基于SQUID传感器的超导单通道磁力仪研制

针对地球物理勘探中高精度磁场信号测量与靶目标大小方位检测难题,本文基于SQUID传感器研制了一种超导单通道磁力仪。首先,介绍了超导磁力仪工作原理,重点设计了其总体结构框架、控制单元、XYZ单元、无磁杜瓦瓶和供电模块;然后,提出了自适应滤波算法用于抑制运动磁场噪声干扰,静磁学逆向求解算法用于反演靶目标大小及方位;最后,采用半径0.2 m的圆铁球和边长5 m的地表立方空洞体进行检测实验,实验结果表明:本文超导磁力仪稳定可靠并满足地下勘探要求。

子午工程二期感应式磁力仪

地球的感应磁场是空间电流体系在地球内部感应而成的电流所产生的磁场.通过地球感应磁场的观测,既可以了解空间电流体系的信息,也可以了解地球内部电性结构等信息,是研究空间天气事件和地震圈层耦合机理的重要物理参量.子午工程在我国大陆和南极地区东经120°、100°和北纬30°、40°线附近布设呈“#”字型分布的多台(套)感应式磁力仪,开展固定、长期、连续的地球感应磁场测量.子午工程一期配置有14台(套)由乌克兰生产的LEMI-30型感应式磁力仪,自2009年开始观测,至今一直正常运行,并将与子午工程二期并网融合运行.子午工程二期将布设13台(套)感应式磁力仪,计划于2023年投入运行,与子午工程一期已布设设备共形成27台(套)的感应式磁力仪观测网.子午工程二期感应式磁力仪由我国自主研制,磁芯采用高磁导率的新型合金材料,通过采用多片叠加技术,有效聚集磁场,增强感应输出信号,提高传感器对微弱信号的拾取能力.研制方出厂测试、中国计量科学院测试以及在高淳地震台较长时间的实际观测,结果表明,子午工程二期采用的感应式磁力仪的频带范围宽,可达0.001~30 Hz,灵敏度高,分辨力达10 pT,长期运行稳定好.

大动态范围磁通门磁力仪及其在定向误差校正中的应用

仪器定向误差会影响地磁矢量观测数据的准确性,现有的校正方法需要已知地磁场模量或参考标准仪器,且难以应用在井下和海洋等无法手动安装调整仪器的情况。本文提出了大动态磁通门磁力仪和在此基础上的欧拉旋转变换的矢量校正方法。该方法可在无需参考标准仪器的情况下,获得磁通门的定向角度误差并进行自校正测量。在地磁观测台站进行了实验,结果表明,当实验仪器定向误差分别设置为4个不同象限区间的大角度时,校正后与台站比测仪器对应分量的相关系数仍达到0.99以上,B-A图中置信区间长度减小了86%以上,RMS误差降低至15%以下,论证了该校正方法的有效性,能够提高地磁台站的观测数据质量,并为井下和海洋地磁观测的定向提供参考解决方案。

CPT原子磁力仪转向差及其标定补偿

CPT原子磁力仪具有无方向盲区,并且在磁感应强度方向变化时可连续测量无需模式切换的特点,特别适合搭载在卫星、直升机等平台进行拖曳式探测。但是CPT原子磁力仪存在转向差问题,且探头剩磁干扰会影响转向差的补偿精度,进而影响其使用性能。本文针对CPT原子磁力仪转向差问题,分析了转向差机理,建立了探头剩磁补偿模型并进行了补偿,使用粒子群算法估计了剩磁参数,并使用剩磁补偿后的转向差离散点进行三次样条插值得到转向差曲线。试验结果表明:算法估计的探头剩磁在旋转面的投影分量大小为0.344 nT,方向与探头轴线垂直。在剩磁补偿前后,转向差补偿后的残差标准差由0.288 nT减小到0.132 nT,标准差减小了54%,有效提高了CPT原子磁力仪的使用性能。

光泵磁力仪中垂直腔面发射激光器激光波长锁定

针对光泵磁力仪(OPM)对小型化、低功耗以及激光光源波长稳定性的要求,提出一套垂直腔面发射激光器激光波长锁定控制方案.所提基于多普勒吸收的光反馈波长锁定方案以133 Cs原子D1线F_(g)=4→F_(e)=3超精细能级跃迁波长为参考波长,OPM的原子蒸汽气室同时作为波长锁定的工作气室,无需任何额外装置即可将激光波长锁定在该D1线跃迁波长.使用数字比例积分微分控制与模糊控制算法进行激光的温度控制,使温度波动在±0.005℃内;采用基于电流镜的激光电流驱动方案,使电流波动在±50 nA内,为激光波长锁定提供了良好的硬件基础.最后,在实验室环境下实现OPM长达2 h的稳定信号输出.

面向双气室铯光泵磁力仪的VCSEL稳频研究

在地磁场测量领域中,自激振荡式碱金属原子光泵磁力仪因为快速响应与高精度成为一项重要技术。其中自激式双气室光泵磁力仪无需考虑移相电路带来的信号误差,电路简单。使用垂直腔面发射激光器作为泵浦光源有效降低了磁力仪功耗和体积。针对使用垂直腔面发射激光器的便携式双气室铯光泵磁力仪激光稳频方法进行设计,设计方案包括激光器温度控制电路,光泵磁力仪信号反馈电路,激光器电流源调制与控制电路。将注入电流调制的稳频方法用于双气室光泵磁力仪结构,减小稳频代价的同时具有较好稳定性,温度控制精度达到0.002℃,10秒内波长稳定度达到4.36×10^(-10),初步探索了自激式双气室光泵磁力仪集成化与小型化的可能性。

天津宝坻新台FHD-2B质子矢量磁力仪运行质量和干扰分析

以天津宝坻新台FHD-2B质子矢量磁力仪为例,分析了其运行质量和干扰情况。从观测数据的连续率和有效率,观测数据背景噪声和数据一致性,数据变化动态及主要干扰等方面进行了分析研究。结果表明:宝坻新台地磁FHD观测数据的连续性和有效率较高;仪器背景噪声较大,高于全台网噪声平均值;在日常观测中,主要受到高压直流输电、地磁暴和主机故障等干扰。研究结果对同类台站同类仪器数据分析应用具有借鉴意义。

基于网络的磁力仪台站远程实时监测方法

磁法勘探中,磁力仪台站仪器采集地磁静日变化数据用于探区的地磁场数据的日变改正。为避开电磁干扰,磁力台站通常设置在偏远位置,很难实时监测仪器状况和数据质量,一旦出现问题会导致所有流动站的数据无法进行日变改正而作废。针对此问题,本文提出一种基于移动网络的远程实时监测磁力台站工作状况的方案,具有实时回传台站数据和状态异常警报功能,能够实时进行台站远程监测,解决了台站监测离不开人的难题。

金刚石NV色心磁力仪测磁性能优化

金刚石NV色心以其高磁场灵敏度、常温工作等优势成为一种非常有前景的磁场传感器。本文介绍了NV色心测磁原理,设计并搭建了基于NV色心的磁测量系统,通过激光-荧光差分光路将噪声降低至约1/8,使用微波混频调制方法将ODMR谱线斜率提升2.5倍左右,最终基于NV色心浓度<300 ppb的金刚石样品实现了0.934 nT/Hz^(1/2)的磁场测量灵敏度。同时设计了基于双微波调制解调的NV测磁系统,并在10 kHz采样率下实现了1.76×10^(-4)的测量不确定度,基于阿伦方差分析方法,在0.2 s统计时间条件下测量不确定度达到10 ppm。

基于质子磁力仪的海洋地磁测量系统研制

为更好地开展海洋资源开发和海洋国土维护,海洋地磁测量技术的重要性愈发凸显。基于质子磁力仪研制海洋地磁测量系统,具备地磁监测、数据存储、读取、显示、回放以及仪器配置等功能,可进行长时间的深海地磁全向性监测,为实现远海布设地磁日变观测站提供条件,有利于提高远海区磁测数据的精度和质量,对我国的海洋地球物理勘探有重要意义。

原子磁力仪中的检测光强噪声补偿方法研究

为解决原子磁力仪检测光强残余噪声问题,提出了检测光强噪声数字补偿方法。首先根据原子自旋进动检测基本理论,通过光弹调制器和锁相放大器进行线偏光的光旋角检测,利用噪声衰减器对检测光功率进行正弦调制拟合得到补偿系数,然后使用光弹调制器调制频率的二倍频信号对一倍频信号进行后处理修正,实现检测光强噪声压制。得到补偿系数后可将用于幅度调制的硬件甚至前级稳光强装置移除,仅利用数字补偿技术即可实现光强噪声抑制。搭建基于K-Rb-21Ne气室的磁力仪实验装置,在无自旋交换弛豫态(Spin-Exchange Relaxation-Free,SERF)下开展检测光强噪声补偿实验,结果显示光旋角检测信号的噪声被压制了13.2 dB@3 Hz。应用此噪声补偿方法,避免了不同光路所引入的非共模噪声,并在前级稳光强的基础上实现了二次稳光强。此补偿方法可进行补偿系数的定期校准,减小系统状态改变及不稳定性带来的影响,对于提升原子磁力仪灵敏度具有重要意义。

基于铯光泵磁力仪的地震地磁矢量测量系统

为解决地震地磁矢量观测中质子矢量磁力仪噪声大,长期观测中存在明显漂移,磁通门磁力仪温度效应明显,保温磁房投入大等问题,研制了基于铯光泵磁力仪的地震地磁矢量测量系统,本文详细介绍了其测量原理及仪器结构,设计了混合分量线圈装置,并开展了稳定性分析。研制的样机在蒙城地震台开展了观测实验。结果表明,实验期内记录良好,采样率达到1 Hz,1月份总强度、水平分量和磁偏角月噪声分别为0.01 nT、0.02 nT和0.003′,优于地震地磁观测基本网质子矢量磁力仪最好噪声水平,也优于同场地两台磁通门磁力仪的噪声水平和基准网的平均噪声水平。其实验期内水平分量和磁偏角最大漂移分别为1.3 nT和0.16′,小于座钟式质子矢量磁力仪基线漂移,具有良好的稳定性。

量子磁力仪评说

作者在本文中全面扼要地论述了各种量子磁力仪的基本原理、研究和开发方面的进展以及应用情况。量子磁力仪包括核子旋进磁力仪(质子、He3)、欧弗豪泽-阿布拉姆质子磁力仪、光泵磁力仪(He4、K、Cs、Rb)、原子磁力仪和超导磁力仪。重点介绍了:1)法国和加拿大制造的欧弗豪泽-阿布拉姆质子磁力仪,这种磁力仪可能接替质子磁力仪;2)欧洲航天局考虑用作卫星磁测的新型He4光泵磁力仪,由法国J.M.Le-ger等研制(美国帕拉托密克公司的R.E.Slocm博士等也独立地作了类似的研究和开发工作),采用可调谐激光器作光源(利用D0线),灵敏度很高,各向同性良好;3)气态碱金属(K、Cs、Rb)光泵磁力仪(目前仍用元素灯作光源,利用D1线),应用广泛;4)美国普林斯顿大学物理系M.V.Romalis教授和华盛顿大学物理系的J.C.Allred等研制成的一种新型原子磁力仪,完全利用光学方法测量磁场,灵敏度达到0.54fT／Hz1/2(1fT=10-15T,fT,飞特),将来可能达到10-18T;5)超导量子干涉磁力仪,这种磁力仪在4°K条件下工作时,灵敏度最高,达到1fT／Hz1/2,而且测程大,频带很宽(0-n×106Hz),能够响应快速变化的磁场,最近出产的高温超导磁力仪(HTC SQUID),比较轻便,不仅可作磁测,而且可用于电磁法测量。

量子磁力仪研究和开发近况

介绍了核子旋进磁力仪、欧弗豪泽磁力仪、光泵磁力仪、超导磁力仪和原子磁力仪研究和开发近况,提出了开展研究工作的建议。

原子磁力仪在异常作用力及类轴子暗物质探测中的应用

简述了异常相互作用力及类轴子暗物质的理论模型,回顾了近年来国内外研究人员使用原子磁力仪和共磁力仪等进行自旋相关的非磁性力探测和暗物质搜寻的技术方案,归纳了迄今为止对自旋和速度相关相互作用、自旋引力相互作用、类轴子暗物质场梯度与核子的耦合强度的探测结果。在此基础上,本文对该领域未来的发展方向进行了展望,通过分析和抑制系统误差、寻找新的探测方案等方法,有望为自旋相关相互作用的耦合参数空间提供更严格的约束,在更广泛的质量范围内对类轴子暗物质与标准模型费米子的耦合给出更严格的界定。

激光抽运-检测型原子磁力仪对交变磁场的测量

交变磁场作为磁场一种特殊的存在形式,有着广泛的应用和学术价值,而现阶段没有行之有效的方法对交变磁场进行绝对测量。抽运-检测型原子磁力仪具有量程宽、灵敏度高、能准确反映磁场真实特性,在磁场测量及标定中具有非常重要的意义。通过对抽运-检测型原子磁力仪在交变磁场激励下作用机理研究,对实验装置进行改进,实现抽运-检测型原子磁力仪对交变磁场的绝对测量,在Z轴方向上实现了背景磁场40000 nT,频率为100 Hz、磁场强度幅值为1000 nT的交变磁场测量;在Y轴方向上实现了背景磁场1000 nT,频率为20 Hz、磁场强度幅值为500 nT的交变磁场测量。测量结果表明该实验装置适用于低频、弱磁场强度交变磁场的测量,该方法为交变磁场的测量和标定提供一种切实可行的技术手段。

原子磁力仪的量子物理基础

原子磁力仪是基于量子技术实现的一种精密测量仪器,鉴于其广泛的应用前景,目前成为了国内外热门研究。原子磁力仪中涉及了大量的量子物理原理,对其中一些基础量子物理的掌握,有助于开展并深入研究磁力仪相关工作。作者对原子磁力仪中所涉及的量子物理基础进行阐述,包括:光泵浦、光频移、光探测、原子极化在磁场中的演化以及磁共振等。

结合平滑时窗-最小二乘法的光泵磁力仪快速高精度频率测量方法

为了提高光泵磁力仪频率测量的精度和速度,提出了一种结合平滑时窗-最小二乘法的光泵磁力仪快速高精度频率测量方法。首先,根据光泵磁力仪频率信号的特点,分析了该方法的测量原理和实现方法。然后,推导了频率测量的公式,分析了影响频率测量精度的因素。最后,设计频率测量实验和室外磁场测量实验对提出的方法进行验证。实验结果证明,该方法明显优于多周期同步测频法,在80~350 kHz频率段内均方差均小于2.2×10^(-3)Hz,在磁场测量实验中,采样频率为200 Hz时,噪声功率谱密度为0.001 nT√Hz@1Hz。

高精度质子磁力仪技术指标测试标定误差的研究

高精度质子磁力仪在地质勘探、矿区勘查、地质构造、地震前兆监测、文物考古、航磁探测、水下磁性物勘探等领域广泛应用,仪器的性能及技术指标的测试国家各行业有不同的标定和测试方法,本文通过使用北京市京核鑫隆科技有限责任公司研制生产的JHC-168T高精度质子磁力仪在中国计量科学院的标定测试,对各项主要技术指标的标定测试方法进行分析探讨,对各项指标的误差进行研究总结,为仪器的正确应用提供参考帮助。

代县地磁台阵GM4磁通门磁力仪参考背景噪声研究

选取2015-2017代县地磁台阵5个子台:代县、繁峙、应县、怀仁、山阴的地磁数据进行参考背景噪声计算和分析,结果显示:5个子台噪声值非常稳定,表明各子台仪器工作状态非常稳定。代县子台的H和Z分量表现出冬季高夏季低的季节性变化特征,其它4个子台噪声值季节性变化不明显。台阵中噪声值最小的是代县地磁子台,三个分量全部小于等于国家地磁台网的平均噪声值。噪声最大的是繁峙子台的Z分量,一直保持0.09nT的高值,背景噪声较大的子台应该是该台地下介质电性结构和地理环境造成的影响,有待更进一步深入研究。