用于氦光泵磁力仪的磁敏传感器

用于氦光泵磁力仪的磁敏传感器

自20世纪50年代以来，高灵敏度的玻璃泵磁力仪一直是一种先进的磁强计。目前,氦光泵磁力仪在地磁场测量等方面获得了广泛的应用。氦光泵磁力仪是利用光泵作用和磁共振技术研制而成的,其核心部分是磁敏传感器,主要由氦光源,激励系统、光系和光敏元件等部分组成。通过测量光敏元件上获得的磁共振信号,并经过计算就可得到被测磁场值。显然,所获得磁共振信号将直接影响氦光泵磁力仪的灵敏度等指标。所以,磁敏传感器的研制是整个光泵磁力仪研制的关键环节。由于研制该磁敏传感器所涉及的领域比较广,并且易受诸多因素影响,比如真空度,充气压力等等,所以,制作出合格的磁敏传感器比较困难。为了能说明如何研制出合格的磁敏传感器,本文将就整个研制过程做详细的讨论,并给出一些重要的参数。就氦光源激励问题而言,针对目前只用高频振荡器进行激励,为了能够快速激励氦光源,本文提出了一种新的激励方法。1交变磁场的频率对过血单元光的吸收的影响氦是一种惰性气体,在原子核外有两个电子组成封闭壳层,在正常情况下,氦原子的两个电子都处于1S态。氦能级示意图如下图1所示。借助于高频激励振荡器,可做19.77eV的功,使氦原子由基态激发到23S1亚稳态,处于23S1亚稳态的氦原子能级又分裂成3个塞曼次能级。从亚稳态激发到23Pi(i=0,1,2)态辐射出单色光D0线、D1线、D2线,经过光系后变成圆偏振光。氦室中的氦气在高频激励振荡器的作用下,从基态激发到亚稳态,在吸收来自于氦灯的1083nm的圆偏振光(其中作用最大的是D1线)后发生跃迁,使透过氦室的光减弱。根据跃迁的选择定则mJ=0、±1,23S1中mJ=+1的原子不能被激发,而从23S1激发到23Pi上的原子又仅停留10-8s,之后以等概率回到23S1各次能级上。经过一段时间,就都集中到23S1的mJ=+1次能级上,从而实现了光学取向,没有原子再吸收D1线,此时透过氦室的光最强。当氦室上加入一个交变射频磁场,将产生塞曼效应,由于交变磁场与氦室内已取向的原子磁矩之间的相互作用,产生去取向作用,使透过氦室的光强随着去取向作用增强而减弱。当外加的交变磁场的频率等于两相邻次能级之间的跃迁频率时发生磁共振,此时去取向作用最强,也是透过氦室的光线最弱。通过测量交变磁场的频率可以通过关系式(1)求得被测磁场的大小。f=γST2π‚γS为旋磁比(1)f=γSΤ2π‚γS为旋磁比(1)对于He4,代入其旋磁比可得:所测频率(单位Hz)与被测磁场(单位nT)的大概关系为f=28.02T或T=0.0356f。2玻璃腔体的设计氦灯作为发光器件,有两个要求,其一,发出的光有足够的强度,二是要求发出的光具有比较稳定的波长。为达到要求,所制氦灯的外形采用哑铃型玻璃腔体,如图2所示,其颈部能使光集中而类似于点光源,从而提高D1线的发光强度。对于氦室而言,为了使圆偏振光通过氦室时反射最小,提高光的利用效率,氦室采用圆柱形玻璃腔体,如图3所示。此外,氦室的体积大小会影响磁共振线的线宽,从而降低测量灵敏度及精度。根据理论计算并经过多次实验综合考虑后,所制的氦室体积应该大约为45cm3。3抽高真空及在氧传质中的应用氦灯和氦室,作为氦磁敏传感器中最重要的部分之一,其制造工艺水平对仪器的灵敏度等指标有着非常大的影响。基于光泵磁力仪工作原理及技术要求,高纯度的氦气可提高整个磁力仪的灵敏度等指标。所以氦灯和氦室中需填充纯度至少为99.995%的氦气。为了获得更高的纯度,必须建立一个高真空度的环境,其真空度要求不低于10-6以上。抽高真空的设备示意图如下图4表示。图5中显示的是为不同体积的氦室抽真空及并充以不同压力氦气的部分实验装置。在充气的过程中,所充气体压力的选择也直接影响着氦光源的技术指标。为保证粒子激发产生所需要的D1线,而尽量不产生其他跃迁线,氦灯及氦室的充气气压有各自的最佳值区域。经过理论分析及反复实验发现,氦灯的充气气压与光泵磁力仪灵敏度直接存在着一定的关系,可用图6所示曲线表示。我们实验室研制的氦灯所充气压为10kPa,氦室所充的气压为550Pa,所充氦灯气压约为氦室气压的18倍,此时获得的磁共振信号最佳。4晶体振荡器电路高频激励振荡器可以激励氦灯和氦室使其点亮发光,使氦灯发出的D1线照射氦室中的氦气而产生光泵作用,从而为系统提供光学磁共振信号。需注意的是其输出功率不能太大,并且振荡器的输出频率与负载之间的匹配。高频振荡器电路形式如图7所示。为了提高振荡频率的稳定度,这里采用晶体振荡器电路的形式。本电路中石英晶振的频率为16MHz,第一级为起振电路,选用N沟道增强型MOS管VN10KM。第二级放大电路选用功率MOS管IRF510,电路形式为共源极电路,主要起到增大功率的作用。在实验研究中发现,由于氦灯和氦室中都是惰性气体,如果长时间不用需要用一段时间去激励。为了能够尽快激励氦灯和氦室,受日光灯启辉器的启发,在本实验中采用了一种新的激励方式,即高压发生器和高频振荡器同时激励氦灯和氦室。如果氦灯和氦室经常使用,则只需用高频振荡器就可以激励之。如果需要长时间激励氦灯和氦室时,可以不断的启动高压发生器,在高压发生器和高频振荡器的同时作用下去激励氦灯和氦室,直至点亮,就可以只用高频振荡器去激励。高压发生器的电路图如图8所示。该高压发生器可以产生10W700V的高压。5建立光系法为了达到产生圆偏振光及检测磁共振信号的作用,磁敏传感器中需要应用一些光学器件建立光系,如透镜、偏振片、λ/4片。所建立的光系如图9所示。氦灯发出的光经过透镜I后变成平行光,再经过偏振片和λ/4片变成圆偏振光。氦室中的氦气经过圆偏振光的照射下发生光泵作用,经过氦室的光线,在透镜的作用下,集中到光敏元件上。6干扰因素的影响为了检测光泵磁力仪的磁敏传感器信号,需要建立一个稳定的测试环境,由于光泵磁力仪主要应用在测量地磁场,所以测试环境要求一个无强外磁场的区域,即在30cm范围内不能有强磁场存在,否则将会干扰磁场分布,进而影响测试的准确性。首先进行的是氦灯氦室点亮实验,在本实验室研制的高压发生器和高频振荡器的激励下(高频振荡器输出波形图如图10所示),氦灯的发光颜色为白色中略带桔黄色,氦室发出白色光。其次,检测磁共振信号的幅度及工作线宽。通过检测光敏元件上的磁共振信号,