【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微弱电流精密测量，涉及一种基于核磁共振的微弱交流电流测量装置。
技术介绍
1、微弱电流的精确测量是现代电子学技术中一项重要的技术，该技术在分析化学、生物医学、光电探测、石油测井、高精度传感器和核电子学等学科都有相应的应用。传统罗氏线圈电流传感器或霍尔电流传感器等传统电流传感器存在灵敏度低、线性度差的问题，已经很难满足现在技术发展的需求。
技术实现思路
1、本专利技术的目的：提供一种基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，基于核磁共振原理，将微弱电流与原子跃迁频率相联系，将微弱电流测量转换为高精度频率测量，可以显著提升对微弱电流的测量精度和测量线性度
2、本专利技术的技术方案：提供一种基于核磁共振的微弱交流电流精密测量装置，包括励磁线圈1、气室2、激励线圈3、补偿线圈4、抽运光光源5、探测光光源6、差分探测器7和屏蔽罩8；励磁线圈1与激励线圈3的轴线彼此正交；气室2位于励磁线圈1与激励线圈3的轴线交叉点；补偿线圈4与励磁线圈1同轴；抽运光光源5产生的抽运光9与探测光光源6产生的探测光10均通过气室2；在通过气室2时，抽运光9与探测光10轴线彼此正交，抽运光9与励磁线圈1轴线重合，探测光10可以与激励线圈3轴线重合，也可以与激励线圈3轴线正交；探测光10经过气室2后到达差分探测器7；励磁线圈1、气室2、激励线圈3、补偿线圈4均处于屏蔽罩8内；抽运光光源5、探测光光源6、差分探测器7既可以全部位于屏蔽罩8内，也可以全部或部分位于屏蔽罩8外。
3、所述励磁
4、可选的，励磁线圈1的线圈系数为k，k＝b/i，其中b为励磁线圈1产生磁场的磁感应强度，i为励磁线圈1上加载的电流；线圈系数k可以通过理论计算获得，也可以通过外部仪器标校产生。
5、可选的，待测的交流电流幅值一般不超过0.03/k，单位ma，以避免装置脱共振。
6、所述气室2为中空立方体，材质为高硼硅玻璃或石英玻璃，气室内充有工作气体，为碱金属铷或铯或钾或钠的蒸汽，气压从0.1torr到100torr；气室内也可以充有其它辅助气体，如氮气或惰性气体。
7、所述激励线圈3为亥姆霍兹线圈或螺线管或两者的组合，用于产生横向交流均匀磁场驱动工作气体磁矩共振，驱动电流频率ω≈γb0，其中γ为碱金属工作原子的旋磁比，b0为工作磁场的磁感应强度。
8、可选的，所述励磁线圈1、激励线圈3可以采用导线绕制或采用薄膜电缆焊接而成。
9、所述补偿线圈4为亥姆霍兹线圈，用于补偿纵向磁场，以保持工作磁场稳定，避免外部磁场冲击导致装置脱离共振区域。
10、可选的，补偿线圈4的功能也可以用励磁线圈1直接代替，补偿电流可以直接加在励磁线圈1上。
11、所述抽运光光源5、探测光光源6为半导体激光器，激光频率与碱金属工作原子的跃迁频率适配。
12、所述差分探测器7，包括偏振分束器11和两个光电探测器12，偏振分束器用于将探测光10按偏振方向分束，两个光电探测器12分别探测不同偏振光的光强。
13、所述屏蔽罩8为圆柱体或长方体，一般为2～5层，材质为高磁导率材料，如软磁合金或超导合金，屏蔽系数105～106；屏蔽罩8上设置有通光孔13、通光孔14，分别用于抽运光9和探测光10通光。
14、可选的，通光孔13、通光孔14即可以为单孔，也可以为一系列孔，取决于抽运光和探测光的实际光路。
15、所述抽运光9由抽运光光源5产生，为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，通过屏蔽罩8上的通光孔13进入最内层屏蔽罩，沿励磁线圈1的轴线传播到达气室2；穿过气室2后被屏蔽罩8或光束截止器截止，也可以从屏蔽罩8穿出。
16、所述探测光10由探测光光源6产生，通过屏蔽罩8上的通光孔14进入最内层屏蔽罩，沿激励线圈3的轴线或激励线圈3的轴线、励磁线圈1的轴线同时正交的方向传播穿过气室2；穿过气室2后到达差分探测器7。
17、本专利技术的优点：提供一种微弱交流电流精密测量装置，基于核磁共振原理，将微弱电流与原子跃迁频率相联系，将微弱电流测量转换为高精度频率测量，可以显著提升对微弱电流的测量精度和测量线性度；本专利技术的一个实施例，经试验证明，微弱交流电流精密测量装置测量分辨率达到10na，线性度达到0.003％。
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1.一种基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，包括励磁线圈(1)、气室(2)、激励线圈(3)、补偿线圈(4)、抽运光光源(5)、探测光光源(6)、差分探测器(7)和屏蔽罩(8)；励磁线圈(1)与激励线圈(3)的轴线彼此正交；气室(2)位于励磁线圈(1)与激励线圈(3)的轴线交叉点；补偿线圈(4)与励磁线圈(1)同轴；抽运光光源(5)产生的抽运光(9)与探测光光源(6)产生的探测光(10)均通过气室(2)；在通过气室(2)时，抽运光(9)与探测光(10)轴线彼此正交，抽运光(9)与励磁线圈(1)轴线重合，探测光(10)可以与激励线圈(3)轴线重合，也可以与激励线圈(3)轴线正交；探测光(10)经过气室(2)后到达差分探测器(7)；励磁线圈(1)、气室(2)、激励线圈(3)、补偿线圈(4)均处于屏蔽罩(8)内；抽运光光源(5)、探测光光源(6)、差分探测器(7)既可以全部位于屏蔽罩(8)内，也可以全部或部分位于屏蔽罩(8)外。
2.根据权利要求1所述的基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，所述励磁线圈(1)为亥姆霍兹线圈或螺线管或两者的组合，通工作电流
3.根据权利要求1所述的基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，所述气室(2)为中空立方体，材质为高硼硅玻璃或石英玻璃，气室内充有工作气体，为碱金属铷或铯或钾或钠的蒸汽，气压从0.1torr到100torr。
4.根据权利要求1所述的基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，所述激励线圈(3)为亥姆霍兹线圈或螺线管或两者的组合，用于产生横向交流均匀磁场驱动工作气体磁矩共振，驱动电流频率ω＝γB0，其中γ为碱金属工作原子的旋磁比，B0为恒流工作电流I0产生的工作磁场的磁感应强度；
5.根据权利要求1所述的基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，所述补偿线圈(4)为亥姆霍兹线圈，用于补偿纵向磁场，以保持工作磁场稳定，避免外部磁场冲击导致装置脱离共振区域。
6.根据权利要求1所述的基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，所述抽运光光源(5)、探测光光源(6)为半导体激光器，激光频率与碱金属工作原子的跃迁频率适配。
7.根据权利要求1所述的基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，所述差分探测器(7)，包括偏振分束器(11)和两个光电探测器(12)，偏振分束器用于将探测光(10)按偏振方向分束，两个光电探测器(12)分别探测不同偏振光的光强。补充微弱交流电流测量原理。
8.根据权利要求1所述的基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，所述屏蔽罩(8)为圆柱体或长方体，材质为高磁导率材料，屏蔽系数105～106；屏蔽罩(8)上设置有通光孔(13)、通光孔(14)，分别用于抽运光(9)和探测光(10)通光。
9.根据权利要求1所述的基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，所述抽运光(9)由抽运光光源(5)产生，为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，通过屏蔽罩(8)上的通光孔(13)进入最内层屏蔽罩，沿励磁线圈(1)的轴线传播到达气室(2)；穿过气室(2)后被屏蔽罩(8)或光束截止器截止，也可以从屏蔽罩(8)穿出。
10.根据权利要求1所述的基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，所述探测光(10)由探测光光源(6)产生，通过屏蔽罩(8)上的通光孔(14)进入最内层屏蔽罩，沿激励线圈(3)的轴线或激励线圈(3)的轴线、励磁线圈(1)的轴线同时正交的方向传播穿过气室(2)；穿过气室(2)后到达差分探测器(7)。
...【技术特征摘要】
1.一种基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，包括励磁线圈(1)、气室(2)、激励线圈(3)、补偿线圈(4)、抽运光光源(5)、探测光光源(6)、差分探测器(7)和屏蔽罩(8)；励磁线圈(1)与激励线圈(3)的轴线彼此正交；气室(2)位于励磁线圈(1)与激励线圈(3)的轴线交叉点；补偿线圈(4)与励磁线圈(1)同轴；抽运光光源(5)产生的抽运光(9)与探测光光源(6)产生的探测光(10)均通过气室(2)；在通过气室(2)时，抽运光(9)与探测光(10)轴线彼此正交，抽运光(9)与励磁线圈(1)轴线重合，探测光(10)可以与激励线圈(3)轴线重合，也可以与激励线圈(3)轴线正交；探测光(10)经过气室(2)后到达差分探测器(7)；励磁线圈(1)、气室(2)、激励线圈(3)、补偿线圈(4)均处于屏蔽罩(8)内；抽运光光源(5)、探测光光源(6)、差分探测器(7)既可以全部位于屏蔽罩(8)内，也可以全部或部分位于屏蔽罩(8)外。
2.根据权利要求1所述的基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，所述励磁线圈(1)为亥姆霍兹线圈或螺线管或两者的组合，通工作电流，沿线圈轴向产生稳定、均匀的工作磁场；外部待测的交流电流信号加载在励磁线圈(1)上；
3.根据权利要求1所述的基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，所述气室(2)为中空立方体，材质为高硼硅玻璃或石英玻璃，气室内充有工作气体，为碱金属铷或铯或钾或钠的蒸汽，气压从0.1torr到100torr。
4.根据权利要求1所述的基于核磁共振的微弱交流电流测量装置，其特征在于，所述激励线圈(3)为亥姆霍兹线圈或螺线管或两者的组合，用于产生横向交流均匀磁场驱动工作气体磁矩共振，驱动电流频率ω＝γb0，其中γ为碱金属工作原子的旋磁比，b0为恒流工作电流i0产生的...
【专利技术属性】
技术研发人员：李攀，雷兴，樊锦川，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：
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