何 聰， 周志堅， 王 君， 連明昌

(吉林大學 地球信息探測儀器教育部重點實驗室, 儀器科學與電氣工程學院, 吉林 長春 130026)

0 引 言

磁力儀是測量地球和其他星球以及人體(或動物)磁場，即磁感應強度或磁通密度的儀器[1]。當今，磁力儀廣泛應用在各科研領域中，如空間探測、地質調查、海洋油氣勘探和生物醫(yī)療等[2-3]。磁力儀根據(jù)理論設計和制造可分為很多種，本文中的氦光泵磁力儀是20世紀50年代發(fā)展起來的一種高靈敏度的光泵磁力儀，它除了具有無零點漂移、不須嚴格定向等優(yōu)點之外，還具有便于連續(xù)記錄和遙測的特點[4-5]。

氦光泵磁敏傳感器是利用原子在外磁場中產(chǎn)生塞曼分裂為基礎，并采用光泵和磁共振技術研制成的[6]。其中的氦室氣壓影響著共振信號的強弱和弛豫時間，從而影響測量精度[7-8]。傳統(tǒng)制作氦室的方法是對其充入以經(jīng)驗值為準的氣壓的氦氣，裝入探頭后測試探頭整體效果。由于氦室體積和材料上的差別，這種充氣方式并不能保證每次都能得到理想的共振信號，此時難以判定是氦室的問題，即便確認是氦室的影響后，還必須從抽真空開始重新制作氦室。本文就測試氦光泵磁敏傳感器氦室的吸收比，設計出基于MSP430F149單片機的實驗系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可以在抽真空-充氣裝置上對氦室吸收比進行實時地觀測，其意義在于對氦室的充氣有一個評判標準，根據(jù)此標準氦室可以獲得最佳的吸收比。從微觀角度講，就是發(fā)生最大的光泵作用，進而提高傳感器的靈敏度，同時避免了將氦室取下檢測所帶來的不便。

1 光泵磁力儀物理原理

一般情況下，氦原子磁矩為零，即無磁性，不能直接用作儀器樣品。當在低氣壓、高純度的氦氣中發(fā)生高頻放電時，氦原子經(jīng)受激躍遷和自發(fā)躍遷至3S1亞穩(wěn)態(tài)上，此時的氦原子具有了磁性。如果將有磁性的氦原子放在被測外磁場中，那么原子能級將發(fā)生塞曼分裂，由原來的一個能級分裂成3個塞曼次能級，且能級間距相等，其大小與外磁場成正比[9]。由于熱平衡下次能級的粒子數(shù)接近相等，所產(chǎn)生的共振信號十分微弱，這就需要改變粒子在各個能級上的分布，光泵是形成非波爾茲曼分布的方法之一。氦燈產(chǎn)生1 083 nm光線(D1線起主要作用)[1，8]，經(jīng)光學組件后變成圓偏振光，氦室中的亞穩(wěn)態(tài)氦原子吸收D線，按照選擇定則躍遷至高能級上，停留10-8s后又以等概率自發(fā)躍遷回到亞穩(wěn)態(tài)各個次能級上去，如圖1所示，此過程透過氦室的光線逐漸變弱；經(jīng)一段時間后，原子富集在某一次能級上，光泵作用的效果使氦原子磁矩達到定向排列，透過氦室的光強變強[7,10]。設點亮氦燈，不點亮氦室時，光敏電壓為U1；同時點亮氦燈和氦室時，最小光敏電壓為U2，則吸收比定義為

吸收比可以反映出氦室吸收D線的程度，是衡量光泵作用強弱的重要指標，本文目的就是尋找一個合適的δ值。

圖1 利用Δmj=+1的D線形成光泵作用的能級躍遷示意圖

若再加一與光軸垂直的射頻場RF，當電磁波頻率等于次能級輻射頻率時，氦原子能級間發(fā)生受激躍遷，即產(chǎn)生磁共振作用，氦室中的氦原子再次吸收D線，最終在各個能級的原子數(shù)目達到均衡，透過的光線最弱。測定此頻率可以推得外磁場值。

2 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)包括光泵磁敏傳感器、抽真空-充氣裝置、光敏電壓采集電路三部分。

2.1 光泵磁敏傳感器

光泵磁敏傳感器組成如圖2所示。系統(tǒng)中利用高頻振蕩電路激勵氦燈和氦室，將其中的氦原子躍遷至亞穩(wěn)態(tài)。光學組件由凸透鏡、偏振片和1/4波長片組成，調節(jié)偏振片和1/4波長片夾角至45°，氦燈產(chǎn)生的1 083 nm波經(jīng)光學組件后變成圓偏振光。氦室固定在抽真空-充氣裝置上，真空抽到滿足要求后，充入氦室一定壓強的氦氣，激勵氦燈和氦室進行實驗測量，其優(yōu)點是避免了傳統(tǒng)方法中將氦室取下測試所帶來的不便，節(jié)省了材料，同時縮短了氦室的制作時間。凸透鏡將光匯聚到光敏元件上，本系統(tǒng)選擇噪聲小，響應頻率接近共振頻率的G8605系列高性能的光敏二極管作為光敏元件，經(jīng)過電流-電壓轉換電路，將光信號最終轉換為電信號[11]，供給后續(xù)電路檢測。

圖2 光泵磁敏傳感器組成框圖

2.2 高頻振蕩電路

高頻振蕩器采用晶體振蕩器中的皮爾斯C-B形式[12-13]，如圖3(a)所示，其特點是電路具有很高的Q值和特性阻抗以及頻率高度的穩(wěn)定性，通過C3、C4和L1，調節(jié)諧振頻率至16 MHz。為了防止負載對振蕩電路工作的影響，在振蕩輸出加一級緩沖器電路，如圖3(b)所示。緩沖器使用高輸入阻抗、低輸出阻抗的射極跟隨器，輸出阻抗約等于R3。由于氦燈和氦室的點亮和維持消耗一定的功率，故電路最后需要高頻功率放大，采用乙類放大，如圖3(c)所示。其中寬頻帶變壓器Tr1和Tr2分別作為輸入和輸出的阻抗變換。R1用來穩(wěn)定晶體管的輸入阻抗，D1可以抑制基極電流隨溫度上升而增加，利用R9和R7調整基極偏壓電流，L2使用高頻扼流圈。

2.3 抽真空-充氣裝置

氦室中的氦氣純度直接影響著光泵作用效率和共振信號線寬，如果氦氣中所含有的雜質氣體成分較多，那么氦原子與其他原子的頻繁碰撞，導致亞穩(wěn)態(tài)的氦原子數(shù)目下降，氦室對D線的吸收受到損失。同時，

(a)高頻振蕩器(b)射極跟隨器

(c) 高頻功率放大器

圖3 高頻振蕩電路原理圖

由于碰撞作用加強，產(chǎn)生強烈的去取向作用，降低了測量精度。因此對氦室中氦氣的純度要求很高，至少99.995%，而且需要精確控制充入氦室的氣壓[14-15]。本系統(tǒng)中的抽真空-充氣裝置主要由抽真空單元、充氣單元、控制指示單元、烘箱加熱單元等幾部分組成。其中抽真空單元包括抽低真空的真空泵，高真空的渦輪分子泵和超高真空的濺射離子泵，同時利用烘箱加熱可以降低管道壁上的雜質殘留，從而提高真空度，抽氣極限真空度可達10 nPa。通過旋轉放氣微漏閥，觀察薄膜壓力計，可對充氣氣壓實時地精確控制，其精確度約為10 Pa。抽真空-充氣裝置的組成框圖如圖4所示。

圖4 抽真空-充氣組成框圖

2.4 光敏電壓采集電路

本系統(tǒng)采用了MSP430F149型單片機作為核心控制器件，該單片機是TI公司推出的16位單片機，具有超低功耗、系統(tǒng)穩(wěn)定、外圍模塊豐富等優(yōu)點[16]，同時其內部自帶12位ADC模塊，為系統(tǒng)設計提供了極大的方便。當激勵氦燈和氦室時，光敏元件輸出的直流電壓U1和U2經(jīng)單片機內部的ADC轉換，分別顯示在液晶上，同時實時地顯示吸收比δ，通過按鍵可以實現(xiàn)對采集電壓的存儲以及將存儲的數(shù)據(jù)傳送到PC機上。電壓采集電路如圖5所示。

圖5 光敏電壓采集電路框圖

MSP430F149單片機內有JTAG調試接口和電可擦除Flash存儲器，軟件環(huán)境常用IAR公司的IAR Embedded Workbench嵌入式工作臺，開發(fā)調試方便、靈活。程序初始化工作主要是對ADC、Flash的工作寄存器設置，以及對液晶和按鍵連接的IO口定義。電壓采樣采用單通道多次采樣求平均值的方式減小誤差；Flash分為4 kB主存儲器和256 B信息存儲器，這里用到了信息存儲器中的A段。進入主程序While循環(huán)后，不斷檢查各個按鍵的動作，分別實現(xiàn)不同的功能；單片機與PC機采用RS-232串口通信，外圍電路簡單，滿足該系統(tǒng)要求。圖6為吸收比測試流程圖。

圖6 吸收比測試流程圖

3 實驗結果及分析

測試所用的氦室尺寸為φ34 mm×50 mm，并用12 V蓄電池供電。將整個磁敏傳感器固定在無磁性架臺，并保證其平穩(wěn)地放置于抽真空-充氣裝置上，同時盡量使光軸、氦室軸線以及光敏元件的接收窗保持在一條直線上。測試的實驗數(shù)據(jù)結果如表1所示。

表1 吸收比測試系統(tǒng)實驗結果

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對光泵磁敏傳感器吸收比的實時測量，且從實驗數(shù)據(jù)可知，氦室的吸收比在38%以上。經(jīng)過玻璃封割操作、裝配磁敏傳感器，可以檢測到較理想的共振曲線，達到了預期的光泵效果，證明所制作的氦室是合格的。

4 結 語

本文設計了基于MSP430單片機的吸收比測試系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以在抽真空-充氣裝置上實時地測量光敏元件的輸出電壓及氦室的吸收比，同時給出了氦室充氣氣壓合格的量化標準，既節(jié)省了材料，又縮短了氦室的制作時間，避免了傳統(tǒng)檢驗方法的繁瑣，為光泵磁敏傳感器的研制提供了可靠的實驗依據(jù)。

[1] 朱亞彬，成正維，劉依真.對不良導體導熱系數(shù)測量實驗的改進[J]. 大學物理，2004,23(4):25-27.

Zhu Ya-bin, Cheng Zheng-wei, Liu Yi-zhen. The improvement of the experiment for thermal conductivity of poor conductor[J]. College Physics, 2004, 23(4):25-27.

[2] 楊永華，曾 輝，陳美華.改進型導熱系數(shù)測量儀的研制與實驗[J].實驗室研究與探索，2011，30(3)：20-23.

Yang Yong-hua, Zeng Hui, Chen Mei-hua. Development and experiment of improved thermal conductivity measurement instrument[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2011,30(3):20-23.

[3] 孫慶龍，王玉梅.利用穩(wěn)態(tài)法測定不良導體的導熱系數(shù)[J].計量與測試技術，2010，37(10)：69-70.

Sun Qing-long, Wang Yu-mei. Measuring the thermal conductivity of poor conductor by using the steady state method[J]. Metrology and Measurement Technique, 2010,37(10):69-70.

[4] 解俊梅，田淑英，侯方卓.穩(wěn)態(tài)圓筒法測定材料的導熱系數(shù)[J].實驗室研究與探索，1997，16(3)：42-45.

Xie Jun-mei, Tian Shu-ying. Measuring the thermal conductivity by using the steady cylinder method[J]. Laboratory Research and Exploration,1997,16(3):42-45.

[5] 張建智，周孑民，章世斌.穩(wěn)態(tài)圓筒壁法自動測量顆粒導熱系數(shù)的改進[J].有色金屬，2004，56(4)：146-149.

Zhang Jian-zhi, Zhou Jie-min, Zhang Shi-bin. Improvement of particle thermal conductivity automatic measuring with steady cylinder method[J]. Nonferrous Metals,2004,56(4):146-149.

[6] 周其云.溶液導熱系數(shù)測定儀的研制[J].實驗室研究與探索，1996，15(3)：60-61.

Zhou Qi-yun. Development of the instrument for measuring the solution thermal conductivity[J]. Laboratory Research and Exploration,1996,15(3):60-61.

[7] 李麗新，劉圣春，劉秋菊.用綜合測量方法設計固體導熱系數(shù)測試實驗室臺[J].實驗室研究與探索，2006，25(4)：435-438.

Li Li-xin, Liu Sheng-chun, Liu Qiu-ju. Design of theermal conductivity test desk for solid materials with multi-measuring method[J]. Research and Exploration in Laboratory,2006,25(4):435-438.

[8] 賈斐霖，李 林，史慶藩.穩(wěn)態(tài)法測算導熱系數(shù)的原理[J].材料科學與工程學報，2011，29(4)：609-613.

Jia Fei-lin, Li Lin, Shi Qing-fan. Principle of measuring thermal conductivity based on steady-state method[J]. Journal of Materials Science and Engineering,2011,29(4):609-613.

[9] 馮 毅，梁滿兵.穩(wěn)態(tài)平板導熱系數(shù)測定儀的誤差分析[J].廣州化工，2006，34(1)：56-59.

Feng Yi, Liang Man-bing. Error analysis on the stable flat measuring instrument for thermal conductivity[J]. Guangzhou Chemical Industry,2006,34(1):56-59.

[10] 李 鋒，鄧剛鋒.基于LabVIEW的不良導體導熱系數(shù)測量系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，2009，17(10)：1928-1930.

Li Feng, Deng Gang-feng, Measuring system of thermal conductivity of poor conductor based on LabVIEW[J]. Computer Measurement and Control,2009,17(10):1928-1930.

[11] 楊世銘，陶文栓.傳熱學[J].北京：高等教育出版社，2000.

[12] 吳鐵山，李道銀.大學物理實驗[M].武漢：湖北科學技術出版社，2005.

[13] 徐福新，劉碧蘭.大學物理實驗[M].長沙：中南大學出版社，2001.

[14] 楊黨強，吳 綱，金亞平.大學物理實驗[J].北京：中國電力出版社，2009.

[15] 趙法剛，王云霞.保溫材料導熱系數(shù)的自動化測量[J].自動化與儀表，2009，24(1)：48-50.

Zhao Fa-gang, Wang Yun-xia. Thermal conductivity automatic measurement of insulated materials[J]. Automation and Instrumentation,2009,24(1):48-50.