自激式铯光泵磁力仪吸收室恒温控制系统

　　0 引言

　　光泵磁力仪是一种基于光泵技术的磁场强度测量仪器，这类磁力仪最主要的优点是具有较高的灵敏度以及可以连续测量，被广泛应用于地球磁场模量和模量梯度的测量。光泵磁力仪按照电子线路结构不同可以分为跟踪式和自激振荡式两个大类。这两类光泵磁力仪都是利用特定频率的光线去照射充有氦或气态碱金属的气室，使气室的原子在外磁场作用下产生塞曼分裂。自激振荡式铯光泵磁力仪是利用铯灯发出一定波长的光线经过滤光和偏振变成左旋圆偏振光去照射充有铯蒸汽的气室，由铯元素的物理性质可知，常温下铯单质为固态，因此需要对铯光泵磁力仪的气室进行加热控制使气室内的铯处于蒸汽状态。文中通过对自激振荡式铯光泵磁力仪原理的分析，针对吸收室的恒温特性设计了应用于铯光泵磁力仪的恒温加热控制系统，为了避免加热温度过高对探头的损坏以及温度漂移对磁场测量的影响，通常将气室置于恒温吸收室中，因此研制铯光泵磁力仪吸收室的恒温控制系统具有重要的意义。为了验证系统可行性，制作了恒温槽模型模拟吸收室加热的过程，并在此基础上研制出了高精度的测温平台，结合虚拟仪器技术将恒温槽的温度随时间变化情况实时显示在PC 机上并记录。

　　1 自激振荡式铯光泵磁力仪的原理

　　自激振荡式铯光泵磁力仪的仪器结构框图如图1 所示，它利用射频振荡器产生高频信号激励铯灯使其释放出光子，经过凸透镜、滤光片和偏振片之后变成左旋圆偏振光激励吸收室的铯单质使其产生光泵效应，通过检测光电探测器上的信号并经过放大和移相后加在吸收室的射频线圈上，构成自激振荡回路，使铯原子的能级分布进行重新排列，透过吸收室后的凸透镜聚焦在光电探测器上的信号达到最弱，产生磁共振现象，结合磁共振和光探测技术测出达到共振时候的频率值，并根据外磁场与共振频率的对应关系实现磁场强度的测量。由测出的共振频率f 可得外磁场强度B 为:

式中: B 为外磁场强度，nT; f 为共振频率，Hz; re为磁旋比常数。对于铯光泵磁力仪气室的¹³³Cs，2π / re约为0. 285 83 nT/Hz，由此可见，外磁场强度与共振频率是成正比关系的，磁场强度的测量转化成了频率的测量。为了能够在吸收室形成光泵效应，需要使吸收室的铯单质处于蒸汽状态( Cs 元素在 43 ℃左右可以变成蒸汽) ，通过恒温加热控制系统给吸收室加热使吸收室的温度恒定在45 ～55 ℃之间。由于铯光泵磁力仪吸收室 1 ℃的变化会产生10 pT 的共振偏移，对于铯光泵磁力仪启动初始通常有一个预热的过程，并最终使吸收室处于恒温状态。为了解预热时间的长短，还需要观测温度随时间变化的特性关系。可见，研究吸收室的加热特性对于自激式铯光泵磁力仪的研究具有重要的意义。