一种具有连续空间分辨能力的磁场测量装置及方法
阅读说明：本技术 一种具有连续空间分辨能力的磁场测量装置及方法 (Magnetic field measuring device and method with continuous spatial resolution capability ) 是由 吴坚 姜志远 张道源 陈紫维 石桓通 李兴文 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有连续空间分辨能力的磁场测量装置及方法,属于磁场测量领域,包括：激光诱导装置与分裂光谱线收集装置；在待测空间中引入氯化钠晶体作为示踪剂；用纳秒激光聚焦并烧蚀氯化钠晶体从而在氯化钠晶体表面诱导等离子体；诱导等离子体在真空中向周围扩散；通过4-f成像系统用光谱仪收集连续分布的钠离子分裂光线的分裂谱线；对收集的谱线进行拟合,得到磁感应强度的分布。本发明通过引入氯化钠诱导等离子体作为示踪剂,不依赖于空间中原有的离子,从而可以测量各种情况下的真空磁场分布；同时诱导等离子体的运动具有连续性,加强了磁场测量的连续空间分辨能力。(The invention discloses a magnetic field measuring device with continuous spatial resolution capability and a method thereof, belonging to the field of magnetic field measurement and comprising the following steps: a laser induction device and a split spectral line collection device; introducing sodium chloride crystals as a tracer into a space to be detected; focusing and ablating sodium chloride crystals by nanosecond laser so as to induce plasmas on the surfaces of the sodium chloride crystals; inducing plasma to diffuse to the periphery in vacuum; collecting the splitting spectral lines of the sodium ion splitting rays which are continuously distributed by a spectrometer through a 4-f imaging system; and fitting the collected spectral lines to obtain the distribution of the magnetic induction intensity. According to the invention, sodium chloride induced plasma is introduced as a tracer, and the tracer does not depend on original ions in space, so that the distribution of a vacuum magnetic field under various conditions can be measured; meanwhile, the motion of the induced plasma has continuity, and the continuous spatial resolution capability of magnetic field measurement is enhanced.)
技术领域
本发明属于磁场测量技术领域，具体涉及一种具有连续空间分辨能力的磁场测量装置及方法。
背景技术
磁场测量技术多用于解决重要的科研及物理问题，在军事、天文、资源勘探、科学研究等领域有广泛的应用。
Z箍缩是指在脉冲电流作用下产生的诱导等离子体在磁场作用下达到高温高密的状态同时产生强烈X辐射的过程，主要应用于X射线源或惯性约束聚变等。诱导等离子体和磁场的时空分布以及它们之间的耦合作用是Z箍缩动力学的核心问题，也是进一步提高Z箍缩内爆品质和X射线辐射功率的基础。然而，在磁场分布方面，由于诱导等离子体中的磁场强度高、变化范围大(10T-104T)、持续时间短(～100ns)、变化速度快，且处于高电压(～MV)、大电流(～MA)及强辐射的极端环境中，这使测量更加具有挑战性。
真空中磁场的测量主要通过磁感应线圈进行。磁感应线圈具有原理简单、成本低廉且易于操作的特性，一直被广泛地用于时变磁场的测量。磁感应线圈的主体为一个或多个小型线圈，线圈匝数一般为3-5匝，在使用时被放置于诱导等离子体中某一待测区域，因此所处空间中磁场的变化会使线圈回路中产生感应电动势。由于电动势的大小与磁场强度随时间的变化速率成正比，在将感应电动势对时间进行积分后，就可以获得磁感应线圈所在位置处的磁场大小。然而磁探针的探头直接深入诱导等离子体内部后对诱导等离子体的影响主要有以下两个方面：一是使诱导等离子体产生冷却并对运动过程产生扰动；二是自身产生的感应电流会干扰诱导等离子体的磁场。同时，当外界温度过高时，磁探针包覆的涂层将被烧蚀，测量信号可能会突然大于可测阈值从而损坏测量仪器，这也是磁探针的局限性之一。
另一种非接触式测量方法为法拉第旋光，适用于真空中存在等离子体时的情况。以等离子体作为磁光介质，当一束线偏振光穿过等离子体时，可以看作是两束等幅的左旋和右旋圆偏振光的叠加。这两束光由于磁光效应会具有不同的折射率和传播速度，因此在通过同样的距离后就具有不同的相位滞后，从而使穿过等离子体的线偏振光产生偏转，偏转角度的计算公式为：
式中，λ为入射光波长，ne为电子密度，B为磁场矢量在实验光路上的分量，dl为入射光路的元。但此方法需要空间中等离子体的分布是对称的，同时要已知光路中所有位置的电子密度，对环境要求较高。
综上分析可知，在现有公开的背景技术中，发展一种原理简单、操作方便、范围广阔、高效可靠的真空磁场测量方法是个待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于解决目前真空中磁场分布的测量所存在的问题，提供一种具有连续空间分辨能力的磁场测量装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种具有连续空间分辨能力的磁场测量装置，包括：
真空工作腔，所述真空工作腔的腔体上开设纳秒激光入口、连续激光入口以及分裂光线出口，纳秒激光入口、连续激光入口以及分裂光线出口上分别安装有石英玻璃；腔体内部设置有附着杆，所述附着杆上附着有示踪剂；
纳秒激光器，所述纳秒激光器用于产生纳秒激光束，所述纳秒激光束由纳秒激光入口进入腔体内，聚焦于示踪剂上，产生诱导等离子体；
连续激光器，所述连续激光器用于产生连续激光束，所述连续激光束由连续激光入口进入腔体内，聚焦于待测空间以模拟钠离子的分裂光线，分裂光线由分裂光线出口射出，并成像于光谱仪狭缝上。
本发明进一步的改进在于：
所述纳秒激光器与纳秒激光入口的石英玻璃之间的光路上设置有第一平凸透镜；连续激光器与连续激光入口的石英玻璃之间的光路上设置有透镜；分裂光线出口的石英玻璃与光谱仪狭缝之间的光路上依次设置第二平凸透镜和第三平凸透镜。
所述附着杆为绝缘杆、绝缘绳、铜棒或铝棒，所述示踪剂为氯化钠晶体。
一种具有连续空间分辨能力的磁场测量装置，包括：
真空工作腔，所述真空工作腔的腔体上开设纳秒激光入口、连续激光入口以及分裂光线出口，纳秒激光入口、连续激光入口以及分裂光线出口上分别安装有石英玻璃；腔体内部设置有阳极、阴极以及附着杆，所述附着杆上附着有氯化钠晶体；所述附着杆固定在阴极和阳极之间；所述阴极位于连续激光入口处，阳极的侧面开口，开口与分裂光线出口相对；阳极内部设置反射镜，所述反射镜用于将分裂光线反射至分裂光纤出口；
纳秒激光器，所述纳秒激光器用于产生纳秒激光束，所述纳秒激光束由纳秒激光入口进入腔体内，聚焦于氯化钠晶体上，产生诱导等离子体；
连续激光器，所述连续激光器用于产生连续激光束，所述连续激光束由连续激光入口进入腔体内，聚焦于待测空间以模拟钠离子的分裂光线，分裂光线由分裂光线出口射出，并成像于光谱仪狭缝上。
上述装置进一步的改进在于：
所述纳秒激光器与纳秒激光入口的石英玻璃之间的光路上设置有第一平凸透镜；连续激光器与的石英玻璃之间的光路上设置有透镜；分裂光线出口的石英玻璃与光谱仪狭缝之间的光路上依次设置第二平凸透镜和第三平凸透镜。
所述附着杆为铜棒或铝棒，直径为2mm。
一种具有连续空间分辨能力的磁场测量方法，包括以下步骤：
在待测空间固定附着杆；
在附着杆的表面均匀涂覆饱和氯化钠溶液；
将氯化钠溶液自然风干或用热源烘干，直至溶液中的水分完全蒸发从而在固态物体表面形成一层细密的氯化钠晶体；
开启纳秒激光器，纳秒激光出射方向对准涂覆的氯化钠晶体；
在纳秒激光器与附着杆之间添加透镜，使纳秒激光聚焦于氯化钠晶体的表面，调整透镜的位置使纳秒激光的聚焦点达到最小；
使用连续激光器聚焦于待测空间以模拟钠离子的分裂光线，并用4-f光学系统将聚焦产生的光斑成像至光谱仪狭缝上；
沿附着杆的径向方向直线移动连续激光器的聚焦点，保持聚焦点始终位于待测量区域，同时校准4-f光学系统以保持光斑所成的像，使其在运动过程中始终位于光谱仪狭缝上；
在校准完毕后，用真空泵将待测区域抽至真空，使其气压低于7×10-2Pa；
开启纳秒激光器，聚焦的激光在被测磁场中对氯化钠晶体进行烧蚀和激发，从而产生诱导等离子体；
诱导等离子体在待测空间中进行扩散运动；
使用光谱仪对沿扩散方向所有空间位置的分裂光线同时进行收集；
对实验谱线进行拟合，得到连续空间处的磁感应强度的大小。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过测量诱导等离子体在磁场中产生的分裂情况来获得磁感应强度的大小，测量精度主要取决于观测时长和光谱仪分辨率，而与测量磁场的强弱无关，测量范围取决于诱导等离子体的扩散范围，并能够同时测量所有激光诱导等离子体所在区域的磁场，局域性好，从而实现磁感应强度高效、可靠的测量。
本发明基于激光诱导等离子体和塞曼效应，通过测量激光诱导等离子体分裂光线在磁场中的分裂谱线并进行数据拟合，来确定诱导等离子体所在空间位置的磁场强度。可测量磁场的空间范围大，且精度不会随着磁场的强弱而改变，同时不依赖于真空中固有的等离子体，能够实现对磁感应强度高效、可靠、快捷的测量。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明空间分辨能力实现方法结构示意图；
图3为本发明实施例2的结构示意图。
图中：1-真空工作腔1，2-石英玻璃，3-分裂光线，4-反射镜，5-附着杆，6-氯化钠晶体，7-纳秒激光器，8-纳秒激光束，9-第一平凸透镜，10-诱导等离子体，11-阳极，12-第二平凸透镜，13-第三平凸透镜，14-光谱仪狭缝，15-连续激光器，16-连续激光束，17-透镜，18-阴极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明实施例公开了一种具有连续空间分辨能力的磁场测量装置，包括真空工作腔1、纳秒激光器7和连续激光器15。
所述真空工作腔1的腔体上开设纳秒激光入口、连续激光入口以及分裂光线出口，纳秒激光入口、连续激光入口以及分裂光线出口上分别安装有石英玻璃2；腔体内部设置有附着杆5，所述附着杆5上附着有氯化钠晶体6；所述附着杆5为绝缘杆、绝缘绳、铜棒或铝棒，用于附着示踪剂。
所述纳秒激光器7用于产生纳秒激光束8，所述纳秒激光束8由纳秒激光入口进入腔体内，聚焦于氯化钠晶体6上，产生诱导等离子体10；所述纳秒激光器7与纳秒激光入口的石英玻璃2之间的光路上设置有第一平凸透镜9；连续激光器15与的石英玻璃2之间的光路上设置有透镜17；分裂光线出口的石英玻璃2与光谱仪狭缝14之间的光路上依次设置第二平凸透镜12和第三平凸透镜13，如图2所示。
所述连续激光器15用于产生连续激光束16，所述连续激光束16由连续激光入口进入腔体内，聚焦于待测空间以模拟钠离子的分裂光线3，分裂光线3由分裂光线出口射出，并成像于光谱仪狭缝14上。
本发明实施例通过使用脉冲电流提供空间磁场，以一根直径为2mm、高度为20mm的铜棒作为负载，铜棒表面包覆有氯化钠晶体6。使用纳秒激光聚焦烧蚀包覆的氯化钠晶体6，同时结合激光诱导等离子体10分裂光线3在磁场中的塞曼分裂谱线，测量真空中连续空间分布磁感应强度，本实施例一种具有连续空间分辨能力的磁场测量方法，包括步骤如下：
将铜棒表面用砂纸打磨干净，在其表面均匀涂覆少量饱和氯化钠溶液；
自然风干或用热源烘干氯化钠溶液，直至溶液中的水分完全蒸发从而形成在铜棒表面一层细密的氯化钠晶体6；
将铜棒固定在阴极18和阳极11之间，并保证两侧具有良好的电接触；
开启纳秒激光器7，使用低能量连续触发模式，纳秒激光出射方向直接对准涂覆的氯化钠晶体6；
在纳秒激光器7和石英玻璃2之间添加透镜9，使纳秒激光聚焦于氯化钠晶体表面，不断调整透镜位置使纳秒激光的聚焦点达到最小；
使用连续激光器15聚焦于待测空间以模拟钠离子的分裂光线3，并用4-f光学系统使聚焦产生的光斑成像至光谱仪狭缝14；
沿铜柱的径向方向直线移动连续激光器15的聚焦点，保持聚焦点始终位于待测量区域，同时校准4-f光学系统以保持光斑所成的像在运动过程中始终位于光谱仪狭缝14上；
在校准完毕后，用真空泵将待测区域抽至真空，使其气压低于7×10-2Pa；
开启纳秒激光器7，使用高能量单次触发模式，聚焦的激光在被测磁场中对氯化钠晶体6进行烧蚀和激发，从而产生诱导等离子体10，诱导等离子体10在待测空间中进行扩散运动；
300ns后，对负载通电，施加前沿为450ns，峰值为400kA的脉冲电流；
再次间隔300ns后，使用光谱仪对沿扩散方向所有空间位置的分裂光线3同时进行收集；
对实验谱线进行拟合，得到连续分布磁感应强度的大小。
实施例：
如图3所示，本发明实施例公开了一种具有连续空间分辨能力的磁场测量装置，包括真空工作腔1，真空工作腔1的腔体表面设有三块石英玻璃2，内部包含阴极18、阳极11和铜棒，铜棒表面涂覆有氯化钠晶体6；腔体外部设置纳秒激光器7，纳秒激光器7产生的纳秒激光束8通过透镜9聚焦于氯化钠晶体6表面产生诱导等离子体10，其产生的自由光线在磁场中发生塞曼分裂产生分裂光线3；反射镜4位于铜棒正下方，用于将分裂光线3反射穿过石英玻璃2至由第二平凸透镜12和第三平凸透镜13组成的4-f光学系统，从而成像于光谱仪狭缝14；由连续激光器15产生连续激光19通过石英玻璃2和透镜20聚焦形成光点以模拟诱导等离子体10发光，从而对4-f光学系统进行校准。
真空工作腔1使用钢板密封，使用真空泵抽至真空；铜棒为直径为2mm、长度为20mm的圆柱体，使用纯铜材料制作；4-f光学系统由两个焦距为500mm的平凸透镜组成；铜棒表面均匀涂覆氯化钠晶体6，且纳秒激光束8光路方向设置为垂直于铜棒表面。
本发明具体操作方法如下：
在正式测量之前，通过连续激光聚焦于不同径向位置处，以模拟分裂光线3成像于光谱仪狭缝14上，从而对光收集系统进行校准。开启纳秒激光器7，烧蚀氯化钠晶体6从而在磁场内产生诱导等离子体10；间隔300ns，使诱导等离子体10扩散至更远的位置；接通脉冲电流，使铜棒周围产生磁场；利用4-f光学系统同时收集不同扩散位置处的分裂谱线；对收集的谱线进行拟合，得到磁感应强度的大小。
本发明的原理如下：
当原子或离子在吸收能量时，会被激发至高能级，处于高能级的原子或离子会向低能级进行跃迁，同时发射光子而产生光谱。当受到外加磁场或电场作用时，原子内部角动量的耦合方式会受到影响，谱线会产生分裂，磁场对光谱或能级的影响就被称为塞曼效应。目前为止，钠被认为最易于观测到塞曼分裂光谱的元素之一。为了精确地计算塞曼效应的影响，考虑当外加磁场和LS耦合内磁场相当时，引入原子状态的哈密顿量来表示。以钠原子的2P状态为例，其哈密顿量可以写为：
H＝μB(L+gS)B+ξLS
式中，ξ对于钠的3P能级为11.5cm-1，为表示耦合强度的项，μB为0.4669cm-1T-1。用公式中的哈密顿量通过标准计算可以得到理论上的能级，根据能级间的能量变化求得谱线的分裂情况。
同时根据理论和实验表明，观测到的分裂谱线并不是独立的几何线，而是具有一定的宽度和轮廓，一般用线型函数来表示。
在本实验中，线型函数用能量按波长的分布函数g(λ)表示，即为分布于λ附近单位波长间隔内的能量占总能量的比率，用谱线强度I0，谱线半高全宽Δλ和中心波长λ0来定量描述，中心波长经过上述计算已经得出。
在诱导等离子体10中，二次斯塔克效应是导致谱线展宽的主要因素，为洛伦兹线型，是电子密度和温度的函数：
式中，Ne表示电子密度，α是离子加宽参数，ω表示电子碰撞半高宽，它们与电子温度Te有关。
实验中的谱线同样受到仪器展宽的影响，实验中可以通过汞灯进行测量。但由于相较于斯塔克展宽过小因此可以忽略。
当分裂谱线的中心波长和展宽都确定时，谱线的形状也可以相应确定。因此，通过对实验谱线进行拟合，既可以得出谱线的中心波长和展宽的大小。根据中心波长的分裂情况，即可以得到待测区域内磁感应强度的大小。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。