòng)，且進(jìn)動(dòng)頻率為W_L＝rB，其中r＝3.498577,為Cs¹³³原子的旋磁比。只要測(cè)量出原子的進(jìn)動(dòng)頻率W_L，就可計(jì)算出磁場值B。為了測(cè)出原子的進(jìn)動(dòng)頻率W_L，波長894.6nm的光將原子吸收室內(nèi)銫原子泵浦到高能級(jí)后，射頻驅(qū)動(dòng)銫原子的進(jìn)動(dòng)相位一致從而產(chǎn)生磁共振，磁共振對(duì)光強(qiáng)有調(diào)制作用，所以光探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)變化頻率即為原子進(jìn)動(dòng)頻率W_L。

銫光泵探頭光系組件包括銫原子燈、銫原子吸收室、偏振片、凸透鏡等，現(xiàn)有銫原子吸收室的尺寸一般為直徑25.4mm、長25mm。小型化是銫光泵原子磁力儀的發(fā)展方向，其光系組件的縮小主要是銫原子吸收室的縮小，但是縮小銫原子吸收室會(huì)導(dǎo)致磁力儀靈敏度的降低。通過對(duì)銫原子吸收室鍍膜，可在縮小銫原子吸收室的同時(shí)不降低磁力儀的靈敏度。另外，用厚度1mm的菲涅爾透鏡代替厚度5mm左右的凸透鏡可縮短探頭長度。以上方法可縮小銫光泵原子磁力儀光系組件到直徑不超過13mm,長度不超過60mm，且靈敏度相當(dāng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種小型銫光泵磁力儀探頭，它具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，為銫光泵磁力儀的小型化提供了一種方案。

本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的，這種小型銫光泵磁力儀探頭，它包括銫原子燈、加熱柱體、加熱線圈、殼體、組合鏡組、銫原子吸收室、菲涅爾透鏡及光探測(cè)器；銫原子燈外繞有激勵(lì)線圈，加熱柱體外繞有雙絞線加熱線圈，銫原子吸收室外繞有雙絞線恒溫線圈和射頻線圈，且兩線圈間有絕緣材料隔離；雙絞線加熱線圈通以交流電對(duì)加熱柱體進(jìn)行加熱，加熱柱體對(duì)緊挨的銫原子燈進(jìn)行加熱，雙絞線恒溫線圈通以交流電對(duì)銫原子吸收室進(jìn)行恒溫控制；激勵(lì)線圈通以高頻交流電激發(fā)銫原子燈發(fā)光，經(jīng)過組合鏡組后成為平行圓偏振光，再經(jīng)銫原子吸收室，被磁共振狀態(tài)的銫原子調(diào)制后照射光探測(cè)器產(chǎn)生光電信號(hào)輸出。

所述銫原子燈為球形玻璃泡，直徑不大于8mm(最優(yōu)直徑7mm-8mm)，其內(nèi)充有惰性氣體和銫原子。

所述銫原子吸收室為直徑不大于12.7mm、長度不大于15mm(最優(yōu)直徑12.6mm-12.8mm、長12.6mm-12.8mm)的玻璃柱體且內(nèi)壁有鍍膜。為抵消溫控電流產(chǎn)生的磁場，銫原子吸收室外部繞有雙絞線恒溫線圈且通以交流電對(duì)銫原子吸收室進(jìn)行恒溫控制。銫原子吸收室外部射頻線圈所產(chǎn)生磁場的方向與光軸平行。

所述組合鏡組由菲涅爾透鏡、偏振片、波片及窄帶濾光片組成，自然光從鏡組入射后，成為894.6nm圓偏振光出射，所述菲涅爾透鏡厚度不大于1mm、焦距不大于10mm(最優(yōu)厚度為1mm、焦距為10mm)且表面無凹凸，光通過表面的環(huán)形光柵發(fā)生會(huì)聚。

本發(fā)明的有益效果為：它具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，采用小體積的鍍膜銫原子吸收室，且采用菲涅爾透鏡代替凸透鏡進(jìn)行聚焦，使得整個(gè)光系組件的直徑不超過13mm，長度不超過60mm，且靈敏度相當(dāng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中組合鏡組的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不限定本發(fā)明內(nèi)容。

參閱圖1，激勵(lì)線圈2通以高頻交流電激發(fā)銫原子燈1發(fā)光，經(jīng)過組合鏡組6后成為平行圓偏振光，再經(jīng)銫原子吸收室7，被磁共振狀態(tài)的銫原子調(diào)制后照射光探測(cè)器產(chǎn)生光電信號(hào)輸出，且信號(hào)頻率與磁場值成正比。

參閱圖1，銫原子燈1外繞有激勵(lì)線圈2，加熱柱體3外繞有雙絞線加熱線圈4，雙絞線加熱線圈4通以交流電對(duì)加熱柱體3進(jìn)行加熱，加熱柱體3對(duì)緊挨的銫原子燈1進(jìn)行加熱。

參閱圖1，為抵消加熱電流產(chǎn)生的磁場，銫原子吸收室7外繞有雙絞線恒溫線圈8且通以交流電對(duì)銫原子吸收室7進(jìn)行恒溫控制；銫原子吸收室7外繞有射頻線圈9作為自激震蕩回路的一部分，其產(chǎn)生磁場的方向與光軸平行；兩線圈間有絕緣材料隔離。

參閱圖2，組合鏡組6由菲涅爾透鏡61、偏振片62、波片63及窄帶濾光片64依次排列，經(jīng)光學(xué)膠粘合而成，其中菲涅爾透鏡為一面刻有環(huán)形光柵的有機(jī)材料薄片，其厚度1mm、焦距10mm。

實(shí)施例

本實(shí)施例以磁共振銫原子吸收室調(diào)制光強(qiáng)為基本原理，以鍍膜銫原子吸收室為關(guān)鍵元件，設(shè)計(jì)出產(chǎn)品級(jí)的小型銫光泵原子磁力儀探頭。該探頭中激勵(lì)線圈2通以高頻交流電激發(fā)銫原子燈1發(fā)光，經(jīng)過組合鏡組6后成為平行圓偏振光，再經(jīng)銫原子吸收室7，被磁共振狀態(tài)的銫原子調(diào)制后照射光探測(cè)器產(chǎn)生光電信號(hào)輸出，且信號(hào)頻率與磁場值成正比，信號(hào)頻率與旋磁比的比值即為磁場值。

參閱圖1，本實(shí)施例磁力儀探頭包括銫原子燈1、激勵(lì)線圈2、加熱柱體3、加熱線圈4、殼體5、組合鏡組6、銫原子吸收室7、雙絞線恒溫線圈8、射頻線圈9、菲涅爾透鏡10及光探測(cè)器11；具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

銫原子燈1：設(shè)計(jì)為球形玻璃泡，直徑7mm-8mm,內(nèi)部抽真空后充有惰性氣體和銫原子，常溫下玻璃泡內(nèi)的銫原子以固態(tài)和氣態(tài)共存，受到激發(fā)后主要發(fā)出波長894nm和852nm的光，銫原子燈的球心位于菲涅爾透鏡61的前焦點(diǎn)上；

激勵(lì)線圈2：采用無磁金屬線繞成，通以100MHz-120MHz射頻激勵(lì)銫原子燈發(fā)光。

加熱柱體3：由導(dǎo)熱性好的金屬制成，對(duì)外部繞制的加熱線圈4通以交流電以對(duì)加熱柱體加熱，熱量傳遞給銫原子燈起到氣化銫金屬的作用。

組合鏡組6：由多個(gè)光學(xué)元件粘合而成，按光入射的次序分別為菲涅爾透鏡61(直徑12.6mm-12.8mm，厚度0.9mm-1.1mm，焦距10mm)、偏振片62(直徑12.6mm-12.8mm，厚度0.9mm-1.1mm)、波片63(直徑12.6mm-12.8mm，厚度0.9mm-1.1mm)、中心波長894nm的窄帶濾光片64(直徑12.6mm-12.8mm，厚度0.9mm-1.1mm)。其中，菲涅爾透鏡61與凸透鏡不同，其表面無凸起，通過一面刻有的光柵對(duì)光起到匯聚作用，縮短了光系組件的長度。

銫原子吸收室7：設(shè)計(jì)為柱形玻璃容器，直徑12.6mm-12.8mm，長度10mm。銫原子吸收室為磁力儀的磁共振發(fā)生部件，原子在其中的弛豫時(shí)間越長，磁力儀的靈敏度越高。原子吸收室內(nèi)壁鍍有分子膜，可以允許原子碰壁4000次后才失去其自旋相干，增加了原子的弛豫時(shí)間，可大幅提高磁力儀的靈敏度。銫原子吸收室外壁貼有熱敏電阻用以測(cè)量吸收室的溫度。銫原子吸收室外部繞有恒溫線圈9，為消除加熱電流的磁場影響，采用雙絞線方式繞制線圈，且通以交流電，恒溫線圈外有絕緣材料隔離，絕緣材料外繞有射頻線圈9，作為自激震蕩回路的信號(hào)輸入。

光探測(cè)器11：菲涅爾透鏡10將光束會(huì)聚后照射光探測(cè)器11產(chǎn)生光電信號(hào)。光探測(cè)器為波長探測(cè)范圍350-1100nm的硅基探測(cè)器、且在波長896nm有較高響應(yīng)。

可以理解的是，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案及發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。