實驗名(ming)稱：核磁共振(zhen)陀(tuo)螺內嵌磁力儀的橫向弛(chi)豫時(shi)間在線測量方法(fa)實驗(yan)　

　　研(yan)究(jiu)方向：精(jing)密測量　　

　　測試目的：　

　　核(he)磁共振(zhen)陀(tuo)螺(luo)中探(tan)測光頻(pin)(pin)率變(bian)動(dong)將導致內嵌磁力(li)儀所測信(xin)號(hao)幅度(du)的變(bian)動(dong)，進(jin)而導致陀(tuo)螺(luo)的零偏(pian)漂移。根(gen)據核(he)磁共振(zhen)陀(tuo)螺(luo)結構特點，提出(chu)了(le)一種集成式探(tan)測激光穩(wen)頻(pin)(pin)方法，即對探(tan)測光頻(pin)(pin)率加(jia)上一個幅度(du)調制，然后對平衡(heng)探(tan)測器接收到的光強信(xin)號(hao)作一次諧(xie)波解調，得到穩(wen)頻(pin)(pin)誤差信(xin)號(hao)，通(tong)過PID反饋控制可將探測光頻率穩定在某個合適的參考點。具體分析了該方法的原理和穩頻精度影響因素，然后介紹了集成有探測光穩頻系統的核磁共振陀螺實驗裝置并實驗驗證了該穩頻技術的可行性，在目前系統條件下可實現穩頻精度優于10MHz。該技術不需要外部穩頻系統，有利于核磁共振陀螺的小型化。　　

　　測試設備(bei)：ATA-4012高壓功率放大器、數據采集卡、磁控電路板、鎖相放大器。

　　實(shi)驗過(guo)程(cheng)：

圖：NMRG實驗系統裝置示意圖

　　搭建核磁共振陀螺系統實驗裝置，示意(yi)圖(tu)(tu)和實物圖(tu)(tu)分別(bie)如上圖(tu)(tu)和下圖(tu)(tu)所示。

圖：NMRG實驗系統裝置實物圖

　　原子氣室周(zhou)圍環繞三維亥姆霍茲磁(ci)場線(xian)(xian)圈(quan)(quan)和(he)磁(ci)場梯度線(xian)(xian)圈(quan)(quan)，如下圖所示(shi)，線(xian)(xian)圈(quan)(quan)的(de)(de)(de)黑(hei)色骨架為具有絕緣(yuan)特性的(de)(de)(de)亞克力材料，線(xian)(xian)圈(quan)(quan)的(de)(de)(de)導線(xian)(xian)為無氧銅線(xian)(xian)，線(xian)(xian)圈(quan)(quan)導線(xian)(xian)和(he)電源使用屏蔽線(xian)(xian)連(lian)接。線(xian)(xian)圈(quan)(quan)中通入的(de)(de)(de)電流由數據(ju)采(cai)集(ji)卡和(he)專門(men)的(de)(de)(de)磁(ci)控電路板驅(qu)動。

圖(tu)：實驗系統的(de)三維磁場線圈(quan)（置于(yu)磁屏蔽筒內(nei)）

　　泵浦激(ji)光由較高功率的半導體激(ji)光器發出(chu)，為準(zhun)單(dan)色線偏(pian)振光，激(ji)光頻率調到(dao)堿金(jin)屬原子D1線躍遷中心頻率處。泵浦光經過擴束準直后，通過線偏振片（前面的λ/2波片用于調節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軸方向傳播進入原子氣室，對堿金屬原子自旋進行光泵浦。

　　探測激光(guang)由較(jiao)低(di)功(gong)率的半導(dao)體激光(guang)器發(fa)出，為準單色線偏振光(guang)，激光(guang)頻率調到適當偏離(li)堿金(jin)屬原子的D1線躍遷中心頻率。探測激光經過擴束準直后，通過線偏振片后，沿x軸方向傳播進入原子氣室。從原子氣室出射后，攜帶有光旋角信號的探測光經過一個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平衡）。然后經過渥拉斯頓棱鏡，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I₁和I₂通過平衡探測器來(lai)探測。

　　接(jie)下來，平衡探(tan)測器的(de)差(cha)分輸出信(xin)號輸入到(dao)鎖相放(fang)(fang)大(da)器，并(bing)在(zai)參考頻率處解調(diao)。通過鎖相放(fang)(fang)大(da)器的(de)正交解調(diao)和同(tong)相解調(diao)輸出，可(ke)以分別(bie)得(de)到(dao)橫向磁場x軸分量B_X信號和(he)y軸分量B_y信號(hao)(hao)。鎖相放大器解調輸(shu)出(chu)的信號(hao)(hao)由數據采集設備(bei)采集后傳輸(shu)到計算機進行(xing)數據處理、信號(hao)(hao)解調和頻譜(pu)分析，對獲取的Xe原子進動信(xin)號(hao)濾波放(fang)大(da)和移相后與剩磁(ci)補償控制信(xin)號(hao)一起施加到橫(heng)向(xiang)磁(ci)場驅(qu)動線(xian)圈，通(tong)過該(gai)反(fan)饋環(huan)路來(lai)維(wei)持(chi)系統閉環(huan)磁(ci)共振狀態。

　　實驗結果：

圖：在不同的原子氣室溫度條(tiao)件下磁力儀的吸收(shou)信號實驗結果

　　在和仿真相同(tong)的實(shi)驗方式(shi)和實(shi)驗條(tiao)件(jian)下(xia)，在不同(tong)的原子氣(qi)室溫度條(tiao)件(jian)下(xia)，吸收(shou)(shou)信(xin)號的實(shi)驗結果在上圖中用(yong)不同(tong)顏色和形狀的點表示。三個(ge)吸收(shou)(shou)曲線的中心頻率(lv)有微小的相對偏移，偏移的原因(yin)推測是隨(sui)著(zhu)溫度的升(sheng)高⁸⁷Rb原子自旋的(de)極化場也增(zeng)強，使得z軸磁場發生變化，導致(zhi)⁸⁷Rb原子(zi)磁共振頻移；但(dan)是這不影響弛豫時間(jian)的(de)測量(liang)結果，橫向弛豫速率僅由吸(xi)收曲線(xian)的(de)線(xian)寬決定。

圖：不同的原子(zi)氣室溫度條件(jian)下磁力(li)儀(yi)幅頻響應特性(xing)實(shi)驗測量(liang)結果

　　溫度越低則弛豫速率越大，推測是(shi)因為溫度降低后緩沖(chong)氣體(ti)壓強(qiang)也降低，而堿金屬原(yuan)(yuan)子在緩沖(chong)氣體(ti)中的擴散常數與緩沖(chong)氣體(ti)壓強(qiang)成反比，結果導致(zhi)溫度降低后堿金屬原(yuan)(yuan)子與內壁的碰(peng)撞弛豫速率增加。

　　安(an)泰ATA-4012高壓功率放大器：

圖：ATA-4012高壓功率放大器指標參數

　　本文實驗素材由西安安泰電子整理發布。西安安泰電子是專業從事功率放大器、高壓放大器、功率信號源、前置微小信號放大器、高精度電壓源、高精(jing)度電流源等電子測(ce)量(liang)儀(yi)器研發、生產(chan)和銷售(shou)的(de)(de)高科技(ji)企業(ye)。公司致力于(yu)功(gong)率(lv)放大(da)器、功(gong)率(lv)信號(hao)源、計量(liang)校準源等產(chan)品為核(he)心的(de)(de)相(xiang)關行業(ye)測(ce)試解(jie)決方案的(de)(de)研究，為用(yong)(yong)戶提供具有(you)(you)競爭力的(de)(de)測(ce)試方案，Aigtek已經成為在業(ye)界擁有(you)(you)廣泛產(chan)品線，且(qie)具有(you)(you)相(xiang)當規模的(de)(de)儀(yi)器設備供應商，樣機都支持免費試用(yong)(yong)。如(ru)想了解(jie)更多功(gong)率(lv)放大(da)器等產(chan)品，請持(chi)續關注安泰電子官網hkdyw.cn或撥(bo)打029-88865020。

　　本文(wen)實驗案例參(can)考自知(zhi)網論文(wen)《核磁共振陀螺內嵌堿金屬原子磁力(li)儀若干關鍵技術研究(jiu)》