本實用新型涉及微弱磁場探測、磁法勘探、磁異常探測用設備銫光泵磁探儀的探頭設計技術，主要是一種新型銫光泵磁探儀探頭裝置。

背景技術：

在地球磁場的長期作用下，順磁材料存留較強的磁性。未被開采時，順磁材料埋藏于大地，數量巨大會表現為有別于周圍地質構造的異變磁場。經人工開采后，它的磁特性常被作為一種探測手段。未爆炸物UXO、潛艇等大量磁性體，因其存在引起周圍地磁場的變化，而成為磁探儀對磁性體進行探測與定位。光泵磁探儀因其靈敏度高，成為各國研究對象。

銫光泵磁探儀是以銫原子能級在磁場中產生塞曼效應為基礎，在光泵作用和銫原子吸收室外施加射頻場的作用下，原子吸收室內銫原子產生磁共振。此時射頻場的頻率f即為拉莫爾頻率，其與外磁場H₀成正比。

f＝γH₀

其中γ為旋磁比，γ≈3.5Hz/nT。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服現有技術存在的不足，而提供一種新型銫光泵磁探儀探頭裝置。

本實用新型的目的是通過如下技術方案來完成的。這種新型銫光泵磁探儀探頭裝置，主要包括射頻感應器，加熱器，銫燈，菲涅爾透鏡，分裂波束式偏振片，銫原子吸收室，加熱線圈，套筒，熱敏電阻，透鏡，濾光片，光敏二極管和外殼；在加熱器和射頻感應器的作用下，銫燈內的銫金屬氣化，銫原子受高頻激勵發(fā)光，產生894.3nm工作波段的泵浦光，泵浦光通過菲涅爾透鏡后擴束準直成平行光，平行光通過分裂波束式偏振片轉化成左、右旋偏振光，偏振光在銫原子吸收室內部產生光泵效應；通過加熱線圈對銫原子吸收室加熱，同時熱敏電阻反饋燈室溫度，保持銫原子吸收室的加熱溫度穩(wěn)定；透鏡、濾光片將有用光信號匯聚于光敏二極管上，光敏二極管將光信號轉換成電信號；拉莫爾頻率經多極信號放大后通過信號處理器內的移相器形成自激振蕩回路，同時對拉莫爾頻率計數，讀取相應的頻率值，轉換成當前所處位置的地球磁場；當套筒上的線圈所產生的射頻場頻率與銫原子吸收室內原子磁共振的拉莫爾頻率一致時，經過銫光泵磁探儀中信號處理器內的移相器移相后可形成自激跟蹤。

更進一步，通過磁探儀中的溫控電路對銫原子吸收室進行恒溫控制。

更進一步，通過菲涅爾透鏡將銫燈所產生的工作譜線擴束成與銫原子吸收室工作面等大的平行光。

更進一步，銫原子吸收室充緩沖氣體，減少原子氣室內原子的馳豫作用提高磁探儀的靈敏度；并在銫原子吸收室鍍適應高溫工作的OTS膜，壓窄原子吸收室線寬提高靈敏度。

更進一步，銫燈為柱狀，底部加熱器對其銫燈內的金屬進行氣化，同時采用射頻感應方式激勵銫燈。

本實用新型的有益效果為：具有消除轉向差和較窄。無需采用繁雜的復雜定向伺服系統(tǒng)方案，單探測器即可實現全球任何磁傾角地區(qū)快速開展工作。本發(fā)明較以往磁異常探測器具有較高的磁共振信號和較低的光噪聲，能實現高精度的磁異常探測能力。本發(fā)明采用新式泵燈，能較大的提高磁異常探測器的壽命。這一特點將有利于提高軍用反潛氦光泵磁探儀的環(huán)境適用性和可靠性，可以快速方便實現地磁的觀測和軍用目標的磁異常探測，對于地質礦產勘查和軍用磁異常探測目標可實現快速實施。

附圖說明

圖1新型銫光泵磁探儀探頭裝置結構；

圖2分裂波束式偏振片結構示意圖；

圖3鍍OTS膜、充緩沖氣體吸收室結構；

圖4鍍石蠟膜吸收室結構1；

圖5鍍石蠟膜吸收室結構2。

標記說明：射頻感應器1，加熱器2，銫燈3，菲涅爾透鏡4，分裂波束式偏振片5，銫原子吸收室6，加熱線圈7，套筒8，熱敏電阻9，透鏡10、濾光片11，光敏二極管12，外殼13。

具體實施方式

下面將結合附圖對本實用新型做詳細的介紹：

如圖所示，這種新型銫光泵磁探儀探頭裝置，主要包括射頻感應器1，加熱器2，銫燈3，菲涅爾透鏡4，分裂波束式偏振片5，銫原子吸收室6，加熱線圈7，套筒8，熱敏電阻9，透鏡10，濾光片11，光敏二極管12和外殼13；在加熱器2和射頻感應器1的作用下，銫燈3內的銫金屬氣化，銫原子受高頻激勵發(fā)光，產生894.3nm工作波段的泵浦光，泵浦光通過菲涅爾透鏡4后擴束準直成平行光，平行光通過分裂波束式偏振片5轉化成左、右旋偏振光，偏振光在銫原子吸收室6內部產生光泵效應(銫原子在常溫下呈現固態(tài)，只有實現氣化時，銫原子才能保證充足的原子數，與泵浦光產生光泵效應和磁共振現象)。通過加熱線圈7對銫原子吸收室6加熱，同時熱敏電阻9反饋燈室溫度，保持銫原子吸收室6的加熱溫度穩(wěn)定(裝于含線圈套筒內的原子吸收室在加熱線圈作用下，原子吸收室內銫金屬氣化。通過熱敏電阻保證原子吸收式的溫度恒定，此時入射光對原子吸收室內的氣化態(tài)銫原子產生光泵作用)；透鏡10、濾光片11將有用光信號匯聚于光敏二極管12上，光敏二極管12將光信號轉換成電信號；拉莫爾頻率經多極信號放大后通過信號處理器內的移相器形成自激振蕩回路，同時對拉莫爾頻率計數，讀取相應的頻率值，轉換成當前所處位置的地球磁場；當套筒8上的線圈所產生的射頻場頻率與銫原子吸收室6內原子磁共振的拉莫爾頻率一致時，經過銫光泵磁探儀中信號處理器內的移相器移相后可形成自激跟蹤。

通過磁探儀中的溫控電路對銫原子吸收室6進行恒溫控制，在工作環(huán)境溫度較高時，銫原子吸收室的溫度加熱時間較短，當環(huán)境溫度較低時，銫原子吸收室6的氣化加熱時間較長。設計菲涅耳透鏡對非理想點光源進行擴束準直，通過菲涅爾透鏡4將銫燈3所產生的工作譜線擴束成與銫原子吸收室6工作面等大的平行光。銫原子吸收室6充緩沖氣體，減少原子氣室內原子的馳豫作用提高磁探儀的靈敏度；為實現銫原子吸收室尺寸縮小，提高原子吸收室密度，在銫原子吸收室鍍適應高溫工作的OTS膜，壓窄原子吸收室線寬提高靈敏度。其結構如圖3所示。銫燈3為柱狀，底部加熱器對其銫燈3內的金屬進行氣化，同時采用射頻感應方式激勵銫燈3。

通過光誘導原子解吸附作用(LIAD)方法以及鍍膜方式提高極化原子數、避免銫原子吸收室內銫原子的豫預降低銫原子吸收室靈敏度降低。設計特殊的原子吸收室結構和石蠟鍍膜銫原子吸收室，壓窄原子吸收室線寬提高靈敏度，其具有三種特有結構圖4、圖5所示。

銫燈是銫光泵磁探儀中的泵浦源，它產生894.3nm泵浦光。本新型中菲涅爾透鏡由有機玻璃制成，其材料具有薄、輕的優(yōu)點，且其透光率不低于光學玻璃凸透鏡。批量生產，制作成本較低，經濟劃算。其針對銫燈這樣的非理想點光源具有很好的擴束準直作用。分裂波束式偏振片是由左旋和右旋偏振片組成，該種偏振片可有效減小銫光泵磁探儀探頭中的轉向差，提高銫光泵磁探儀的靈敏度。設計左右旋偏振光消除轉向差的方法，通過分裂波束式偏振片產生不同偏振光泵浦銫原子吸收室內的銫原子的方式克服銫光泵探頭自身所具有的轉向差。

銫原子吸收室是發(fā)生磁共振現象的關鍵元器件。其和銫燈性能優(yōu)劣決定著銫光泵磁探儀的性能。在銫光泵磁探儀探頭的正常工作中，為確保足夠的銫原子數參與光泵作用下的磁共振，銫吸收室需要通過纏繞加熱線圈以實現銫原子吸收室內部的銫金屬汽化達到合適的銫原子數。銫光泵磁探儀中，銫吸收室的加熱溫度需要精確的穩(wěn)定控制，0.1攝氏度的溫度波動會引起幾皮特的磁場波動。本新型中為實現銫原子吸收室的加熱溫度控制，在銫原子吸收室管壁處設置有熱敏電子對吸收室溫度進行精確控制。

本新型設計鍍膜銫原子吸收室，提高銫原子極化數。在銫原子吸收室中，銫原子與玻璃吸收室間弛豫問題，會導致吸收室的銫原子極化數減少從而降低銫光泵磁探儀的靈敏度。本新型設計采用石蠟鍍膜技術、OTS鍍膜技術實現了較長的銫原子弛豫時間，達到了幾Hz的磁共振線寬。

本新型是自激式的光泵磁探儀。當套筒的線圈在銫原子吸收室內部產生的射頻場的頻率與外磁場在銫原子能級躍遷產生的拉莫爾頻率相一致時，在移相器的作用下，銫光泵磁探儀光泵探頭產生自激現象。銫原子吸收室發(fā)生磁共振現象，原子躍遷的拉莫爾頻率信號通過透鏡聚焦匯集于光敏二極管。為避免銫光的雜散光噪聲進入光敏二極管。本新型設計有窄帶通濾光片對其進行降噪處理。光敏二極管將磁共振現象中的拉莫爾頻率轉化成電信號。在光泵探頭中，只有當套筒線圈產生的頻率和拉莫爾頻率一致產生磁共振，但是不能形成自激。需對接收拉莫爾頻率信號移相才能實現自激。此時，通過對該拉莫爾頻率進行計數，通過拉莫爾頻率與外磁場的關系式就可以推導出銫光泵磁探儀所處位置的磁場值。

本實用新型銫光泵磁探儀中光泵探頭的各元器件安裝于圓筒狀外殼14內，光泵探頭各傳輸電纜通過專用接口與后端電子組件部分連接組成銫光泵磁探儀。

本實用新型銫光泵磁探儀采用的是自激式磁探儀。只有當射頻場與拉莫爾頻率一致，通過移相器移相形成自激振蕩時，才能形成對外磁場的跟蹤。通過對拉莫爾頻率f進行計數，可測得外磁場值H₀。

在銫光泵磁探儀中，銫原子分裂的能級較多，從而銫共振譜線較多。其中銫原子共振譜線間較近，當光泵探頭的光軸與外磁場夾角發(fā)生轉變時，銫光泵磁探儀光泵探頭會出現轉向差。當裝載有銫光泵磁探儀的平臺因為機動而出現探頭轉向時，光泵探頭將會由于固有自身轉向差問題出現磁探測虛警誤報的情況。

根據原子理論分析可知，光泵磁探儀的靈敏度δB為：

其中Δν為線寬、S/N為信噪比。為提高磁探儀的靈敏度必須提高銫原子吸收室性能實現磁探儀的原子線寬和信噪比。

可以理解的是，對本領域技術人員來說，對本實用新型的技術方案及實用新型構思加以等同替換或改變都應屬于本實用新型所附的權利要求的保護范圍。

本新型銫光泵磁探儀探頭的整體結構圖如圖1所示。在加熱器2和射頻感應器1的作用下，銫燈3內的銫金屬氣化，銫原子受高頻激勵發(fā)光，產生894.3nm工作波段的泵浦光。通過菲涅爾透鏡4后擴束準直成平行光。本新型中偏振片是分裂波束式偏振片，其結構如圖2所示。它將894.3nm光線轉化成左、右旋偏振光。