基于MSP430氦光泵磁敏传感器吸收比测试系统设计

何 聪， 周志坚， 王 君， 连明昌

(吉林大学 地球信息探测仪器教育部重点实验室, 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130026)

0 引 言

磁力仪是测量地球和其他星球以及人体(或动物)磁场，即磁感应强度或磁通密度的仪器[1]。当今，磁力仪广泛应用在各科研领域中，如空间探测、地质调查、海洋油气勘探和生物医疗等[2-3]。磁力仪根据理论设计和制造可分为很多种，本文中的氦光泵磁力仪是20世纪50年代发展起来的一种高灵敏度的光泵磁力仪，它除了具有无零点漂移、不须严格定向等优点之外，还具有便于连续记录和遥测的特点[4-5]。

氦光泵磁敏传感器是利用原子在外磁场中产生塞曼分裂为基础，并采用光泵和磁共振技术研制成的[6]。其中的氦室气压影响着共振信号的强弱和弛豫时间，从而影响测量精度[7-8]。传统制作氦室的方法是对其充入以经验值为准的气压的氦气，装入探头后测试探头整体效果。由于氦室体积和材料上的差别，这种充气方式并不能保证每次都能得到理想的共振信号，此时难以判定是氦室的问题，即便确认是氦室的影响后，还必须从抽真空开始重新制作氦室。本文就测试氦光泵磁敏传感器氦室的吸收比，设计出基于MSP430F149单片机的实验系统。利用该系统可以在抽真空-充气装置上对氦室吸收比进行实时地观测，其意义在于对氦室的充气有一个评判标准，根据此标准氦室可以获得最佳的吸收比。从微观角度讲，就是发生最大的光泵作用，进而提高传感器的灵敏度，同时避免了将氦室取下检测所带来的不便。

1 光泵磁力仪物理原理

一般情况下，氦原子磁矩为零，即无磁性，不能直接用作仪器样品。当在低气压、高纯度的氦气中发生高频放电时，氦原子经受激跃迁和自发跃迁至3S1亚稳态上，此时的氦原子具有了磁性。如果将有磁性的氦原子放在被测外磁场中，那么原子能级将发生塞曼分裂，由原来的一个能级分裂成3个塞曼次能级，且能级间距相等，其大小与外磁场成正比[9]。由于热平衡下次能级的粒子数接近相等，所产生的共振信号十分微弱，这就需要改变粒子在各个能级上的分布，光泵是形成非波尔兹曼分布的方法之一。氦灯产生1 083 nm光线(D1线起主要作用)[1，8]，经光学组件后变成圆偏振光，氦室中的亚稳态氦原子吸收D线，按照选择定则跃迁至高能级上，停留10-8s后又以等概率自发跃迁回到亚稳态各个次能级上去，如图1所示，此过程透过氦室的光线逐渐变弱；经一段时间后，原子富集在某一次能级上，光泵作用的效果使氦原子磁矩达到定向排列，透过氦室的光强变强[7,10]。设点亮氦灯，不点亮氦室时，光敏电压为U1；同时点亮氦灯和氦室时，最小光敏电压为U2，则吸收比定义为

吸收比可以反映出氦室吸收D线的程度，是衡量光泵作用强弱的重要指标，本文目的就是寻找一个合适的δ值。

图1 利用Δmj=+1的D线形成光泵作用的能级跃迁示意图

若再加一与光轴垂直的射频场RF，当电磁波频率等于次能级辐射频率时，氦原子能级间发生受激跃迁，即产生磁共振作用，氦室中的氦原子再次吸收D线，最终在各个能级的原子数目达到均衡，透过的光线最弱。测定此频率可以推得外磁场值。

2 系统的设计与实现

本系统包括光泵磁敏传感器、抽真空-充气装置、光敏电压采集电路三部分。

2.1 光泵磁敏传感器

光泵磁敏传感器组成如图2所示。系统中利用高频振荡电路激励氦灯和氦室，将其中的氦原子跃迁至亚稳态。光学组件由凸透镜、偏振片和1/4波长片组成，调节偏振片和1/4波长片夹角至45°，氦灯产生的1 083 nm波经光学组件后变成圆偏振光。氦室固定在抽真空-充气装置上，真空抽到满足要求后，充入氦室一定压强的氦气，激励氦灯和氦室进行实验测量，其优点是避免了传统方法中将氦室取下测试所带来的不便，节省了材料，同时缩短了氦室的制作时间。凸透镜将光汇聚到光敏元件上，本系统选择噪声小，响应频率接近共振频率的G8605系列高性能的光敏二极管作为光敏元件，经过电流-电压转换电路，将光信号最终转换为电信号[11]，供给后续电路检测。

图2 光泵磁敏传感器组成框图

2.2 高频振荡电路

高频振荡器采用晶体振荡器中的皮尔斯C-B形式[12-13]，如图3(a)所示，其特点是电路具有很高的Q值和特性阻抗以及频率高度的稳定性，通过C3、C4和L1，调节谐振频率至16 MHz。为了防止负载对振荡电路工作的影响，在振荡输出加一级缓冲器电路，如图3(b)所示。缓冲器使用高输入阻抗、低输出阻抗的射极跟随器，输出阻抗约等于R3。由于氦灯和氦室的点亮和维持消耗一定的功率，故电路最后需要高频功率放大，采用乙类放大，如图3(c)所示。其中宽频带变压器Tr1和Tr2分别作为输入和输出的阻抗变换。R1用来稳定晶体管的输入阻抗，D1可以抑制基极电流随温度上升而增加，利用R9和R7调整基极偏压电流，L2使用高频扼流圈。

2.3 抽真空-充气装置

氦室中的氦气纯度直接影响着光泵作用效率和共振信号线宽，如果氦气中所含有的杂质气体成分较多，那么氦原子与其他原子的频繁碰撞，导致亚稳态的氦原子数目下降，氦室对D线的吸收受到损失。同时，

(a)高频振荡器(b)射极跟随器

(c) 高频功率放大器

图3 高频振荡电路原理图

由于碰撞作用加强，产生强烈的去取向作用，降低了测量精度。因此对氦室中氦气的纯度要求很高，至少99.995%，而且需要精确控制充入氦室的气压[14-15]。本系统中的抽真空-充气装置主要由抽真空单元、充气单元、控制指示单元、烘箱加热单元等几部分组成。其中抽真空单元包括抽低真空的真空泵，高真空的涡轮分子泵和超高真空的溅射离子泵，同时利用烘箱加热可以降低管道壁上的杂质残留，从而提高真空度，抽气极限真空度可达10 nPa。通过旋转放气微漏阀，观察薄膜压力计，可对充气气压实时地精确控制，其精确度约为10 Pa。抽真空-充气装置的组成框图如图4所示。

图4 抽真空-充气组成框图

2.4 光敏电压采集电路

本系统采用了MSP430F149型单片机作为核心控制器件，该单片机是TI公司推出的16位单片机，具有超低功耗、系统稳定、外围模块丰富等优点[16]，同时其内部自带12位ADC模块，为系统设计提供了极大的方便。当激励氦灯和氦室时，光敏元件输出的直流电压U1和U2经单片机内部的ADC转换，分别显示在液晶上，同时实时地显示吸收比δ，通过按键可以实现对采集电压的存储以及将存储的数据传送到PC机上。电压采集电路如图5所示。

图5 光敏电压采集电路框图

MSP430F149单片机内有JTAG调试接口和电可擦除Flash存储器，软件环境常用IAR公司的IAR Embedded Workbench嵌入式工作台，开发调试方便、灵活。程序初始化工作主要是对ADC、Flash的工作寄存器设置，以及对液晶和按键连接的IO口定义。电压采样采用单通道多次采样求平均值的方式减小误差；Flash分为4 kB主存储器和256 B信息存储器，这里用到了信息存储器中的A段。进入主程序While循环后，不断检查各个按键的动作，分别实现不同的功能；单片机与PC机采用RS-232串口通信，外围电路简单，满足该系统要求。图6为吸收比测试流程图。

图6 吸收比测试流程图

3 实验结果及分析

测试所用的氦室尺寸为φ34 mm×50 mm，并用12 V蓄电池供电。将整个磁敏传感器固定在无磁性架台，并保证其平稳地放置于抽真空-充气装置上，同时尽量使光轴、氦室轴线以及光敏元件的接收窗保持在一条直线上。测试的实验数据结果如表1所示。

表1 吸收比测试系统实验结果

该系统可以实现对光泵磁敏传感器吸收比的实时测量，且从实验数据可知，氦室的吸收比在38%以上。经过玻璃封割操作、装配磁敏传感器，可以检测到较理想的共振曲线，达到了预期的光泵效果，证明所制作的氦室是合格的。

4 结 语

本文设计了基于MSP430单片机的吸收比测试系统，利用该系统可以在抽真空-充气装置上实时地测量光敏元件的输出电压及氦室的吸收比，同时给出了氦室充气气压合格的量化标准，既节省了材料，又缩短了氦室的制作时间，避免了传统检验方法的繁琐，为光泵磁敏传感器的研制提供了可靠的实验依据。

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