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光學原子磁力儀原理與應用 版權信息
- ISBN:9787030734815
- 條形碼:9787030734815 ; 978-7-03-073481-5
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
光學原子磁力儀原理與應用 本書特色
全書較為系統地對原子磁力儀的理論基礎、工作原理、磁場矢量的測量、磁場靈敏度分析、磁屏蔽裝置、無磁加熱裝置的制作等方面進行了系統的研究。
光學原子磁力儀原理與應用 內容簡介
磁場測量被廣泛應用于導航、探測、診斷、預報等各個領域,在國民經濟和國防建設中發揮著重要作用。近年來,隨著量子科技的快速發展,各種新型光學原子磁力儀不斷涌現,測量指標不斷刷新,已成為磁場測量的重要手段。《光學原子磁力儀原理及應用》以銫原子磁力儀為代表,介紹光學原子磁力儀的發展、理論、特性、噪聲、制作方法等內容。《光學原子磁力儀原理及應用》共12章,內容主要包括磁場測量的應用領域、原子磁力儀及其發展、銫原子磁力儀的理論基礎、全光銫原子標量磁力儀、銫原子矢量磁力儀、磁力儀的量子極限噪聲、銫原子磁力儀物理系統的參數分析、銫原子磁力儀閉環系統的研制與測試、磁屏蔽裝置、無磁熱氣流加熱溫控裝置、激光器與穩頻技術、兩種微小偏轉角檢測方法等。
光學原子磁力儀原理與應用 目錄
前言
第1章磁場測量的應用領域1
1.1地質勘探1
1.2軍事領域3
1.3心磁腦磁測量5
1.4地震預測6
1.5工業領域7
1.6其他應用8
參考文獻9
第2章原子磁力儀及其發展12
2.1核子旋進磁力儀12
2.2光泵磁力儀13
2.3超導量子干涉磁力儀16
2.4新型原子磁力儀17
2.4.1原子磁力儀的發展現狀18
2.4.2原子磁力儀的發展趨勢24
參考文獻29
第3章銫原子磁力儀的理論基礎37
3.1銫金屬原子37
3.2外磁場中的銫原子39
3.2.1塞曼效應39
3.2.2拉莫爾進動41
3.3激光泵浦與原子極化過程42
3.3.1激光泵浦的理論模型42
3.3.2銫原子D1線泵浦時的粒子數分布43
3.4原子自旋極化的光學檢測46
3.4.1圓雙折射檢測46
3.4.2圓二向色性檢測46
3.5極化銫原子的弛豫48
3.5.1自旋交換碰撞弛豫49
3.5.2自旋破壞碰撞弛豫50
3.5.3極化原子與器壁的碰撞弛豫51
3.6光譜線型及線寬52
3.6.1自然線寬53
3.6.2緩沖氣體的壓力增寬53
3.6.3多普勒增寬55
3.6.4渡越增寬55
3.6.5飽和增寬56
參考文獻56
第4章全光銫原子標量磁力儀58
4.1Bell-Bloom磁力儀基本原理58
4.1.1玻爾茲曼分布58
4.1.2原子極化的物理過程59
4.1.3理論響應曲線62
4.2弱磁場下磁力儀共振光譜的研究63
4.2.1物理系統的實現63
4.2.2靈敏度分析66
4.3強磁場下磁力儀共振光譜的研究68
4.3.1非線性塞曼效應68
4.3.2強磁場下的共振光譜理論70
4.3.3強磁場下共振光譜的試驗結果72
參考文獻73
第5章銫原子矢量磁力儀75
5.1矢量原子磁力儀的工作原理75
5.2矢量原子磁力儀的設計與性能分析76
5.2.1矢量磁場的建立76
5.2.2矢量原子磁力儀的靈敏度分析80
參考文獻83
第6章磁力儀的量子極限噪聲84
6.1三種原子磁力儀84
6.2轉換系數85
6.2.1B1型原子磁力儀85
6.2.2B0型原子磁力儀86
6.2.3Bx、By和Bz型原子磁力儀87
6.3自旋投影噪聲96
6.4光子散粒噪聲99
6.5光頻移噪聲100
6.6橫向弛豫時間的計算101
6.6.1抽運光引起的弛豫率101
6.6.2自旋破壞碰撞弛豫率102
6.6.3自旋交換弛豫率102
6.6.4側壁碰撞破壞弛豫率103
參考文獻103
第7章銫原子磁力儀物理系統的參數分析106
7.1磁力儀的頻率響應和靈敏度分析106
7.1.1磁力儀的頻率響應106
7.1.2磁力儀的靈敏度分析108
7.2磁力儀物理系統響應帶寬的測試與分析111
7.2.1泵浦光調制器-探測器系統的響應時間測量111
7.2.2磁力儀物理系統的響應時間測量112
7.3影響磁力儀性能的參數分析114
7.3.1激光頻率的影響115
7.3.2激光光強的影響118
7.3.3泵浦光光斑大小的影響121
7.3.4泵浦光調制波形和調制幅度的影響122
參考文獻124
第8章銫原子磁力儀閉環系統的研制與測試125
8.1銫原子磁力儀共振頻率跟蹤鎖定的方法125
8.1.1正弦調制鎖頻125
8.1.2半高寬鎖頻126
8.1.3色散零點鎖頻127
8.2銫原子磁力儀數字頻率跟蹤系統的研制127
8.2.1數字頻率跟蹤系統的方案設計127
8.2.2系統的工作流程128
8.3銫原子磁力儀閉環性能測試130
8.3.1磁場跟蹤測試130
8.3.2閉環靈敏度測試130
8.3.3響應速度測試132
參考文獻133
第9章磁屏蔽裝置134
9.1磁屏蔽裝置簡介134
9.1.1磁屏蔽的基本原理134
9.1.2磁導率的影響因素135
9.2磁屏蔽裝置的屏蔽系數136
9.2.1單層球形屏蔽裝置的屏蔽系數136
9.2.2單層圓柱形屏蔽裝置的屏蔽系數137
9.2.3多層磁屏蔽裝置的屏蔽系數分析138
9.3磁屏蔽裝置的參數優化142
9.3.1球形屏蔽裝置的尺寸優化142
9.3.2圓柱形屏蔽裝置的尺寸優化142
9.4圓柱形屏蔽筒的軸向磁場分布144
參考文獻147
第10章無磁熱氣流加熱溫控裝置148
10.1幾種加熱方式的對比分析148
10.2熱氣流加熱系統的設計與測試149
10.3光纖光柵測溫系統151
參考文獻153
第11章激光器與穩頻技術154
11.1激光器的選擇154
11.2飽和吸收譜穩頻技術155
11.2.1飽和吸收譜穩頻的原理155
11.2.2飽和吸收譜穩頻的方法156
11.3消多普勒極化譜技術158
11.3.1消多普勒極化譜原理158
11.3.2消多普勒極化譜試驗裝置160
11.4線性磁光效應穩頻技術161
11.4.1線性磁光效應穩頻基本原理162
11.4.2不同角度下DAVLL的理論曲線163
11.4.3試驗方法165
參考文獻167
第12章兩種微小偏轉角檢測方法168
12.1分光束檢測法168
12.1.1分光束檢測法的基本原理168
12.1.2光電轉換電路的設計169
12.1.3分光束檢測法的系統性能測試170
12.2法拉第調制技術171
12.2.1法拉第調制技術的基本原理171
12.2.2法拉第調制技術性能測試173
參考文獻175
光學原子磁力儀原理與應用 節選
第1章 磁場測量的應用領域 磁場作為磁性物體的一種重要特征,是*早被人類認識的物理現象之一。小到分子、原子,大到地球、星際空間,都蘊含著豐富多樣的磁場信息。因此,對磁場的測量成為認識物理世界的一項重要技術手段。隨著科技的進步,人類對磁場的理論及其所反映的物體信息的認識不斷深入,高精度的磁場測量技術也隨之而得到極大的發展。近幾十年來,對磁場的高精度測量已被廣泛應用于地質勘探、軍事領域、心磁腦磁測量、地震預測和工業領域等多個領域。 1.1 地質勘探 磁探測方法*主要的應用就是在地質勘探、油氣和礦產資源勘察等方面。磁探測方法是物探方法中*古老的一種,其原理是基于磁性巖體和礦體由于本身的磁性會產生相應的磁場,從而使局部地球磁場產生變化。通過探測和研究不同位置處的磁異常,進而發現礦產資源分布和研究地質結構。早在 17世紀人們利用磁羅盤直接找磁鐵礦。在第二次世界大戰后,航空磁測法得到廣泛應用,可測量大面積的磁場分布。在地質填圖時,磁探測方法可劃分出各種巖石的分布范圍,研究沉積巖下面的基底構造;還可直接用來尋找磁鐵礦床,并將其作為一種輔助手段繪制地質圖和測定基底構造。圖 1.1 是在新疆西天山地區某處通過航空磁測得到的磁異常圖[1]。2020年,陳江源等報道了利用磁探等手段,對西天山卡拉達灣地區鈾及多金屬礦產進行了調查[2]。在石油等礦藏探測時,往往將磁測數據和重力測量數據等相結合(圖 1.2)[3,4]。 對于大范圍地質結構和地球磁場研究而言,衛星磁測提供了一個很好的平臺。自 1958年蘇聯發射了**顆載有磁力儀的 Sputnik-3衛星以來,人類開始通過衛星磁測數據來研究全球地質結構[5-7]。2000年 7月,德國發射了一顆重磁兩用衛星,工作在距離地球 454~300km的低軌道上,攜帶了兩種磁力儀,分別測量地磁場的標量和矢量信息,比之前的 MAGSAT地磁衛星的磁場測量準確度高了一個量級[8-10]。圖 1.3是德國發射的 CHAMP衛星[11,12]。2018年 2月 2日,我國將電磁監測試驗衛星“張衡一號”發射升空,進入預定軌道。這標志中國成為世界上少數擁有在軌運行高精度地球物理場探測衛星的國家之一(圖 1.4)[13,14]。 圖 1.1 航磁異常剖面平面和等值線平面特征圖[1] 圖 1.2 利用電磁法探測油氣資源[3] 圖 1.3 德國 CHAMP衛星[11] 圖 1.4 我國的電磁監測試驗衛星“張衡一號” [13] 在礦產油氣等資源探測方面,由于衛星磁測的空間分辨率尚不盡如人意,目前廣泛使用的是航空磁測和地面高精度磁測[15,16]。自 1957年以來,我國已經在國內外開展了航磁普查和地面磁測,并在遼南金伯利巖、云南鎮康鉛鋅礦、新疆哈密磁鐵礦、新疆西天山銅礦、陜北油氣,以及馬達加斯加共和國的釩鈦磁鐵礦等礦產資源的勘探上取得了明顯效果[17-21]。隨著地表礦產資源的減少,利用局部磁異常尋找深部礦產資源愈來愈受到重視,同時對磁力儀的精度要求也越來越高。圖 1.5是中國國土資源航空物探遙感中心的硬架式直升機測量系統[22]。 圖 1.5 硬架式直升機測量系統[22] 磁場勘察還是探測古遺存空間分布的主要方法,由于古遺址、墓葬、古建筑及古人類化石本身與所處地層的磁場存在差異,其磁性差異構成了磁學考古的基礎。例如,被火燒過的泥土、石頭等具有較強的磁場,其比一般的土壤磁性高 1~ 2 個量級,為考古工作提供了“磁性化石”。有機質的腐爛會使土壤中的赤鐵礦變為磁鐵礦,因此使土壤獲得較強的磁性。人為翻動過的土壤因土質結構、密度發生變化,以及摻入人工制品的殘渣,都會使其與周圍天然的沉積物之間顯示出磁性的差別。對考古對象的磁異常特征進行分析,有助于全面認識考古對象[23-25]。 1.2 軍事領域 在海戰中,潛艇由于具有隱蔽性和突然性,成為重要的威脅力量。為了減少潛艇的威脅,各種反潛偵查系統相繼出現,并形成了水面、水下、空中、路基多位一體的體系。目前,對水下潛艇探測的主要手段是依靠聲吶設備,但隨著潛艇自身降噪技術的發展,聲吶探測已經不能完全滿足探潛的需要。 2009年發生了英國“前衛”號核潛艇與法國的“凱旋”號核潛艇海底相撞事故,事件中的“前衛”號和“凱旋”號核潛艇不但都采取了更為先進的降噪技術,甚至還裝備有模擬海洋噪聲的裝置,進一步掩蓋自己的聲音特征,這些都說明現代核潛艇的隱蔽性達到了相當高的地步。 為了提高反潛偵查系統的有效性,各國都在積極發展非聲探測技術。其中,利用潛艇自身磁性特征的磁異常探潛技術具有明顯的優勢,這是由于潛艇在大海中航行時會產生大地磁場擾動,艦艇內的機械振動也會使出航前消過磁的艦體逐漸磁化,同時潛艇螺旋槳轉動引起海水中產生局部電流,引起磁場的動態變化,并且尾流存留時間長,延伸距離可達數十公里,因此增大了探測距離。 目前發展*為成熟的是航空反潛技術,其主要特點是反潛機速度快、航程遠、反應迅速;作戰覆蓋海域寬廣、搜潛精度高、反潛效率高;隱蔽安全,不易被水下潛艇發現和攻擊;攻潛效果好,一旦發現潛艇可以快速實施攻擊。除了采用飛機反潛外,還有一種與飛機組成綜合探測系統的浮標式磁探儀,其工作方式和聲吶浮標類似。早在第二次世界大戰中,美國就開始在遠程轟炸機上試驗磁異常探測器( magnetic anomaly detector,MAD)系統的反潛效果,當時使用的是磁通門磁力儀。1944年,裝備有該類型 MAD系統的盟軍 VP-63型反潛機**次成功探測并擊沉德國的 U-761型潛艇。當時,這種磁探儀探測距離只有 120m左右,也就是說如果飛機在離海面 50m飛行,只能探測水下 70m的潛艇。目前,美國、俄羅斯、英國和法國的遠程反潛巡邏機、反潛直升機上都裝備有 MAD系統。美國的 P-3C Orion型反潛巡邏機上裝備的 AN/ASQ-208型氦 4光泵磁探儀,靈敏度為 3pT,用于取代 P-3C系列反潛巡邏機的 P-8A“海神”多用途海上飛機裝備了加拿大 CAE公司提供的靈敏度更高、更加先進的一體化磁異常探測系統。新的 AN/ASQ-504/508型氦 4光泵磁探儀被裝備到 P-3、SH60、SH2等直升機或者預警機上(圖 1.6)[26]。隨著潛艇制作材料和工藝的不斷進步,潛艇本身的磁特征在減弱。研究人員開展了潛艇尾流電磁效應、德拜效應的測量,這種方法不受潛艇自身磁性的影響,只是跟蹤潛艇尾流引起的海水中的電磁場變化。 圖 1.6 AN/ASQ-504被裝備到 CP140海上預警機[26] 1.3 心磁腦磁測量 在生物醫學領域,高靈敏度磁力儀是一種重要的醫學輔助診斷儀器。弱磁檢測技術在醫療領域的應用主要包括腦磁[27,28]和心磁測量[29,30],圖 1.7給出了腦磁測量原理示意圖。 圖 1.7 腦磁測量原理示意圖 大腦是人類身體中*復雜也是*重要的器官。在大腦皮層,大約有 1010個神經細胞,這些細胞是產生各種大腦活動的基本單元。當大腦處于休息狀態時,由于鈉離子的滲透率小于鉀離子,外部神經元膜保持著幾十毫伏的電壓。當神經細胞受到刺激時,離子的滲透率發生變化,鈉離子穿透神經元膜,電壓產生反向。這種突然的電壓改變會產生電脈沖,沿著神經細胞軸突傳播。在軸突的末端,電信號轉化成化學信號釋放神經遞質穿過突觸間隙傳遞給下一個神經細胞。沿著軸突傳播的電脈沖會產生非常微弱的磁場(<100fT)[31,32]。由于人體顱內腦神經組織帶電粒子的遷移會產生局部電流,造成局部磁場變化,目前廣泛采用超導磁力儀記錄這種隨時間變化的磁場變化,稱為腦磁圖(magnetoencephalography,MEG)。還可通過刺激腦部神經組織引起磁場的變化,例如采用聲信號(聽覺誘發腦磁反應)、光信號(視覺誘發腦磁反應)或電信號(體表感覺誘發腦磁反應)刺激。在 20世紀 80年代,國外已經采用超導量子干涉儀測量聽覺誘發中潛伏期腦磁反應和聽覺誘發腦干磁反應。20世紀 90年代初又出現了聽覺誘發腦磁圖,如圖 1.8所示[33],主要用于癲癇病灶的定位診斷,以及腦梗死、腦出血、精神障礙疾病的診斷。腦磁圖目前已廣泛應用在癲癇和病灶定位、大腦功能區定位、缺血性腦血管疾病、精神病和心理障礙等疾病的診斷中[34-39]。 圖 1.8 聽覺誘發腦磁圖[33] 除腦磁圖外,心磁圖(magnetocardiography,MCG)也是非常重要的醫學診斷手段。人體心臟的跳動伴隨著激活電流的產生,這個電流在周圍產生磁場,心磁學即是對這個磁場進行測量、分析給出醫學解釋。由于傳統的心電圖只能測量體表不等勢兩點的電位差,這種電位差是心臟電流在體表的反應,而體表的電位差往往不能推算出體內心電電流的準確分布,同時其需要接觸式測量。而采用高溫超導磁力儀進行心磁測量可以實現非接觸測量,并且測量準確,可以對心臟損傷部位進行定位。目前,心磁圖已經用于心臟疾病的診斷。在心肌缺血、冠心病、心律失常和胎兒心臟疾病檢測等領域,人們已經利用心磁圖開展了大量臨床研究工作[40-43]。 隨著磁力儀靈敏度的提高和技術的進步,近年來,人們已經開始研究利用高靈敏度磁力儀來定位分子、癌細胞和測量植物磁場等[44,45]。 1.4 地震預測 地震災害的突發性與頻發性給人們的生命財產帶來了極大的危害。全球每年發生的地震有五百五十萬次之多,常常引起水災和火災以及細菌、有毒氣體的泄露和擴散等,還能引起海嘯、崩塌、滑坡等很多次生災害。 2008年的 5 12汶川地震給人們的財產帶來巨大的損失,人們對地震的預報工作提出了很大質疑。地震時產生的地球磁場變化是地震預報的一個重要手段,對地震磁現象的研究迄今也有近百年的歷史,但到目前為止仍是一個世界難題。一般認為,地震引起磁場變化的原因主要有兩點,一是地震前巖石在地應力作用下出現的“壓磁效應”,從
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