一种矢量磁场探头及矢量磁场测量方法技术

本发明专利技术公开了一种矢量磁场探头及矢量磁场测量方法，属于磁场测量领域，包括：磁敏感探测器，由含氮

【技术实现步骤摘要】
一种矢量磁场探头及矢量磁场测量方法


[0001]本专利技术属于磁场测量领域，更具体地，涉及一种矢量磁场探头及矢量磁场测量方法。

技术介绍

[0002]利用金刚石中的氮
‑
空位中心进行磁场测量是一种常规的测量方法，氮
‑
空位中心是由一个氮原子取代金刚石中的一个碳原子，然后捕获周围的一个空穴形成的。该结结构稳定，对磁场特别灵敏，并且其状态可以通过光学手段读出，在磁场测量领域内被广泛研究。氮
‑
空位中心单量子干涉仪测量磁场灵敏度可达到10
‑9T量级，氮
‑
空位中心系综可达到10
‑
13
T量级，甚至可以用来直接测量微弱的地磁场。
[0003]然而，目前基于氮
‑
空位中心的传感器所能达到的高灵敏度都是在实验室环境下得到的，在实际使用中由于受到环境、设备、噪声等影响，灵敏度无法达到实验室环境下的指标。因此，倘若能将环境磁场按照一定倍率进行放大，再执行测量，则可以大幅提升传感器对磁场的灵敏度和分辨率，使得基于金刚石氮
‑
空位中心的传感器足以在实际使用中也获得很高的灵敏度。
[0004]申请公布号为CN103439749A的专利申请文件公开了一种磁聚集放大导向结构，用来放大微弱的地磁场，但该放大器只能用来放大某个特定方向的磁场，对于垂直于该结构的磁场，其放大后的场强甚至可能减小，这就限制了其用于矢量磁场测量的可能。
[0005]申请公布号为CN 112180303 A的专利申请文件公开了一种基于金刚石的磁力计探头，该探头采用的是一维磁聚集放大结构，磁聚集放大结构的特性决定了该磁力探头在对于复杂的矢量磁场进行测量时存在一定的缺陷，且其中的一维磁聚集放大结构同样只能放大某个特定方向的磁场，在矢量磁场测量中会受到一定的限制。
[0006]总体而言，现有的基于氮
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空位中心的磁场测量结构，由于仅能实现特定方向的磁场放大，无法保证对任意方向的矢量磁场均具有较高的探测灵敏度，在实际测量中使用场景有限。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种矢量磁场探头及矢量磁场测量方法，其目的在于，同时测量矢量磁场的大小和方向，并且保证对任意方向的矢量磁场都具有较高的灵敏度。
[0008]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种矢量磁场探头，包括：磁敏感探测器、导光模块、控制场发生器、磁场发生器以及磁场放大器；
[0009]磁敏感探测器，由含氮
‑
空位中心的金刚石制成，固定于导光模块末端；导光模块，用于将预设波长的外部激光传输至磁敏感探测器；控制场发生器，用于向磁敏感探测器施加预设电磁场；磁场发生器，用于向磁敏感探测器施加稳定的静磁场；
[0010]磁场放大器包括呈中心对称且中心轴两两垂直的3对磁放大单元；磁放大单元沿
中心轴的截面中，越靠近对称中心的截面越小，各磁放大单元最小截面所在的平面围成的区域为磁放大区域；
[0011]工作时，磁场放大器位于待测的矢量磁场内，且磁敏感探测器位于磁放大区域中；磁敏感探测器在外部激光、电磁场和静磁场的共同作用下，发出携带有矢量磁场的大小和方向信息的荧光；导光模块，还用于导出由磁敏感探测器发出的荧光。
[0012]氮
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空位中心内部固态自旋对磁场灵敏，且在经过预设激光照射和微波控制场操控后所发出的荧光可以反应待测磁场信息，本专利技术所提供的矢量磁场探头，除了包括用于传输外部激光的导光模块和用于施加控制场的控制场生成器外，还包括用于施加稳定静磁场的磁场发生器，在外部激光、控制场和静磁场三者共同作用下，磁敏感探测器所发出的荧光信号同时携带有矢量磁场的大小和方向信息，通过对该荧光信号进行分析，即可同时实现对矢量磁场大小和方向的测量。
[0013]本专利技术所提供的矢量磁场探头，其中的磁场放大器包括呈中心对称且中心轴两两垂直的3对磁放大单元，基于该结构，磁场放大器可以对任意方向的矢量磁场进行一定倍数的放大，从而由含氮
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空位中心的金刚石样品制成的磁敏感探测器对于任意方向的矢量磁场都具有较高的探测灵敏度。
[0014]进一步地，导光模块为光纤。
[0015]本专利技术采用光纤作为导光模块，进行光传导，有利于测量探头的小型化和集成化。
[0016]进一步地，光纤在500nm～800nm波段的衰减低于预设阈值。
[0017]含氮
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空位中心的金刚石样品所产生的荧光信号所处波段为500nm～800nm波段，本专利技术以在500nm～800nm波段内衰减较低(低于预设阈值)的光纤作为导光模块，能够有效保证荧光的收集效率。
[0018]进一步地，磁放大单元为圆台结构。
[0019]磁放大区域内，被放大前、后的矢量磁场映射关系与磁放大单元的几何尺寸密切相关，本专利技术中，磁放大单元为圆台结构，由此确定的磁放大区域内被放大前、后的矢量磁场映射关系的标定较为简单。
[0020]进一步地，磁敏感探测器和导光模块末端整体镀有反光膜。
[0021]本专利技术所提供的矢量磁场探头中，磁敏感探测器和导光模块末端整体镀有反光膜，能够将磁敏感探测器产生的荧光均反射至磁敏感探测器与导光模块接触的一面，最终荧光大部分沿导光模块传输，由此能够提高荧光的收集效率。
[0022]进一步地，工作时，磁敏感探测器位于磁放大区域的中心。
[0023]本专利技术所提供的矢量磁场探头中，在磁放大区域的中心，矢量磁场可以得到最好的放大，本专利技术使磁敏感探测器在工作时位于磁放大区域的中心，能够获得较大的磁场灵敏度，并且，磁放大区域中心处被放大前、后矢量磁场的映射关系容易获取。
[0024]进一步地，磁放大单元的材料的相对磁导率大于5000。
[0025]本专利技术所提供的矢量磁场探头中，磁放大单元的材料为相对磁导率大于5000的高磁导率材料，由此能够保证对矢量磁场具有较好的放大效果。
[0026]进一步地，金刚石中，氮
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空位中心浓度大于10ppb。
[0027]本专利技术所提供的矢量磁场探头中，磁敏感探测器的氮
‑
空位中心浓度较大(大于10ppb)，由此能够保证测得信号的信噪比较好。
[0028]进一步地，控制场发生器为射频传输线或电磁波辐射结构；
[0029]和/或，磁场发生器为永磁体、通电线圈或通电螺线管。
[0030]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种基于上述矢量磁场探头的矢量磁场测量方法，包括：
[0031]标定步骤：将工作时，磁敏感探测器在磁放大区域内的放置点作为测量点，标定磁敏感探测器中的至少三个氮
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空位中心轴向，并标定在测量点，被放大前、后的矢量磁场的映射关系；
[0032]测量步骤：将磁场放大器放置于待测的矢量磁场中，并利用磁场发生器向磁敏感探测器施加稳定的静磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种矢量磁场探头，其特征在于，包括：磁敏感探测器、导光模块、控制场发生器、磁场发生器以及磁场放大器；所述磁敏感探测器，由含氮
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空位中心的金刚石制成，固定于所述导光模块末端；所述导光模块，用于将预设波长的外部激光传输至所述磁敏感探测器；所述控制场发生器，用于向所述磁敏感探测器施加预设电磁场；所述磁场发生器，用于向所述磁敏感探测器施加稳定的静磁场；所述磁场放大器包括呈中心对称且中心轴两两垂直的3对磁放大单元；所述磁放大单元沿中心轴的截面中，越靠近对称中心的截面越小，各磁放大单元最小截面所在的平面围成的区域为磁放大区域；工作时，所述磁场放大器位于待测的矢量磁场内，且所述磁敏感探测器位于所述磁放大区域中；所述磁敏感探测器在所述外部激光、所述电磁场和所述静磁场的共同作用下，发出携带有所述矢量磁场的大小和方向信息的荧光；所述导光模块，还用于导出由所述磁敏感探测器发出的荧光。2.如权利要求1所述的矢量磁场探头，其特征在于，所述导光模块为光纤。3.如权利要求2所述的矢量磁场探头，其特征在于，所述光纤在500nm～800nm波段的衰减低于预设阈值。4.如权利要求1～3任一项所述的矢量磁场探头，其特征在于，所述磁放大单元为圆台结构。5.如权利要求1～3任一项所述的矢量磁场探头，其特征在于，所述磁敏感探测器和所述导光模块末端整体镀有反光膜。6.如权利要求1～3任一项所述的矢量磁场探头，其特征在于，工作时，所述磁敏感探测器位于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡建明，徐嘉贺，龚牧桑，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：