高压功率放大器在核磁共振陀螺研究中的应用

实验名称：核磁共振陀螺内嵌磁力仪的横向弛豫时间在线测量方法实验

研究方向：精密测量

测试目的：

核磁共振陀螺中探测光频率变动将导致内嵌磁力仪所测信号幅度的变动，进而导致陀螺的零偏漂移。根据核磁共振陀螺结构特点，提出了一种集成式探测激光稳频方法，即对探测光频率加上一个幅度调制，然后对平衡探测器接收到的光强信号作一次谐波解调，得到稳频误差信号，通过PID反馈控制可将探测光频率稳定在某个合适的参考点。具体分析了该方法的原理和稳频精度影响因素，然后介绍了集成有探测光稳频系统的核磁共振陀螺实验装置并实验验证了该稳频技术的可行性，在目前系统条件下可实现稳频精度优于10MHz。该技术不需要外部稳频系统，有利于核磁共振陀螺的小型化。

测试设备：ATA-4012高压功率放大器、数据采集卡、磁控电路板、锁相放大器。

实验过程：

图：NMRG实验系统装置示意图

搭建核磁共振陀螺系统实验装置，示意图和实物图分别如上图和下图所示。

图：NMRG实验系统装置实物图

原子气室周围环绕三维亥姆霍兹磁场线圈和磁场梯度线圈，如下图所示，线圈的黑色骨架为具有绝缘特性的亚克力材料，线圈的导线为无氧铜线，线圈导线和电源使用屏蔽线连接。线圈中通入的电流由数据采集卡和专门的磁控电路板驱动。

图：实验系统的三维磁场线圈（置于磁屏蔽筒内）

泵浦激光由较高功率的半导体激光器发出，为准单色线偏振光，激光频率调到碱金属原子D1线跃迁中心频率处。泵浦光经过扩束准直后，通过线偏振片（前面的λ/2波片用于调节入射到原子气室的激光功率）和λ/4波片后成为左旋圆偏振光，然后沿z轴方向传播进入原子气室，对碱金属原子自旋进行光泵浦。

探测激光由较低功率的半导体激光器发出，为准单色线偏振光，激光频率调到适当偏离碱金属原子的D1线跃迁中心频率。探测激光经过扩束准直后，通过线偏振片后，沿x轴方向传播进入原子气室。从原子气室出射后，携带有光旋角信号的探测光经过一个λ/2波片（λ/2波片的作用是在没有泵浦光和磁场施加的初始条件下将平衡探测器的输出调平衡）。然后经过渥拉斯顿棱镜，分解为两束分别沿竖直方向和水平方向偏振的线偏振光。分解得到的两束线偏振光的光强I1和I2通过平衡探测器来探测。

接下来，平衡探测器的差分输出信号输入到锁相放大器，并在参考频率处解调。通过锁相放大器的正交解调和同相解调输出，可以分别得到横向磁场x轴分量BX信号和y轴分量By信号。锁相放大器解调输出的信号由数据采集设备采集后传输到计算机进行数据处理、信号解调和频谱分析，对获取的Xe原子进动信号滤波放大和移相后与剩磁补偿控制信号一起施加到横向磁场驱动线圈，通过该反馈环路来维持系统闭环磁共振状态。

实验结果：

图：在不同的原子气室温度条件下磁力仪的吸收信号实验结果

在和仿真相同的实验方式和实验条件下，在不同的原子气室温度条件下，吸收信号的实验结果在上图中用不同颜色和形状的点表示。三个吸收曲线的中心频率有微小的相对偏移，偏移的原因推测是随着温度的升高87Rb原子自旋的极化场也增强，使得z轴磁场发生变化，导致87Rb原子磁共振频移；但是这不影响弛豫时间的测量结果，横向弛豫速率仅由吸收曲线的线宽决定。

图：不同的原子气室温度条件下磁力仪幅频响应特性实验测量结果

温度越低则弛豫速率越大，推测是因为温度降低后缓冲气体压强也降低，而碱金属原子在缓冲气体中的扩散常数与缓冲气体压强成反比，结果导致温度降低后碱金属原子与内壁的碰撞弛豫速率增加。

安泰ATA-4012高压功率放大器：

图：ATA-4012高压功率放大器指标参数

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审核编辑黄宇