【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子精密测量仪器，特别是一种集成磁通导引-聚集器的serf原子磁强计测量装置。
技术介绍
1、serf(spin-exchange-relaxation-free，无自旋交换弛豫)原子磁强计通过极化原子实现磁场测量，是测量灵敏度最高的原子磁强计。小型化serf原子磁强计具有结构紧凑、测量灵敏度高的优势，在心脑磁测量、肌肉磁测量以及磁成像等领域具有巨大的应用潜力。常规的小型化serf原子磁强计探头尺寸在厘米级，这将磁强计的空间分辨率限制在了厘米级，此外，磁强计的敏感元件原子气室一般处于探测头的中心，距离待测磁源具有一定的距离，这导致磁源产生的磁场在传至原子气室的过程中，随着距离的平方快速衰减，使待测信号减弱。这限制了常规小型化serf原子磁强计在心磁、脑磁、磁成像等领域的应用。目前可以利用磁通导引器或磁通聚集器解决上述问题，但由于二者的几何特性限制，只能单独实现待测磁场放大或提高serf原子磁强计空间分辨率，导致空间分辨率和信号强度无法兼得，从而限制了serf原子磁强计在岩石测量、物质材料磁性测试等领域的应用。本专利技术的结构设计综合考虑了空间分辨率提高和磁场信号放大的几何特性，实现了空间分辨率和信号强度的同时放大。
技术实现思路
1、本专利技术解决的问题是：提供一种集成磁通导引-聚集器的serf原子磁强计测量装置，设计一种可以对待测磁场进行汇聚的磁通导引-聚集器，将磁通导引-聚集器放置于serf原子磁强计前端，可以实现对远端弱磁场的放大作用，将放大后的磁场导引通过se
2、本专利技术的技术解决方案如下：
3、一种集成磁通导引-聚集器的serf原子磁强计测量装置，其特征在于，包括在磁强计探头的磁场输入界面上设置磁通导引-聚集器，所述磁通导引-聚集器与所述磁强计探头的组合构成具备亚毫米空间分辨率的磁强计表头，所述磁强计表头通过连接杆连接三维位移台。
4、所述磁通导引-聚集器包括其细端用于与待测磁样品相抵近的磁场采集器，从所述磁场采集器的粗端轴向延伸的磁场传递器，以及从所述磁场传递器的端面一边轴向延伸一边径向收缩的磁场放大器，所述磁场放大器的细端粘接在所述磁强计探头的磁场输入界面上，所述磁场放大器的细端的端面尺度与所述磁强计探头中碱金属原子气室的端面尺度相匹配。
5、所述磁通导引-聚集器是采用软磁铁氧体形成的一体化结构，所述磁场采集器的细端的端面尺度是亚毫米量级，所述磁通导引-聚集器的磁场汇聚放大效果具有以下表达式：
6、
7、式中a是放大倍数，n为退磁因子，是与长度l1、l2和l3相关的物理量，l1是磁场放大器的长度，l2是磁场传递器的长度，l3是磁场采集器的长度，μr为软磁铁氧体材料的相对磁导率，φ1是磁场放大器的细端直径；φ3是磁场采集器的细端直径。
8、所述磁强计探头包括壳体，所述壳体内设置有气室电加热模块，所述碱金属原子气室位于所述气室电加热模块内。
9、所述磁强计表头位于磁屏蔽装置内，所述磁强计探头通过各自的保偏光纤分别连接光电测控系统中的抽运激光模块和检测激光模块，所述磁强计探头通过数据传输线连接光电测控系统中的信号采集处理模块，所述磁强计探头连接上位机。
10、包括以下公式：
11、
12、其中vb是信号采集处理模块输出的磁强计输出信号，a是放大倍数，g为光电探测器的转换系数，e为自然常数，od为光学深度，c为光速，r为经典电子半径，f为碱金属d1线共振强度，n为原子数密度，l为原子气室长度，ipr是入射气室的检测光光强，η表示气室玻璃对检测光光强的衰减系数，γe表示旋磁比，v为激光的频率，v0为碱金属d1线共振频率，г为原子气室压力展宽，rop为抽运率，rrel为横向弛豫率，bz为待测磁场大小。
13、所述磁场放大器的细端通过紫外胶紧贴在所述磁强计探头的磁场输入界面上。
14、所述磁场采集器的细端表面与待测磁样品的表面之间保持间距在1mm至1.5mm。
15、所述气室电加热模块对碱金属原子气室进行加热，使碱金属蒸汽的原子数密度达到1013～1014个/cm3量级。
16、本专利技术与现有技术相比的优点在于：
17、(1)常规的serf原子磁强计由原子气室自身体积限制，通常空间分辨率为毫米至厘米量级。本专利技术通过设计磁通导引-聚集器的结构，对待测磁场实现汇聚，提高整个serf原子磁强计磁测量装置的空间分辨率至亚毫米量级。
18、(2)常规的serf原子磁强计具有较高的灵敏度，但由于磁场大小随距离存在二次方的衰减，因此，远端弱磁场信息损失较大。本专利技术通过磁通导引-聚集器将待测磁场导引至serf原子磁强计敏感器件附近，并在导引过程中对待测磁场实现了放大。
19、(3)常规磁通导引-聚集器只能实现磁场的导引放大作用或者空间分辨率提高的效果。本专利技术通过对磁通导引-聚集器结构的设计，实现了对远端磁场的放大以及空间分辨率的提高。磁通导引-聚集器接触待测磁场部分的截面积较小，限制了放大磁场范围，从而提高了空间分辨率；结合serf原子磁强计中气室尺寸，通过对磁场输出截面大小设计，实现了对待测磁场的放大，从而实现对远端磁场测量的信噪比的提高。
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1.一种集成磁通导引-聚集器的SERF原子磁强计测量装置，其特征在于，包括在磁强计探头的磁场输入界面上设置磁通导引-聚集器，所述磁通导引-聚集器与所述磁强计探头的组合构成具备亚毫米空间分辨率的磁强计表头，所述磁强计表头通过连接杆连接三维位移台。
2.根据权利要求1所述的集成磁通导引-聚集器的SERF原子磁强计测量装置，其特征在于，所述磁通导引-聚集器包括其细端用于与待测磁样品相抵近的磁场采集器，从所述磁场采集器的粗端轴向延伸的磁场传递器，以及从所述磁场传递器的端面一边轴向延伸一边径向收缩的磁场放大器，所述磁场放大器的细端粘接在所述磁强计探头的磁场输入界面上，所述磁场放大器的细端的端面尺度与所述磁强计探头中碱金属原子气室的端面尺度相匹配。
3.根据权利要求2所述的集成磁通导引-聚集器的SERF原子磁强计测量装置，其特征在于，所述磁通导引-聚集器是采用软磁铁氧体形成的一体化结构，所述磁场采集器的细端的端面尺度是亚毫米量级，所述磁通导引-聚集器的磁场汇聚放大效果具有以下表达式：
4.根据权利要求2所述的集成磁通导引-聚集器的SERF原子磁强计测量装置
5.根据权利要求1所述的集成磁通导引-聚集器的SERF原子磁强计测量装置，其特征在于，所述磁强计表头位于磁屏蔽装置内，所述磁强计探头通过各自的保偏光纤分别连接光电测控系统中的抽运激光模块和检测激光模块，所述磁强计探头通过数据传输线连接光电测控系统中的信号采集处理模块，所述磁强计探头连接上位机。
6.根据权利要求3所述的集成磁通导引-聚集器的SERF原子磁强计测量装置，其特征在于，包括以下公式：
7.根据权利要求2所述的集成磁通导引-聚集器的SERF原子磁强计测量装置，其特征在于，所述磁场放大器的细端通过紫外胶紧贴在所述磁强计探头的磁场输入界面上。
8.根据权利要求2所述的集成磁通导引-聚集器的SERF原子磁强计测量装置，其特征在于，所述磁场采集器的细端表面与待测磁样品的表面之间保持间距在1mm至1.5mm。
9.根据权利要求4所述的集成磁通导引-聚集器的SERF原子磁强计测量装置，其特征在于，所述气室电加热模块对碱金属原子气室进行加热，使碱金属蒸汽的原子数密度达到1013～1014个/cm3量级。
...【技术特征摘要】
1.一种集成磁通导引-聚集器的serf原子磁强计测量装置，其特征在于，包括在磁强计探头的磁场输入界面上设置磁通导引-聚集器，所述磁通导引-聚集器与所述磁强计探头的组合构成具备亚毫米空间分辨率的磁强计表头，所述磁强计表头通过连接杆连接三维位移台。
2.根据权利要求1所述的集成磁通导引-聚集器的serf原子磁强计测量装置，其特征在于，所述磁通导引-聚集器包括其细端用于与待测磁样品相抵近的磁场采集器，从所述磁场采集器的粗端轴向延伸的磁场传递器，以及从所述磁场传递器的端面一边轴向延伸一边径向收缩的磁场放大器，所述磁场放大器的细端粘接在所述磁强计探头的磁场输入界面上，所述磁场放大器的细端的端面尺度与所述磁强计探头中碱金属原子气室的端面尺度相匹配。
3.根据权利要求2所述的集成磁通导引-聚集器的serf原子磁强计测量装置，其特征在于，所述磁通导引-聚集器是采用软磁铁氧体形成的一体化结构，所述磁场采集器的细端的端面尺度是亚毫米量级，所述磁通导引-聚集器的磁场汇聚放大效果具有以下表达式：
4.根据权利要求2所述的集成磁通导引-聚集器的serf原子磁强计测量装置，其特征在于，所述磁强计探头包括壳体，所述壳体...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆吉玺，吴岳松，房建成，闫一凡，丁晓舒，周陈仪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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