屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法技术

屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法，该方法聚焦于自旋极化的电子在外磁场下的共振特性，是一种适用于原子自旋磁强计的快速、原位、高精度残余磁场测量方法或一种基于电子顺磁共振的原子磁强计残余磁场测量方法，本方法弥补了现有方法测量精度低等方面不足，为补偿残余磁场提供理论支撑，有助于实现残余磁场的自动测量与实时补偿，并将为SERF原子磁强计提升性能提供基础保障。强计提升性能提供基础保障。强计提升性能提供基础保障。

【技术实现步骤摘要】
屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法


[0001]本专利技术涉及光学检测、磁场探测与分析
，特别是一种屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法，该方法聚焦于自旋极化的电子在外磁场下的共振特性，是一种适用于原子自旋磁强计的快速、原位、高精度残余磁场测量方法或一种基于电子顺磁共振的原子磁强计残余磁场测量方法。

技术介绍

[0002]随着量子操控技术与极弱信号检测及提取技术的飞速发展，全光学原子磁强计随之迅猛发展。与传统的超导量子干涉仪(superconducting quantum interference devices,SQUIDs)不同，原子磁强计不需要液体4He进行低温冷却，而且操控更加便捷。在众多类型的原子磁强计中，尤以基于无自旋交换弛豫(spin
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exchange relaxation free,SERF)效应的原子磁强计最为引人注目。来自普林斯顿大学的Romalis的团队在2010年实现了0.16fT/Hz
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的磁场测量灵敏度，并已成功应用于脑磁图(magnetoencephalogram,MEG)和心磁图(Magnetocardiogram,MCG)测量的研究。
[0003]原子磁强计操控在SERF态的重要特征之一是自旋交换率远大于拉莫尔进动频率。通常情况下，实现原子自旋SERF态有两种途径：一是在一定磁场强度下，通过提升碱金属原子密度数(即工作温度)提高自旋交换率；二是在一定的工作温度范围内，通过抑制残余磁场幅值降低拉莫尔进动频率。然而，这两种方法相得益彰。残余磁场越低，实现原子自旋SERF态所需的工作温度越低。由此可见，实现残余磁场的原位测量是实现原子自旋SERF态的根本所在。
[0004]传统的残余磁场测量方法是利用放置于待测残余磁场中心位置的磁传感探头完成测量，但此方法更适用于对测量精度要求不高的情况，如地磁场强度测量。此外，传统测量方法若用于测量基于SERF效应的原子磁强计内残余磁场仍有一些局限性：一方面，在一个较小的磁场均匀区范围内，磁传感器探头与原子磁强计敏感表头之间的位置偏差将导致测量误差；另一方面，测量精度受限于磁传感器精度。因此，利用基于SERF效应的原子磁强计敏感表头实现残余磁场原位测量是最佳方案。Seltzer等人研究了原子磁强计残余磁场三轴分量的同步独立测量方法，通过分别施加在x和z轴的两个不同幅值和频率的调制磁场并利用锁相放大器对输出信号进行监测和解调，获取与磁场三轴分量幅值成正比的信号。Walker等人提出了屏蔽环境下原子磁强计的z场参数调制法，该方法在利用z向磁场参数调制抑制非磁性技术噪声的同时检测x和y方向残余磁场分量。Ito等人借助其自研发的混合抽运光泵原子磁强计，利用线性阵列光电二极管和电荷耦合传感器来即时测量由测试线圈产生的一维和二维磁场分布状态。Gusarov等人通过在垂直于检测光方向连续逐层抽运气室并由阵列光电二极管收集信号来实现SERF原子磁强计内3
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D残余磁场的测量，但因抽运光扩束所致的光强不均匀影响了磁场测量精度。基于前期研究工作，Gusarov等人近期提出了基于多通道抽运
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检测配置下的SERF原子磁强计内部空间残余磁场测量方法，该方法通过空间选择性地抽运气室并分析原子极化率完成测量过程。房建成等提出了基于单光束方
案的磁场三分量独立测量方法，以及基于检测光调制的SERF原子自旋磁强计z方向磁场分布测量方法。然而，上述磁场测量方法有些由于装置配置等限制难以直接在SERF磁场测量装置上使用，有些测量精度有限，而有些则无法实现磁场三轴分量测量。因此，探索一种原位高精度残余磁场三轴分量测量方法尤为重要。
[0005]为解决上述问题、弥补现有方法不足，本专利技术提出一种基于电子顺磁共振理论的原子磁强计残余磁场三轴分量原位测量方法。本专利技术针对残余磁场影响原子磁强计灵敏度进而制约其性能问题，提出了利用自旋极化的电子在外磁场下的共振特性实现残余磁场三轴分量原位测量的方法。本专利技术填补了缺乏快速、高精度、原位SERF原子磁强计残余磁场三轴分量测量方法的缺憾，可为残余磁场三轴分量的自动测量与实时补偿提供理论参考和方法支撑，并为SERF原子磁强计提升测量灵敏度提供基础保障。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术的缺陷或不足，提供一种屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法，该方法聚焦于自旋极化的电子在外磁场下的共振特性，是一种适用于原子自旋磁强计的快速、原位、高精度残余磁场测量方法或一种基于电子顺磁共振的原子磁强计残余磁场测量方法，本方法弥补了现有方法测量精度低等方面不足，为补偿残余磁场提供理论支撑，有助于实现残余磁场的自动测量与实时补偿，并将为SERF原子磁强计提升性能提供基础保障。
[0007]本专利技术的技术解决方案如下：
[0008]屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法，其特征在于，包括利用自旋极化的电子在外磁场作用下所发生顺磁共振现象中的自旋极化电子共振频率与外磁场幅值成正比的关系，拟合获取共振频率信息，通过共振频率信息依次进行z轴残余磁场分量测量，x轴残余磁场分量测量，以及y轴残余磁场分量测量。
[0009]包括以下步骤：
[0010]步骤1，自旋极化的电子在外磁场作用下发生顺磁共振现象，且共振频率ω0与外磁场幅值B0成正比，
[0011]ω0＝γB0ꢀꢀꢀ
(1)
[0012]其中，γ为电子旋磁比；
[0013]步骤2，步骤1所述的共振频率ω0通过下式拟合获取，
[0014][0015]其中，f(υ)为顺磁共振输出信号，a和b为常数，υ为扫场频率，lw为共振线宽；
[0016]步骤3，z轴残余磁场分量B
rem
‑
z
测量，沿z轴正负方向分别施加幅值相同的两个应用磁场和上标中的+表示正向，上标中的
‑
表示负向，下标中的z表示z轴，同时沿y轴施加一正弦扫描磁场，那么z轴所施加的两个应用磁场与该轴残余磁场分量B
rem
‑
z
形成的合磁场和分别为，
[0017][0018][0019]步骤4，在步骤3所述的两个合磁场下，自旋极化的电子发生共振，且根据公式(1)共振频率分别为，
[0020][0021][0022]步骤5，根据公式(5)和公式(6)，z轴残余磁场分量为，
[0023][0024]步骤6，根据公式(2)拟合提取的共振频率信息，利用公式(7)获取z轴残余磁场分量；
[0025]步骤7，x轴残余磁场分量B
rem
‑
x
测量，首先根据步骤(7)获取的z轴残余磁场分量信息，将z轴残余磁场粗略调零，然后沿z轴施加一个已知幅值的固定应用磁场B
z
‑
fixed
，同时沿x轴正负方向分别施加幅值相同的两个应用磁场和下标x表示x轴；x轴上这两个应用磁场及残余磁场B
rem
‑
x
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法，其特征在于，包括利用自旋极化的电子在外磁场作用下所发生顺磁共振现象中的自旋极化电子共振频率与外磁场幅值成正比的关系，拟合获取共振频率信息，通过共振频率信息依次进行z轴残余磁场分量测量，x轴残余磁场分量测量，以及y轴残余磁场分量测量。2.根据权利要求1所述的屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，自旋极化的电子在外磁场作用下发生顺磁共振现象，且共振频率ω0与外磁场幅值B0成正比，ω0＝γB0ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，γ为电子旋磁比；步骤2，步骤1所述的共振频率ω0通过下式拟合获取，其中，f(υ)为顺磁共振输出信号，a和b为常数，υ为扫场频率，lw为共振线宽；步骤3，z轴残余磁场分量B
rem
‑
z
测量，沿z轴正负方向分别施加幅值相同的两个应用磁场和上标中的+表示正向，下标中的z表示z轴，同时沿y轴施加一正弦扫描磁场，那么z轴所施加的两个应用磁场与该轴残余磁场分量B
rem
‑
z
形成的合磁场和分别为，分别为，步骤4，在步骤3所述的两个合磁场下，自旋极化的电子发生共振，且根据公式(1)共振频率分别为，分别为，步骤5，根据公式(5)和公式(6)，z轴残余磁场分量为，步骤6，根据公式(2)拟合提取的共振频率信息，利用公式(7)获取z轴残余磁场分量；步骤7，x轴残余磁场分量B
rem
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹升，张红，全伟，王卓，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：