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  實驗名(ming)稱：核磁共(gong)振陀螺內嵌磁力儀的橫向弛豫時(shi)間在線測(ce)量(liang)方法實驗 

  研究(jiu)方向：精(jing)密測(ce)量  

  測試目的： 

  核(he)磁(ci)共振(zhen)(zhen)陀螺中探(tan)測光(guang)(guang)頻(pin)率(lv)(lv)變動將導(dao)致內嵌磁(ci)力儀所(suo)測信(xin)號幅度(du)(du)的變動，進(jin)而導(dao)致陀螺的零偏漂移。根(gen)據核(he)磁(ci)共振(zhen)(zhen)陀螺結構特點，提出了(le)一(yi)(yi)種集(ji)成式探(tan)測激光(guang)(guang)穩(wen)頻(pin)方法(fa)，即對探(tan)測光(guang)(guang)頻(pin)率(lv)(lv)加上一(yi)(yi)個幅度(du)(du)調制，然后(hou)對平(ping)衡探(tan)測器(qi)接收到(dao)的光(guang)(guang)強信(xin)號作一(yi)(yi)次諧波解調，得(de)到(dao)穩(wen)頻(pin)誤差信(xin)號，通(tong)過PID反饋(kui)控制可將探(tan)測光(guang)(guang)頻(pin)率(lv)(lv)穩(wen)定在(zai)某個合適的參(can)考點。具體分析了(le)該方法(fa)的原理和穩(wen)頻(pin)精度(du)(du)影響因素，然后(hou)介紹了(le)集(ji)成有(you)探(tan)測光(guang)(guang)穩(wen)頻(pin)系統(tong)的核(he)磁(ci)共振(zhen)(zhen)陀螺實驗(yan)裝置并實驗(yan)驗(yan)證了(le)該穩(wen)頻(pin)技術的可行(xing)性(xing)，在(zai)目前系統(tong)條件下可實現穩(wen)頻(pin)精度(du)(du)優于10MHz。該技術不需要(yao)外部穩(wen)頻(pin)系統(tong)，有(you)利于核(he)磁(ci)共振(zhen)(zhen)陀螺的小型化。  

  測試設備：ATA-4012高壓功率放大(da)器(qi)、數據采集卡、磁控(kong)電路板、鎖相放大(da)器(qi)。

  實驗過程：

圖：NMRG實驗系統裝置示意圖

  搭建核磁(ci)共振陀螺(luo)系(xi)統(tong)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(yuan)子氣室周圍(wei)環繞三維亥(hai)姆霍茲磁(ci)場(chang)線(xian)(xian)(xian)圈和磁(ci)場(chang)梯度線(xian)(xian)(xian)圈，如下圖(tu)所示，線(xian)(xian)(xian)圈的(de)黑色骨架為(wei)具(ju)有絕(jue)緣特性的(de)亞克力材料，線(xian)(xian)(xian)圈的(de)導線(xian)(xian)(xian)為(wei)無氧銅線(xian)(xian)(xian)，線(xian)(xian)(xian)圈導線(xian)(xian)(xian)和電源使用屏蔽線(xian)(xian)(xian)連(lian)接。線(xian)(xian)(xian)圈中通入的(de)電流由數據采(cai)集(ji)卡和專(zhuan)門的(de)磁(ci)控電路板驅動。

圖：實驗系(xi)統的三維磁場線圈（置于磁屏蔽(bi)筒內）

  泵浦激(ji)光(guang)(guang)由(you)較高功(gong)率(lv)(lv)的半導體激(ji)光(guang)(guang)器發出，為準(zhun)(zhun)單(dan)色線(xian)偏(pian)(pian)振光(guang)(guang)，激(ji)光(guang)(guang)頻率(lv)(lv)調(diao)到堿金(jin)屬原(yuan)子(zi)D1線(xian)躍遷中心頻率(lv)(lv)處(chu)。泵浦光(guang)(guang)經過擴(kuo)束(shu)準(zhun)(zhun)直后，通過線(xian)偏(pian)(pian)振片(pian)(pian)（前面的λ/2波(bo)片(pian)(pian)用(yong)于調(diao)節(jie)入射到原(yuan)子(zi)氣室的激(ji)光(guang)(guang)功(gong)率(lv)(lv)）和λ/4波(bo)片(pian)(pian)后成為左旋圓偏(pian)(pian)振光(guang)(guang)，然后沿z軸方向傳播(bo)進(jin)入原(yuan)子(zi)氣室，對堿金(jin)屬原(yuan)子(zi)自旋進(jin)行光(guang)(guang)泵浦。

  探測激光(guang)(guang)由較(jiao)低(di)功率的(de)半導體激光(guang)(guang)器發出(chu)，為(wei)準單色線(xian)偏振(zhen)光(guang)(guang)，激光(guang)(guang)頻率調到適(shi)當偏離堿金(jin)屬(shu)原子的(de)D1線(xian)躍(yue)遷中(zhong)心(xin)頻率。探測激光(guang)(guang)經過(guo)擴束(shu)準直(zhi)后，通(tong)過(guo)線(xian)偏振(zhen)片(pian)后，沿x軸方向傳播進入原子氣(qi)室。從原子氣(qi)室出(chu)射后，攜(xie)帶有光(guang)(guang)旋角信號的(de)探測光(guang)(guang)經過(guo)一個(ge)λ/2波(bo)片(pian)（λ/2波(bo)片(pian)的(de)作用(yong)是在沒有泵浦光(guang)(guang)和磁(ci)場施(shi)加(jia)的(de)初始條件下將平(ping)衡探測器的(de)輸(shu)出(chu)調平(ping)衡）。然后經過(guo)渥(wo)拉斯頓棱鏡，分(fen)解為(wei)兩(liang)束(shu)分(fen)別沿豎直(zhi)方向和水平(ping)方向偏振(zhen)的(de)線(xian)偏振(zhen)光(guang)(guang)。分(fen)解得到的(de)兩(liang)束(shu)線(xian)偏振(zhen)光(guang)(guang)的(de)光(guang)(guang)強I₁和I₂通過平(ping)衡(heng)探測(ce)器來探測(ce)。

  接下(xia)來，平衡探測(ce)器(qi)的(de)差分輸出(chu)信(xin)號輸入到(dao)鎖相(xiang)(xiang)放(fang)大器(qi)，并在(zai)參考頻(pin)率(lv)處解(jie)調。通過(guo)鎖相(xiang)(xiang)放(fang)大器(qi)的(de)正交(jiao)解(jie)調和同相(xiang)(xiang)解(jie)調輸出(chu)，可以分別得到(dao)橫向磁場x軸分量B_X信號和y軸分量B_y信號(hao)。鎖相放(fang)大器解調(diao)輸出的信號(hao)由數據采集設備采集后傳輸到計(ji)算機進行數據處理、信號(hao)解調(diao)和頻(pin)譜分析，對獲(huo)取的Xe原子進動(dong)信(xin)號(hao)濾(lv)波放大和移相后與剩磁(ci)補償控制信(xin)號(hao)一起施加(jia)到橫向磁(ci)場驅(qu)動(dong)線圈，通過該反(fan)饋環路來維持系統閉環磁(ci)共(gong)振狀態。

  實驗結(jie)果：

圖：在不同的原(yuan)子氣室溫(wen)度條件下磁(ci)力(li)儀的吸(xi)收信號實(shi)驗結果

  在和(he)仿真相同的(de)實(shi)(shi)驗方式和(he)實(shi)(shi)驗條(tiao)件下，在不(bu)同的(de)原(yuan)子(zi)氣(qi)室溫(wen)度(du)條(tiao)件下，吸收信號的(de)實(shi)(shi)驗結果在上圖中用不(bu)同顏色和(he)形狀的(de)點表(biao)示。三(san)個吸收曲線(xian)的(de)中心頻率有微小(xiao)的(de)相對偏移，偏移的(de)原(yuan)因推測是隨著溫(wen)度(du)的(de)升高⁸⁷Rb原(yuan)子自旋的極(ji)化(hua)場也增強(qiang)，使得z軸磁場發生變化(hua)，導致⁸⁷Rb原子磁共振頻移；但(dan)是這不(bu)影響弛豫時(shi)間的測量(liang)結果，橫向(xiang)弛豫速率僅由吸收曲(qu)線(xian)的線(xian)寬決定(ding)。

圖：不(bu)同的原子氣室溫(wen)度條件下磁力儀幅頻(pin)響應特性(xing)實驗測量結果

  溫(wen)度越(yue)低則弛豫速(su)率(lv)(lv)越(yue)大(da)，推(tui)測是因為(wei)溫(wen)度降低后緩(huan)沖氣體(ti)(ti)壓(ya)強也降低，而堿金屬(shu)(shu)原(yuan)子在緩(huan)沖氣體(ti)(ti)中的擴散常數與緩(huan)沖氣體(ti)(ti)壓(ya)強成反(fan)比，結(jie)果導(dao)致溫(wen)度降低后堿金屬(shu)(shu)原(yuan)子與內壁(bi)的碰撞(zhuang)弛豫速(su)率(lv)(lv)增(zeng)加。

  安泰ATA-4012高壓功(gong)率放大器(qi)：

圖：ATA-4012高壓功率放(fang)大器指(zhi)標(biao)參數

  本文實驗素材由西(xi)安(an)安(an)泰電子整理發布。西(xi)安(an)安(an)泰電子是專業從事功率放大(da)器(qi)、高壓(ya)放大(da)器(qi)、功率信號(hao)源、前置(zhi)微(wei)小(xiao)信號(hao)放大(da)器(qi)、高精(jing)度電壓(ya)源、高(gao)精度電流源(yuan)等(deng)電子(zi)測量儀器(qi)研發、生產(chan)和(he)銷售的高科技企業(ye)(ye)。公司致(zhi)力(li)于功(gong)(gong)率(lv)放(fang)大器(qi)、功(gong)(gong)率(lv)信號源、計量校準源等(deng)產(chan)品為(wei)核(he)心的相(xiang)關(guan)行業(ye)(ye)測試解決方(fang)案(an)的研究，為(wei)用(yong)(yong)戶提供(gong)具(ju)有(you)競爭力(li)的測試方(fang)案(an)，Aigtek已經成為(wei)在業(ye)(ye)界擁有(you)廣(guang)泛(fan)產(chan)品線，且(qie)具(ju)有(you)相(xiang)當規模的儀器(qi)設備供(gong)應商，樣機(ji)都支(zhi)持免費(fei)試用(yong)(yong)。如想了解更多功(gong)(gong)率(lv)放(fang)大器(qi)等(deng)產(chan)品，請持續關(guan)注安泰電子(zi)官(guan)網。