實驗名稱：核磁共振陀螺內嵌磁力儀的橫向弛豫時間在線測量方法實驗　

　　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將導致內嵌磁力儀所測信號幅度的變動，進而導致陀螺的零偏漂移。根據核磁共振陀螺結構特點，提出了一種集成式探測激光穩頻方法，即對探測光頻率加上一個幅度調制，然后對平衡探測器接收到的光強信號作一次諧波解調，得到穩頻誤差信號，通過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：ATA-4012高壓功率放大器、數據采集卡、磁控電路板、鎖相放大器。

　　實驗過程：

　　

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，示意圖和實物圖分別如上圖和下圖所示。

　　

圖：NMRG實驗系統裝置實物圖

　　原子氣室周圍環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，線圈的導線為無氧銅線，線圈導線和電源使用屏蔽線連接。線圈中通入的電流由數據采集卡和專門的磁控電路板驅動。

　　

圖：實驗系統的三維磁場線圈（置于磁屏蔽筒內）

　　泵浦激光由較高功率的半導體激光器發出，為準單色線偏振光，激光頻率調到堿金屬原子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。

　　探測激光由較低功率的半導體激光器發出，為準單色線偏振光，激光頻率調到適當偏離堿金屬原子的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通過平衡探測器來探測。

　　接下來，平衡探測器的差分輸出信號輸入到鎖相放大器，并在參考頻率處解調。通過鎖相放大器的正交解調和同相解調輸出，可以分別得到橫向磁場x軸分量B_X信號和y軸分量B_y信號。鎖相放大器解調輸出的信號由數據采集設備采集后傳輸到計算機進行數據處理、信號解調和頻譜分析，對獲取的Xe原子進動信號濾波放大和移相后與剩磁補償控制信號一起施加到橫向磁場驅動線圈，通過該反饋環路來維持系統閉環磁共振狀態。

　　實驗結果：

　　

圖：在不同的原子氣室溫度條件下磁力儀的吸收信號實驗結果

　　在和仿真相同的實驗方式和實驗條件下，在不同的原子氣室溫度條件下，吸收信號的實驗結果在上圖中用不同顏色和形狀的點表示。三個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，使得z軸磁場發生變化，導致⁸⁷Rb原子磁共振頻移；但是這不影響弛豫時間的測量結果，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特性實驗測量結果

　　溫度越低則弛豫速率越大，推測是因為溫度降低后緩沖氣體壓強也降低，而堿金屬原子在緩沖氣體中的擴散常數與緩沖氣體壓強成反比，結果導致溫度降低后堿金屬原子與內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參數

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　　本文實驗案例參考自知網論文《核磁共振陀螺內嵌堿金屬原子磁力儀若干關鍵技術研究》

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