激光抽运-检测型原子磁力仪对交变磁场的测量

交变磁场作为磁场一种特殊的存在形式,有着广泛的应用和学术价值,而现阶段没有行之有效的方法对交变磁场进行绝对测量。抽运-检测型原子磁力仪具有量程宽、灵敏度高、能准确反映磁场真实特性,在磁场测量及标定中具有非常重要的意义。通过对抽运-检测型原子磁力仪在交变磁场激励下作用机理研究,对实验装置进行改进,实现抽运-检测型原子磁力仪对交变磁场的绝对测量,在Z轴方向上实现了背景磁场40000 nT,频率为100 Hz、磁场强度幅值为1000 nT的交变磁场测量;在Y轴方向上实现了背景磁场1000 nT,频率为20 Hz、磁场强度幅值为500 nT的交变磁场测量。测量结果表明该实验装置适用于低频、弱磁场强度交变磁场的测量,该方法为交变磁场的测量和标定提供一种切实可行的技术手段。

原子磁力仪的量子物理基础

原子磁力仪是基于量子技术实现的一种精密测量仪器,鉴于其广泛的应用前景,目前成为了国内外热门研究。原子磁力仪中涉及了大量的量子物理原理,对其中一些基础量子物理的掌握,有助于开展并深入研究磁力仪相关工作。作者对原子磁力仪中所涉及的量子物理基础进行阐述,包括:光泵浦、光频移、光探测、原子极化在磁场中的演化以及磁共振等。

高频调制矢量原子磁力仪综述

通过施加调制磁场降低测量1/f噪声、实现矢量化测量,是原子磁力仪中常用的方法。根据调制磁场频率与弛豫率的相对大小,可以分为低频调制和高频调制两大类。本文对高频调制原子磁力仪进行了总结和分类,按照调制磁场方向与抽运光方向的相对位置分为平行调制与垂直调制两大类,之后再按照主磁场方向细分为七类不同的配置。详细分析了其中四类较为常见的配置,分别是垂直调制X型、垂直调制零场型、平行调制Z型和平行调制零场型。从Bloch方程出发,推导了这4类配置的测量解析模型,除了梳理和验证现有文献的理论分析之外,也得到一些现有文献没有提及的测量模型。采用MATLAB Simulink模块进行了数值仿真,验证了解析模型推导过程一些简化处理的合理性。给出了Bloch方程的通用Simulink模型,可用于任意配置原子磁力仪的数值仿真。

利用原子磁力仪测量软磁材料的剩磁矫顽力

介绍了利用抽运-检测型铷原子磁力仪测量软磁材料剩磁矫顽力的实验装置和方法。在磁屏蔽筒中扫描通入磁化线圈的脉冲电流,置于磁化线圈中的软磁样品被磁化和退磁,利用抽运-检测型铷原子磁力仪监测软磁样品的剩磁状态,根据剩磁回线计算出样品的平均剩磁矫顽力。利用该方法测量带状坡莫合金软磁样品的剩磁矫顽力,十次测量的平均值为1.706 mT,剩磁矫顽力测量再现性以相对标准偏差表示为0.05%。该方法具有无零点漂移、复现性好、测量速度快、原位测量等优点,具有开发适用于环境磁学领域的磁测设备的潜力。

原子磁力仪在异常作用力及类轴子暗物质探测中的应用

简述了异常相互作用力及类轴子暗物质的理论模型,回顾了近年来国内外研究人员使用原子磁力仪和共磁力仪等进行自旋相关的非磁性力探测和暗物质搜寻的技术方案,归纳了迄今为止对自旋和速度相关相互作用、自旋引力相互作用、类轴子暗物质场梯度与核子的耦合强度的探测结果。在此基础上,本文对该领域未来的发展方向进行了展望,通过分析和抑制系统误差、寻找新的探测方案等方法,有望为自旋相关相互作用的耦合参数空间提供更严格的约束,在更广泛的质量范围内对类轴子暗物质与标准模型费米子的耦合给出更严格的界定。

一种矢量原子磁力仪中旋转磁场的设计及实验验证

目前国内外报道了几种矢量原子磁力仪的技术方案,其中基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪可实现对矢量磁场的连续测量。本文对磁场旋转调制法矢量原子磁力仪的工作原理进行了阐述,对“旋转磁场”的设计、产生以及标定方法进行了介绍,在此基础上基于抽运-检测型原子磁力仪对旋转磁场和矢量磁场的叠加磁场进行了实验测量,验证了实测磁场的平均值、峰峰值与理论计算结果的符合情况,分析了实测磁场的平均值与理论平均值的偏差起源,并通过实验验证了矢量原子磁力仪的连续测量能力。研究内容为连续测量型矢量原子磁力仪的研制奠定了技术基础。

原子磁力仪研究进展

原子磁力仪是利用量子理论并结合光学方法技术的一种磁力仪.由于它具备高灵敏度,无需低温条件,可小型化等诸多优点,成为人们高度关注的新型磁力仪.本文从主要量子磁力仪的概况出发,列表介绍了包括原子磁力仪在内的磁力仪名称,工作原理及灵敏度,进而对原子磁力仪的原理,国内外研究现状进行了综述,最后简要描述了原子磁力仪的应用前景,着重指出我国应不失时机的开展原子磁力仪的研究.

抽运-检测型原子磁力仪对电流源噪声的测量

用于在宽量程范围内标定原子磁力仪的灵敏度的复现磁场通常由精密电流源和标准线圈产生,电流源噪声将直接影响原子磁力仪在宽量程范围内标定的灵敏度.本文基于抽运-检测型原子磁力仪首先提出抑制复现磁场漂移的磁补偿方法,其次开展宽量程范围内电流源的噪声和原子磁力仪的灵敏度之间依赖关系的研究.研究结果表明,抽运-检测型原子磁力仪的灵敏度主要由电流源噪声决定,因此可用特定磁场下的灵敏度估算电流源在对应输出电流条件下的电流噪声.本文研究对弱磁传感器灵敏度指标的标定、高精度电流源的研制、磁感应强度计量和电流计量的协同发展都具有参考价值.

Bell-Bloom型SERF原子磁力仪综述

弱磁检测技术可应用于地球物理探测、医学、军事等诸多领域。随着弱磁检测技术的不断提升,磁力仪的发展十分迅猛。近些年,无自旋交换弛豫原子磁力仪超越了超导量子干涉磁力仪成为目前世界上最灵敏的磁强计。首先介绍了无自旋交换弛豫原子磁力仪超高灵敏度的根本原因-无自旋交换弛豫现象,以及Bell-Bloom型无自旋交换弛豫原子磁力仪机理;接着给出了国内外最常用的Bell-Bloom型无自旋交换弛豫原子磁力仪的装置结构,并对其各组成部分加以详细描述分析;根据原子磁力仪的不同工作模式,归纳出3种系统设计方案并对其优缺点和适用场合进行对比;最后,对其灵敏度、响应带宽和实用集成化三方面进行论述,指出Bell-Bloom型无自旋交换弛豫原子磁力仪具有广泛应用前景。

用于SERF原子磁力仪的原子气室无磁加热系统

原子气室温度是直接影响无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力仪的测量灵敏度的重要因素,本文设计研制了一种高精度的原子气室无磁加热系统。在硬件设计中,采用PTC加热装置与Pt1000温度检测电路共同构成完整的闭环控制系统。在软件设计中,针对不同目标温度范围,分别对P、I、D三个参数完成整定。同时采用积分分离式PID控制方法,以消除超调,并通过间断加热的方式满足磁力仪检测时的极低干扰磁场要求。利用该系统进行温度控制实验,温度控制范围为80~190℃,温度控制精度为±0.02℃,稳定时间为60s,间断加热期间产生的干扰磁场低于0.1nT,为SERF原子磁力仪的性能提升提供了可靠保障。

基于原子磁力仪的高精度电流传感器

高精度电流测量对产生核磁共振陀螺中稳恒磁场具有重要意义,基于光泵原子磁测量方式的新型电流传感器实现了对电流的精确测量,可应用在各种高精度设备的校准及其他精密探测领域。这种新型的电流传感器,具有极高的线性度,通过实验表明,基于光泵原子磁力仪的电流传感器线性度最高可达0.000 01%,性能优于其他电流传感器,解决了线性度低的问题。对基于光泵原子磁力仪电流传感器的研究结合实验的研究内容,展望了基于光泵原子磁力仪的电流传感器在电流精密测量领域的应用前景。

原子磁力仪系统高增益平衡光电探测器的设计

为了实现对原子磁力仪系统中微弱、发散、快速调制的光信号的精密检测,克服传统平衡探测器接光面积小、增益小、光电管间距不可调及与自由空间光信号探测不兼容等缺点,采用基于基尔霍夫定律的平衡差分放大法和基于平行轨道焊盘的精调方法,设计并制作了高增益平衡光电探测器,并介绍了其工作原理和结构组成。首先,针对光斑发散大和调制速率快的特点确定了具有10 mm×10 mm大接光面积的高速光电管;然后设计了双管中心间距从20~60 mm连续可调的平行轨道焊盘,增强其对各种光学系统的兼容性;最后,利用两级放大电路设计实现了高增益特性。实验结果表明,该探测器-3 dB带宽达到800 k Hz,信号跨阻增益达0.91 MΩ,在70 kHz时的信噪比为38.5 dB,能够满足原子磁力仪系统光信号检测的要求。

矢量原子磁力仪中旋转磁场产生装置的研制

阐述了利用抽运-检测型原子磁力仪研制的磁场旋转调制法矢量原子磁力仪的工作原理、系统组成以及对旋转磁场的技术要求,根据该矢量原子磁力仪对旋转磁场的技术要求,提出了一种高性能旋转磁场产生装置。该装置通过DDS相位同步技术实现了正弦信号间相位差的补偿和精密调控,相位调控精度的理论设计值为0.022°;建立相应的电路模型,通过仿真分析以及电路模块间相互耦合关系的研究,完成了基于多模块间协同控制的电流调整模块设计,实现了线圈驱动电路电流的精密控制和调整。当旋转磁场强度为500 nT时,对应的磁场强度调整精度优于5 nT。以上设计使旋转磁场产生装置具备了旋转磁场强度、轨迹以及方向精密控制和调整的功能,经测试该装置的各项技术指标完全满足矢量原子磁力仪的技术要求,为矢量原子磁力仪研制以及技术研究奠定了技术基础。该旋转磁场产生装置在冶金、生物科学以及相关基础物理研究中也有重要的应用价值。

微型化原子磁力仪灵敏度上限的原子气室尺寸依赖性分析

本文通过分析碱金属原子在原子气室中的自旋弛豫作用,得出了原子磁力仪灵敏度上限受气室尺寸影响的理论模型。计算了不同气室尺寸下,工作物质为87Rb、工作温度为383.15 K时缓冲气体Ar的最优压强,此压强值随气室尺寸减小而快速增大。在此基础上,计算了不同气室尺寸下磁力仪灵敏度上限。结果表明,磁力仪灵敏度上限随原子气室尺寸减小而快速恶化,当气室直径由1 cm减小到0.1 cm时,磁力仪灵敏度上限由0.4 p T Hz-1/2恶化为15 p T Hz-1/2。

基于Herriott型多通池的SERF原子磁力仪研究

为提高无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力仪的探测灵敏度,提出一种通过增加探测光在气室内部与泵浦光相互作用的光程长来提高SERF原子磁力仪探测灵敏度的方法,该方法采用在原子气室外侧搭建Herriott型多通池系统来实现复杂光路以及长光程,将系统整体放置在屏蔽筒内部,并利用3D软件对该无磁检测系统进行设计与制作。与传统型SERF原子磁力仪进行实验对比,该方案实现了在多频点的探测灵敏度不低于34 fT/Hz1/2的性能,可解决复杂光路的光学结构与原子磁力仪相结合这一问题,为未来采用F-P积分腔的形式来进一步提升磁力仪性能打下良好基础。

基于MEMS技术的光泵原子磁力仪发展与应用

综述了光泵原子磁力仪的发展过程及技术指标,介绍了基于MEMS的光泵原子磁力仪的现状,总结了光泵原子磁力仪的主要应用。对基于MEMS技术的光泵原子磁力仪的发展应用前景提出了建议,基于MEMS技术的光泵原子磁力仪在未来也会成为空间磁场分布测量的重要手段,为航空、船舶、医疗诊断等领域提供重要支撑。微型化的原子磁力仪甚至有望集成到家用医疗设备或嵌入到可穿戴设备中去,这将成为原子磁力仪进入消费电子领域的突破口,基于MEMS技术的光泵原子磁力仪会成为新一代磁测量产品的标志,成为磁测量民用市场不可替代的产品。

原子磁力仪低功耗控制系统设计研究

对原子光泵磁力仪控制系统的低功耗设计进行了研究。介绍了光泵原子磁力仪的物理原理,给出了研制的原子磁力仪控制电路系统的组成。针对铯光泵磁力仪中的低功耗光源,对垂直腔面发射激光器(VCSEL)的温控和恒流驱动进行了研究。用低功耗直接数字合成器(DDS)产生精确的低噪声射频信号,并将Freescale公司的ARM Cortex-M0+微控制器作为主控单元,用数字算法替代锁定放大器硬件电路,实现了激光波长锁定和磁共振频率跟踪的数字化环路,有效降低了电路功耗。实际系统测试表明:控制部分的功耗小于185mW,地磁场强度下原子磁力仪噪声小于10pT/Hz^(0.5)(1Hz时)。

高灵敏度铷原子磁力仪研制

研制了一种新型的激光抽运高灵敏度原子磁力仪。该原子磁力仪利用磁场中铷原子与光场的相互作用,极化的铷原子在待测磁场中将进行拉莫尔进动,利用铷原子磁光共振频率与外磁场之间的关系,通过高灵敏度低噪声弱磁检测技术实现磁场的准确测量。测试结果表明,该磁力仪灵敏度为1pT/Hz^(1/2);测试过程中磁场波动范围优于0.4 nT。

用于铯原子磁力仪的双AOM激光稳频系统

原子磁力仪的基本工作原理是通过光泵浦将原子极化,并通过检测自旋极化的拉莫尔进动来完成磁场探测,其中用来极化原子的泵浦激光起到了重要作用。自由运转的激光器由于受环境的影响,其频率随时间抖动,从而导致原子磁力仪输出的波动。本文首先在理论上推导了Bell-Bloom磁力仪输出与泵浦光频率波动的关系,其次采用基于双AOM移频的差分探测法实现系统稳频,并自行设计了自动锁频算法且对其进行了实验验证,结果表明可使系统稳定在工作零点。稳频前频率的抖动均方根约为28.02 MHz,通过双AOM稳频模块后激光频率抖动均方根减小到0.12 MHz。通过激光频率的变化反推到铯原子磁力仪中,测得闭环的等效输出噪声为0.012 pT。

全光Cs原子磁力仪的温度特性研究

全光铯(Cs)原子磁力仪是一种高灵敏度弱磁检测仪,核心器件Cs原子气室的工作温度直接决定了原子磁力仪的灵敏度。实验系统中采用频率锁定在Cs原子D1线F=3→F′=4共振线的圆偏振光极化Cs原子,检测光采用频率锁定在Cs原子D2线F=4→F′=5共振线的线偏振光,检测介质的圆二向色性。实验发现,随着Cs原子气室工作温度的升高,磁力仪输出信号幅度先增加然后逐渐衰减,而磁力仪的线宽近似线性增加。实验测试了温度由25℃升高至45℃时的磁力仪输出信号,结果表明:当温度为37.6℃时,原子磁力仪达到最佳灵敏度。