光泵磁力儀在光纜路由調(diào)查中的應用

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1、劉勝旋，關永賢.光泵磁力儀在光纜路由調(diào)查中的應用[J].海洋測繪，2002，22(1)：25-29.光泵磁力儀在光纜路由調(diào)查中的應用廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局資料處理研究所劉勝旋摘要大家都知道，光纜傳輸?shù)氖枪庑盘?，光信號是無法產(chǎn)生磁異常的。但是，在實際光纜路由調(diào)查工程中，我們在光纜上面用G880-G磁力儀卻能測量到明顯的磁異常。那么，光纜產(chǎn)生磁異常的原理是什么呢？本文作了兩個假設，試圖了解光纜產(chǎn)生磁異常的原理。一個是電流-磁場模型，光纜除了包含有許許多多的光纖外，通常還包含有許多轉(zhuǎn)發(fā)器，這些轉(zhuǎn)發(fā)器必須依靠電流才能正常工作，而這些電流可能

2、是產(chǎn)生磁異常的原因。另一個假設為圓柱體-磁場模型，光纜除包含有許多軟性保護材料外，還包含有鋼質(zhì)材料或磁性材料，這些材料如同水平無限延伸的圓柱體一樣，也可能是產(chǎn)生磁異常的原因。本文最后還討論了光纜的定位、定深問題。關鍵字光泵磁力儀光纜塞曼分裂光泵作用磁場總強度(T)磁異?？倧姸?Ta)總磁異常(△T)正常場(T0)一、引言2000年8月和2001年3月，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局與國家海洋局二所、一所合作，先后兩次在香港南部海域進行了3條光纜路由調(diào)查。該光纜路由為環(huán)亞太光纜：香港-上海-韓國-日本-馬來西亞-香港的一部分，每一段的中心長度

3、大約為300公里左右。調(diào)查項目有：多波束水深測量、側(cè)掃聲納測量、淺層剖面測量、地質(zhì)取樣、磁力測量等。主要目的是為了選擇光纜的精確路由進行水深、地形、地貌調(diào)查，以及確定光纜路由與以前鋪設的纜線（光纜、電報電纜、同軸電纜等）的交點位置，以便于施工時采取一些必要的措施，以免損壞以前鋪設的纜線。光泵磁力儀在此次調(diào)查中的作用就是為了確認它們的交點位置。二、G880-G磁力儀的工作原理光泵磁力儀是利用近二十多年新發(fā)展起來的光泵技術制成的高靈敏度、高精度磁力儀?？捎糜趪来盘綔y、地磁絕對測量及磁法勘探、工程地質(zhì)調(diào)查等方面。1.能級躍遷電子是按

4、一定的規(guī)律分布在不同的電子層軌道上圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)，在不同電子層上的電子具有的能量是不同的。電子處在穩(wěn)定的最低能級電子層上時稱為基態(tài)，處在較高能級時稱為激發(fā)態(tài)。在正常情況下，電子總是處在最穩(wěn)定的能級狀態(tài)中。如果電子吸收特定輻射頻率的光子（電磁波），可以從基態(tài)躍遷到較高能級的激發(fā)態(tài)；也可以放出特定頻率的光子而回到基態(tài)。假設兩個能級之間的能量差為△E，則光子的相應輻射頻率γ為△E＝γ·h式中h成為普朗克常數(shù)。如果光子的輻射頻率滿足不了這一關系，電子就不能躍遷，這種現(xiàn)象叫能級躍遷。9劉勝旋，關永賢.光泵磁力儀在光纜路由調(diào)查中的應用[J

5、].海洋測繪，2002，22(1)：25-29.1.塞曼分裂與光泵作用堿金屬（鉀、鈉、銣、銫等）的最外層只有單個不成對的電子（價電子）。在正常情況下，原子的總磁矩為零。當加上外部磁場（被測的地磁場）后，在外部磁場的作用下，原子的一個能級分裂為幾個亞能級，亞能級之間的能量差與所加的外部磁場成正比，這種現(xiàn)象叫塞曼分裂。如果采用光學技術，選擇出一定頻率的光照射在含有堿金屬蒸汽的吸收室中，價電子吸收這種頻率的光從基態(tài)亞能級躍遷到激發(fā)態(tài)亞能級。不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)電子又很快地放出光子自然地回到任一基態(tài)亞能級上，有些落到不能激發(fā)的非吸收亞能級。這

6、個過程反復重復著，落到這個非吸收亞能級的原子越來越多，其他亞能級的原子就越來越少。結(jié)果有可能使所有的原子都集中到這個非吸收亞能級上，有規(guī)則的排列，在也不吸收任何光。這種利用光把原子泵激到特定的亞能級的過程叫做光泵作用。2.跟蹤式銫光泵磁力儀吸收室濾波片凸鏡偏振片調(diào)制場凸鏡光敏元件銫燈高頻激發(fā)源共振線圈圖1跟蹤式光泵磁力儀探頭裝置示意圖它的探頭裝置如圖1所示。首先，高頻激發(fā)源產(chǎn)生高頻激發(fā)場，對吸收室內(nèi)的銫蒸汽進行激發(fā)，使銫蒸汽原子變?yōu)閬喎€(wěn)定態(tài)，并具有磁性。同時，高頻激發(fā)場對銫燈進行激發(fā)，使其發(fā)出一定頻率的銫光，然后與吸收室內(nèi)的亞穩(wěn)

7、定銫蒸汽相互作用，產(chǎn)生光泵作用。光泵作用的結(jié)果是吸收室內(nèi)的原子磁矩定向排列，此后從銫燈發(fā)出的光能最大限度地通過吸收室，經(jīng)凸鏡聚焦后，照射到光敏元件上，此時光電流最強。然后，對吸收室外的共振線圈通以交變電流，使之產(chǎn)生一個垂直于被測外磁場的高頻交變磁場。當交變磁場的頻率與電子兩個亞能級之間的躍遷頻率相等時，交變磁場與定向排列的原子磁矩相互作用，從而打亂了吸收室內(nèi)原子磁矩的排列。此時，由銫燈射來的圓偏振光又會與雜亂排列的原子磁矩相互作用，不能穿透吸收室，此時光電流最弱。測定此時的頻率f，而這個頻率f與外磁場H成正比。當外磁場不太強時，

8、對于銫133，這個頻率可以表示為：f＝3.49828H故H=0.285854f(γ)由此可見，只要準確地測出交變磁場的共振頻率f，就可以測出磁場強度來。9劉勝旋，關永賢.光泵磁力儀在光纜路由調(diào)查中的應用[J].海洋測繪，2002，22(1)：25-29.一、光纜