氦光泵磁力仪及其原子气室的参数优化研究

作     者：孙悦 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈玉金;刘金胜

授予年度：2023年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：氦光泵磁力仪 氦原子气室 亚稳态原子数密度 原子极化系数 吸收系数 

摘      要：激光氦光泵磁力仪在氦原子能级塞曼分裂的基础上,结合光泵技术和磁共振作用,可以实现磁场的精密测量,因具有测量范围广、精度高、灵敏度高、无需温控等优点,广泛应用于地球物理勘探、定位导航、空间探测、军事反潜和生物磁学等领域。氦原子气室作为氦光泵磁力仪发生光磁共振的主要场所,工作状态及参数对系统整体的性能有着十分重要的影响,因此定量优化气室参数尤为关键。本文从课题研究背景入手,首先阐述了光泵磁力仪的国内外研究现状,特别是对原子气室参数测量的研究,提出了课题的研究意义,论文主要的研究内容如下:第一,对光透过光学厚原子介质的吸收定律展开研究。首先阐述了氦原子能级与塞曼分裂,并研究了光泵浦效应及光磁共振现象。随后研究了自旋极化原子的共振光吸收原理,在此基础上对光透过光学厚极化原子介质吸收系数展开深入研究,推导出吸收系数关于光学厚度的多项式函数,由函数各项系数通过计算,可以实现氦原子气室内重要参数亚稳态原子数密度和矢量极化系数的测量。第二,对氦原子气室重要参数的测量展开研究。氦原子气室物理原理实现的前提为放电激励,首先通过电气仿真分析了放电稳定后氦原子气室的电阻特性,并设计了高频激励电路。采用吸收法实验测量不同频率、不同幅度射频信号激励下He原子气室的吸收系数,由系数计算得到亚稳态数密度和极化系数。同时,理论和实验表明原子气室最佳工作状态为猝灭极限状态,即低射频激发频率和小幅值更利于亚稳态原子极化。对于本研究所使用压强为2.25Torr的氦气室,最佳激励参数为17MHz、45m V,此时氦原子气室亚稳态数密度为1.53×10cm,矢量极化系数为1.62m W。第三,对激光氦光泵磁力仪的物理系统参数优化展开实验研究。分析磁共振谱线幅度与线宽随拉莫尔射频场强、激光功率的变化曲线,得到最佳参数值。从理论和实验方面研究了调制参数对吸收谱线的影响,推导了磁共振信号斜率与调制频率和调制深度的关系,仿真得到最佳调制参数值,与实验结果基本一致。经过对系统各个物理参数的优化,系统灵敏度指标可达1.8p T/√Hz@1Hz。此外对系统噪声进行了分析,包括激光光源噪声和电流源噪声,对磁力仪物理参数优化和灵敏度指标提升具有重要意义。