陳恩 宗發(fā)保

（第七一五研究所，杭州，310023）

氦光泵磁力儀測試探頭的設(shè)計與實現(xiàn)

陳恩 宗發(fā)保

（第七一五研究所，杭州，310023）

設(shè)計實現(xiàn)了一種能夠模擬氦光泵探頭的測試探頭，根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制出了其基頻的幅頻特性曲線和二倍頻的幅頻特性曲線，與理論的氦光泵的基頻和二倍頻信號幅頻曲線相一致。

氦光泵磁力儀；測試探頭；拉莫爾調(diào)頻信號；共振信號

氦光泵磁力儀以氦原子在外磁場中發(fā)生塞曼分裂為基礎(chǔ)，利用光泵作用和磁共振研制而成，將對磁場的測量轉(zhuǎn)換成對頻率的測量，已被廣泛地用于磁法勘探、航空反潛等領(lǐng)域。氦光泵磁力儀測試探頭，能模擬出氦光泵探頭對拉莫爾調(diào)頻信號的解調(diào)和共振信號產(chǎn)生，能夠代替氦光泵探頭實現(xiàn)磁力儀系統(tǒng)的跟蹤。在沒有氦光泵探頭的情況下，可以實現(xiàn)對磁力儀系統(tǒng)（除光泵探頭外）的調(diào)試?？梢栽谂懦饨绱艌龈蓴_和氦光泵探頭本身的光噪聲及電噪聲的情況下，完成對信號處理電路部分的噪聲測試。

1 氦光泵探頭原理

1.1 氦光泵組成

氦光泵磁力儀是利用氦原子磁性及光學(xué)取向來測量磁場的一種儀器，其中氦光泵探頭是磁力儀的核心部件，主要由氦燈、氦吸收室、光學(xué)部件、射頻線圈、高頻激勵和光敏元件組成。

1.2 氦光泵磁共振現(xiàn)象

氦燈、氦吸收室內(nèi)充高純度的氦氣，氦燈在高頻激勵的作用下，產(chǎn)生輝光放電，它的發(fā)光光譜即是氦氣體發(fā)光的光譜。氦吸收室在高頻激勵的作用下，被激發(fā)而發(fā)出淡藍(lán)色的弱光，這時一部分原來沒有磁性的氦原子就變成帶磁性的亞穩(wěn)態(tài)原子。亞穩(wěn)態(tài)的氦原子吸收來自氦燈發(fā)出的波長為1.08 μm的D線后，沿外磁場方向排列，叫做“光泵作用”。這時，在射頻線圈上加一個頻率為f的射頻信號，改變f，使它等于一個適當(dāng)?shù)念l率fo時，射頻場能夠把已排列好的氦原子打亂，這個現(xiàn)象叫磁共振現(xiàn)象。其中，fo=28.023 56T，T為外界磁場值。

1.3 磁力儀自動跟蹤原理

實現(xiàn)磁力儀的測量磁場的基本過程是：用高頻激勵的方法，使吸收室內(nèi)的氦原子獲得磁性；用氦燈發(fā)射出1.08 μm的D線，經(jīng)過啟偏器和1/4λ波片處理成圓偏振光，照射吸收室，使氦原子沿外磁場方向排列；逐步改變射頻信號的頻率，使氦原子吸收光量最大，檢測到的光敏元件上的反向電流最小；測出射頻信號的頻率，換算成磁場值。這種手調(diào)的方法雖然可以測定某一固定點的恒定磁場，但在測定隨時間變化的磁場時，就不能勝任了，同時也不能適應(yīng)高精度的測量。因此，必須采用自動測量的電子自動跟蹤裝置。

要實現(xiàn)自動跟蹤，必須將射頻信號以調(diào)制頻率fn做上下擺動，即輸出頻率f= fo+Δfcos2πfn，使光敏元件輸出一個交流量，其共振曲線如圖1所示，其中X軸是射頻頻率，Y軸是光敏元件上檢測到的光強(qiáng)，光強(qiáng)最低點是磁共振點[1]。而光敏元件的伏安特性如圖2所示，光強(qiáng)越強(qiáng)反向電流越大[2]。光敏元件的輸出幅度如圖3所示。

圖1 氦光泵探頭磁共振曲線

圖2 光電二極管的伏安特性

由圖3可知，在f≠ fo時，光敏元件的輸出相位不同。經(jīng)過相敏檢波輸出后，當(dāng)f＜fo，相敏輸出為正；當(dāng)f＞fo時，相敏輸出為負(fù)；當(dāng)f=fo時，相敏輸出為零。通過相敏檢波的輸出來改變壓控振蕩器的輸出頻率，使f=fo來實現(xiàn)磁力儀的自動跟蹤。

圖3 光敏元件輸出幅度

2 測試探頭電路設(shè)計

由上一節(jié)可知，氦光泵探頭的輸入為一個調(diào)頻的射頻信號，經(jīng)過氦光泵探頭的磁共振作用后，輸出基頻信號和二倍頻信號。其輸出的幅頻特性曲線與LC諧振回路的幅頻特性曲線一致，可以考慮使用單失諧回路斜率鑒頻電路。調(diào)頻波是一個頻率隨調(diào)制信號變化而變化的等幅波，如果能把頻率的變化通過振幅的變化反映出來(而且成正比例關(guān)系)，那么就可以用振幅包絡(luò)檢波電路把振幅的包絡(luò)取下來，得到所需要的調(diào)制信號。原理框圖如圖4所示。

圖4 單失諧回路斜率鑒頻電路原理框圖

頻幅變換是一個以LC并聯(lián)諧振回路作負(fù)載的調(diào)諧放大器，其回路的諧振頻率不是調(diào)諧在輸入調(diào)頻信號的中心頻率Fc上，而是高于或低于Fc，因此稱之為失諧回路，其幅頻特性曲線如圖5（a）所示，其特性與氦光泵探頭光敏元件輸出的幅頻特性曲線一致。調(diào)幅信號再經(jīng)過包絡(luò)檢波就可以得到需要的低頻調(diào)制信號，其波形變換如圖5（b）所示。射頻調(diào)頻信號經(jīng)過前端的LC并聯(lián)諧振放大后，產(chǎn)生一個調(diào)幅信號，再經(jīng)過兩個二極管包絡(luò)檢波后，輸出一個基頻信號（在諧振點處，輸出二倍頻信號）到信號處理器，電路原理圖如圖6所示。

圖5 波形變換原理圖

圖6 氦光泵測試探頭電路原理圖

3 實驗結(jié)果及分析

用Tektronix-TDS2022示波器及磁力儀信號處理器對測試探頭進(jìn)行測試得到圖7所示的幅頻特性曲線，其中（a）為基頻信號的幅頻特性曲線，（b）為二倍頻幅頻特性曲線?？梢钥闯鰷y試探頭的基頻和二倍頻的幅頻特性曲線與氦光泵探頭的曲線相一致。圖8為共振區(qū)外的基頻和二倍頻信號，其幅度近似為零。圖9為共振點處的基頻和二倍頻信號，二倍頻經(jīng)過信號處理器放大后的信號有效值幅度有11.3 V，此時的二倍頻信號幅度最大。圖10為共振區(qū)內(nèi)斜率最大處的基頻和二倍頻信號，基頻信號經(jīng)過信號處理器放大后的信號有效值幅度有8.47 V，此時的基頻信號幅度最大。

圖7 測試探頭的幅頻特性曲線

圖8 共振區(qū)外的基頻和二倍頻信號

圖9 共振點

圖10 共振區(qū)內(nèi)斜率最大處

4 結(jié)論

由實驗結(jié)果可知，氦光泵測試探頭的基頻和二倍頻的幅頻特性曲線與氦光泵探頭的曲線一致，所以本文設(shè)計的氦光泵測試探頭能夠模擬實際的氦光泵探頭實現(xiàn)對拉莫爾調(diào)頻信號的解調(diào)和共振信號的產(chǎn)生，實現(xiàn)整個磁力儀系統(tǒng)的跟蹤。在沒有氦光泵探頭的情況下，可以實現(xiàn)對磁力儀系統(tǒng)（除光泵探頭外）的調(diào)試?？梢栽谂懦饨绱艌龈蓴_和氦光泵探頭本身的光噪聲及電噪聲的情況下，完成對信號處理電路部分的噪聲測試。在磁力儀發(fā)生故障時，也可以作為磁力儀系統(tǒng)的故障檢測設(shè)備，對磁力儀的故障位置進(jìn)行定位。

本文設(shè)計的氦光泵測試探頭在共振區(qū)內(nèi)的線性度不是很好，且其跟蹤點是固定不可調(diào)的。在以后的工作中，可以考慮采用數(shù)字式的氦光泵測試探頭，其具有較好的線性度，且跟蹤點可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。

[1]張振宇,程德福.氦光泵磁力儀信號的分析與檢測[J].儀器儀表學(xué)報,2011,32(12):2.

[2]胡靜.光電二極管的工作原理及應(yīng)用特性分析[J]．貴州科技工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報,2006,1(1):1.