光泵磁力仪指标对比
2005-海洋磁力仪的原理与技术指标对比分析-《海洋科学》
实验与技术EXPERIM EN T&TECHNOLO GY 海洋磁力仪的原理与技术指标对比分析裴彦良1,2,梁瑞才1,2,刘晨光1,2,韩国忠1,2,李正光1,2(1.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061;2.海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室,山东青岛266061)摘要:针对现今世界市场上海洋磁力仪产品型号较多、技术指标复杂、应用范围不尽相同,产品的选用存在一定困难等问题,分别介绍了3种不同类型的磁力仪的工作原理,具体对比分析了各种磁力仪的技术指标,并简单介绍了磁力仪的应用及梯度仪组合方式。
结果表明标准质子旋进式海洋磁力仪灵敏度较低,存在进向误差,但无死区,价格最为低廉,适合于对灵敏度要求不高的工程和科研地球物理调查。
Overhauser海洋磁力仪的灵敏度高,无进向误差,无死区,价格便宜,适合于大多数工程和科研地球物理调查。
光泵式海洋磁力仪灵敏度和采样率最高,梯度容忍度最大,但存在死区和进向误差问题,适用于高精度的海洋磁力梯度调查和航空磁力调查。
分析结果显示:各种类型的磁力仪各有优势,具体选用应以具体情况而定。
关键词:海洋磁力仪;梯度仪;质子旋进;Overhauser海洋磁力仪;光泵;技术指标中图分类号:P318.63 文献标识码:A 文章编号:100023096(2005)1220004205 磁法勘察一直是地球物理调查的重要内容,特别是在海洋地球物理调查中,由于海上地震勘察耗资巨大,大面积地震调查比较困难,所以磁法勘察就更为重要。
世界各国对海洋调查越来越重视,磁法勘察仪器也得以快速发展。
磁力仪按工作原理可以分为质子旋进式、欧弗豪塞(Overhauser)式和光泵式等3种不同类型。
经过几十年的发展,海洋磁力仪在灵敏度、分辨率和精度等方面有了很大提高,并出现了多种类型的海洋磁力梯度仪。
现在生产磁力仪的厂家主要有中国船舶重工集团公司第七研究院第七一五研究所,美国GEOM ETRICS公司,加拿大Marine Magnetics公司,加拿大GEM System公司和法国G eomag SARL公司等,这些公司分别侧重于生产和研发其中一种或两种类型的磁力仪并各具特色。
井下高灵敏度氦光泵磁力仪关键技术
03
井下高灵敏度磁力仪设计
磁力仪优化设计
磁力仪灵敏度优化
通过改进磁力仪的机械结构、使 用高性能的磁性材料和优化磁力 仪的电路设计，提高磁力仪的灵 敏度。
抗干扰能力增强
采取一系列抗干扰措施，如加装 屏蔽罩、使用抗干扰电路等，以 增强磁力仪的抗干扰能力。
高灵敏度光学系统设计
光学系统优化
对光学系统的光源、光路和探测器进 行优化设计，以提高光学系统的亮度 、稳定性和精度。
重复性测试
重复测量同一磁场强度，观察磁力仪的读数是否一致，以检验其 重复性。
测试结果分析
01
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数据处理
对测试数据进行整理、分 析和处理，提取有用的信 息。
结果分析
根据测试数据，分析磁力 仪的性能指标，如灵敏度 、稳定性和重复性等，并 对比不同型号的磁力仪。
性能评估
根据测试结果，对磁力仪 的性能进行评估，确定其 是否满足井下探测的要求 。
研究方法
本研究将采用理论分析、实验验证相结合的方法，首先对氦 光泵磁力仪工作原理及系统组成进行详细分析，然后针对关 键技术进行优化设计，最后通过实验验证优化前后性能变化 情况。
02
氦光泵磁力仪基本原理
磁力仪概述
磁力仪是一种用于测量磁场强度的仪 器，常用于地质勘探、航空航天、医 学诊断等领域。
磁力仪按照工作原理可分为磁通门式 、磁阻式、光泵式等，其中光泵式磁 力仪具有灵敏度高、测量范围广、对 温度和压力变化不敏感等优点。
光学系统温度控制
通过使用温度控制技术，保持光学系 统的温度稳定，以减小温度对光学系 统的影响。
磁力仪数据处理算法设计
数据处理算法优化
采用先进的数据处理算法，如滤波算法、拟合算法等，对磁力仪数据进行处理，以减小误差、提高精 度。
磁力仪简介
磁力仪简介北京地质仪器厂吴天彪磁学测量仪器，从测量的参数、测量的范围和用途来看，均极为广泛和复杂，本文仅限于介绍用于地磁学研究、磁法矿产资源勘探、环境地球物理学等方面的弱磁场（≤1×10-4 特斯拉）磁感应强度的测量仪器，通称为“磁力仪”。
1 磁力仪的分类及应用目前，常用于弱磁场、特别是地球磁场测量的磁力仪，无论是地磁台站的观测或野外地面磁测、航空、航天、海洋和井中磁测，从磁传感器的工作原理上看，大致可分为三大类[1]，即：（1）基于电磁感应原理的磁通门磁力仪。
（2）基于核磁共振（NMR）原理的质子磁力仪、基于电子自旋共振（ESR）的光泵磁力仪和基于NMR与ESR的欧佛豪森（Overhauser）质子磁力仪（OVM）的共振磁力仪。
（3）基于超导量子干涉原理的超导磁力仪。
根据传感器的特点，所有共振磁力仪只能测定地磁场的总场的磁感应强度，称为标量磁力仪，而磁通门磁力仪和超导磁力仪的读数，既反映磁场的强度也反映磁场的方向，称为矢量磁力仪。
从使用广泛性来看，工作量最大的地面磁测，主力仪器是传统的直流激发的质子磁力仪、其次是光泵磁力仪和欧佛豪森质子磁力仪，在一些强磁区，也使用测量垂直分量的磁通门磁力仪。
航空磁测的主力是光泵磁力仪，目前多用4台仪器组成三维梯度系统，用三分量磁通门仪器作姿态改正。
光泵磁力仪也用于装在飞机上探测潜艇。
高温超导磁力仪用于时域电磁法的磁分量观测，低端灵敏度大大优于传统的感应式磁传感器。
在岩石和矿物的磁性测量及古地磁研究中超导磁力仪也得到广发的应用。
磁通门磁梯度仪和光泵梯度仪多用于探测地下未爆物（UXO）、地下管线、考古等。
在航天领域，地面地磁台站中，三分量的磁通门磁力仪和质子磁力仪得到广泛应用。
磁力仪测定的物理量是磁感应强度，其SI制计量单位是“特斯拉”（Tesla）。
1 Tesla = 103 mT =106 µT = 109 nT = 1012 pT= 1015 f T最常用的单位是nT （纳特）CGSM制的计量单位是“高斯”（Gs），1 T= 10,000 Gs从全球地磁图[2]（图1）可以看出：赤道附近地磁场的磁感应强度约为20,000~30,000nT两极附近地磁场的磁感应强度约为600,000~80,000nT图1 全球地磁图2 磁力仪的主要技术指标以观测地磁场为主要目的的磁力仪，各种不同原理的仪器的主要技术指标，不尽相同，但大多数应有测量范围、灵敏度、分辨力、采样率、绝对精度、梯度容限、工作温度范围等。
光泵磁力仪2
光抽运
光抽运是通过特定偏振光激发从而打破原子所在研 究能级间玻尔兹曼热平衡分布,同时由于光子角动量 究能级间玻尔兹曼热平衡分布 同时由于光子角动量 传递使原子系统宏观极化。光抽运技术在磁共振、 传递使原子系统宏观极化。光抽运技术在磁共振、 自旋交换、分离或浓缩同位素、原子频标、 自旋交换、分离或浓缩同位素、原子频标、激光冷 却和俘获等研究领域中扮演着重要角色。 却和俘获等研究领域中扮演着重要角色。光磁共振 是利用光抽运所形成磁共振跃迁所需的布居数差,同 是利用光抽运所形成磁共振跃迁所需的布居数差 同 时也利用抽运光对磁共振吸收信号进行光检测。 时也利用抽运光对磁共振吸收信号进行光检测。本 文借助周期性扫场调制的核磁共振达到实验ห้องสมุดไป่ตู้测目 从而研究选定原子体系对光抽运响应特性。 的,从而研究选定原子体系对光抽运响应特性。 从而研究选定原子体系对光抽运响应特性
因为光子能量比微波或射频波量子能量高几 个数量级， 个数量级，所以检测光的灵敏度要比直接检 测微波或射频的灵敏度高得多。 测微波或射频的灵敏度高得多。选择适当偏 振和特定频率的光照射原子系统，能够在实 振和特定频率的光照射原子系统， 验室温度下使原子磁能级发生倒转（ 验室温度下使原子磁能级发生倒转（光抽运 作用）。同时加一个微波或射频场， ）。同时加一个微波或射频场 作用）。同时加一个微波或射频场，强迫系 统发生磁共振， 统发生磁共振，使磁能级的步居数恢复玻尔 兹蔓分布， 兹蔓分布，
光抽运的原理
在光泵磁力仪中，有些以氦为工作物质。如右图所示， 在光泵磁力仪中，有些以氦为工作物质。如右图所示，4He 原子的基态 利用高频放电使其由基态过渡到亚稳态2 利用波长λ 是1S0，利用高频放电使其由基态过渡到亚稳态 3S1,利用波长λ＝
GSMP-35钾光泵磁力仪
工作原理
标准碱蒸汽磁力仪包括一个含有挥发性碱金属（如碱原子）的玻璃核。
根据量子论，每个碱原子群内均有一组价电子分布。
这些价电子分为2个能量级，以下分别以数字1,2表示。
蒸汽核利用某个特定波段的光来激发来自2-3级间的电子，使之成为活跃电子。
该操作可减少（称为极化效应）拥有2级电子的原子的数量。
如此一来，原子核便停止吸收光从而转回透明状态。
第三级电子极其不稳定且不断衰减，最后回到1级与2级状态。
如此一来，1级空间富含电子而2级空间则处于无电子状态。
此时，射频（RF）去极化效应开始登场。
利用一个特定波段的RF能量以产生1、2级能量差，从而使1级电子返回2级状态。
去极化操作的目的在于使1、2级间的能量差与磁场值可直接成一定比例。
系统可检测到光强度随核由非透明与透明间转换时而发生的变化并可测量出相应变化频率。
该频率值随后可转换成磁场单位值。
两型光泵磁力仪比对试验结果及分析
间连续观测，同步采集记录外磁场变化。按航空磁测技术翘范评价二台仪器的静态噪声并用二台仪器的输
出差值的变化评价二 台仪器 一致性 。从光泵磁力仪工作原理 出发，结合相关 资料介 绍仪器 技术设计特点 ，
对试验结果进行分析 。
关键词
磁力仪 ；氮光泵；铯光泵
光泵磁力仪 是一种 高灵敏度和 高精确度 的磁 测仪器 。它是 以工作物质的原子能级在磁场中产生
３ ６
报器
图 ３ 铯 自激式光泵磁力仪
３ ２氮 （ｅ 跟踪式光泵磁 力仪原理 ． Ｈ４ ）
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式 中
：
互２ ± 二 互 ± ± ＝二 堡 ．丛 互２
１ ６
，
＝
喜
算观点． 的测数
、 、 的单
源 。仪器安装及探头位置示意图如图 １ 所示。使用
各 自数据采集系统，连续记录约 １０ ０ 小时地磁 日变 数据 。
ｆ ，－ ｎ为数据序列号 ， ＝１ ～ ２
位为 ｎ 。 Ｔ 计算统计期间二台仪器静态噪声结果如 表 １ 示。 所
３ ５
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邹鹛毅 等：两型光泵磁力仪 比对试验结 果及分析
表 １两 台仪器 噪声数 据 比较
０ ３时 ５ 分 １ 秒到 ２０ 年 ８ ２ ４ ９ ０６ 月 ２日Ｏ 时 １ 分 ５ Ｏ ３ 秒。 ３ 图２ 中上 图为 Ｇ －Ａ输出记录 曲线； Ｂ４ 中图为 Ｇ８２ ８ 输出记录 曲线； 下图为两台输 出差值的记录
对 于铯 Ｃ ¨ 为￣４ ８９ ３Ｈ ／ ，即 １ 王 对 应 ｓ ９ ２ ＋１）ｚＯ。 ｝ｚ ０２５ ５ Ｔ。利 用 碱 金属 原 子测量 地磁 场 时 ，其 ．８ ８４ｎ
绝对精度不超过 ２ Ｔ 。 ｎ
钟浩鹏 光泵磁共振实验报告
扬州大学物理科学与技术学院近代物理实验论文实验名称：光泵磁共振实验及地磁场的测量班级：物教1301班姓名：钟浩鹏学号：130801131指导老师：王文秀光泵磁共振实验报告摘要：在本实验中，我们通过调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。
通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德因子g。
同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。
由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。
In this experiment, we adjust the horizontal magnetic field, the vertical magnetic field and sweeping field observed the pumping signal and optical pump magnetic resonance phenomenon. By measuring the level of the current value of the magnetic field and calculate the rubidium land factor g. At the same time through the geomagnetic field level component to the total magnetic field and sweeping field, the relationship between size to calculate the horizontal component of the geomagnetic field. Put the device determines the strongest resonance signal when PLD along the horizontal direction, thus to measure the size of the vertical component of geomagnetic field, so as to have the size and direction of the magnetic field.关键词：光抽运；光泵磁共振；地磁场一、引言光泵也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。
G858SE
高精度铯光泵磁力仪 - G 858S X仪器系统简介美国Geometrics 公司G858SX 铯光泵高精度磁力仪，是一种超高效的磁成像仪器，与目前常用的质子磁力仪相比，其高达10Hz 的采样率，使常规磁力测量方法由点测发展为密集磁成像，大大提高了磁测分辨率，对探测深部金属矿床引起的低缓磁异常成为可能，是矿产资源调查磁测技术的一次革命。
G858SX 铯光泵高精度磁力仪，是发达国家进行地面磁测最主要的仪器，是目前可在中国销售的最高精度的光泵磁力仪。
G858SX 仪器的高采样率使测量者有可能进行快速测量，实现连续数据采集，可进行油藏或断层的地质结构调查、寻找矿源、确定矿区岩区位置，进行研究和教学。
该系统的中国独家代理是劳雷工业公司。
应用领域◆ 地质填图◆ 矿产调查◆ 环境地质◆ 考古研究◆ 地下水研究◆ 土工技术研究◆ 土木工程优势特点◆ 高采样率：10Hz◆ 高灵敏度： 可探测埋藏15英尺深的油桶◆ 高 效 率：测线距离2m 时，一小时内可探测8000多平方米◆ 直 观：显示测量网格、位置及五个叠加剖面◆ 使用方便：采用标准IBM 兼容机、打印机或绘图仪在基站上几分钟内即可拷贝成图主要技术指标：◆ 工作原理：自振荡离散波束铯蒸气型（无放射性CS-133）◆ 工作范围：17,000~100,000nT(γ)◆ 工作区域：为了取得最高的信噪比，探头的长轴与地磁场的夹角应为45±30°，但一般作业是在 40±30°条件下进行的。
探头在各个半球内工作时自动切换。
◆ 灵 敏 度：（90%读数处于P-P 范围内）◆ 测量精度：0.1s 时0.15nT ，0.2s 时0.11nT0.5s 时0.07nT ，1.0s 时0.01nT （出口到中国限于0.05nT ）◆ 信息宽带：<0.02nT(γ)/√Hz RMS◆ 方位误差：<±1nT(γ) 温漂：0.05nT(γ)/°C◆ 梯度容差：>500 nT(γ)/英寸>20,000 nT(γ)/m◆ 采样间隔：0.1s~1hr（每步0.1s）或外触发◆ 数据存储：固存RAM。