CN108896945A - 一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，在传统的三轴恒定磁场线圈中，利用待测原子磁力仪、新增的恒定磁场线圈及信号处理电路B构成二级闭合反馈系统进一步抵消干扰磁场，将环境中的磁场噪声控制在待测原子磁力仪的灵敏度水平；待测原子磁力仪在所述环境下测量磁场波动，并对测量数据进行处理分析获得原子磁力仪的灵敏度指标。本发明能够进一步抵消干扰磁场，将稳恒磁场的噪声水平提高到待测磁力仪的灵敏度量级，进而测得待测原子磁力仪的灵敏度指标。

Description

一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法
技术领域
本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法。
背景技术
原子磁力仪利用了极化后原子的自旋来测量磁场，即测量其最外层电子自旋被极化后的原子在外磁场中的旋进，属于电子旋进磁力仪。原子磁力仪一般采用氦(4He)、气态碱金属元素(85Rb、87Rb、133Cs、39K)和汞蒸气(Hg)作为工作物质，是用于检测微弱磁场的新型磁力仪，具有非常高的灵敏度。原子磁力仪样机完成后需要对其技术指标进行标定，其中一项重要指标就是磁力仪的灵敏度。磁力仪的灵敏度一般采用其噪声功率谱来衡量，表征了磁力仪在不同频率点下可响应的最小量。标定磁力仪的灵敏度时，首先要制备一个高稳定性的恒定磁场，然后将原子磁力仪置于该稳恒磁场中，并连续测量一段时间，自动记录数据，利用数据进行噪声功率谱分析，读取噪声谱本底数据，最终获得磁力仪的灵敏度指标。
为了产生一个稳恒磁场，首先要解决的是地磁场以及外界环境所带来的各种成分复杂的磁场干扰，其次是产生高稳定性的恒定磁场。目前，产生的稳恒磁场的噪声水平在pT量级。但是，当标定的原子磁力仪的灵敏度指标为fT水平，放置于目前所制备的pT量级的稳恒磁场中时，高灵敏度原子磁力仪将不能被准确标定。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，进一步抵消干扰磁场，将稳恒磁场的噪声水平提高到待测磁力仪的灵敏度量级，进而测得待测原子磁力仪的灵敏度指标。
本发明的具体实施方案如下：
一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，在传统的三轴恒定磁场线圈中，利用待测原子磁力仪、新增的恒定磁场线圈及信号处理电路B构成二级闭合反馈系统进一步抵消干扰磁场，将环境中的磁场噪声控制在待测原子磁力仪的灵敏度水平；待测原子磁力仪在所述环境下测量磁场波动，并对测量数据进行处理分析获得原子磁力仪的灵敏度指标。
进一步地，所述三轴恒定磁场线圈包含两套绕组：一套用于抵消地磁场在三轴方向的分量，同时可以在三轴方向设置指定大小的恒定磁场；另一套用于与标准磁力仪、信号处理电路A构成一级闭合反馈系统，实时测量环境磁场波动并对环境磁场进行反馈补偿，抵消干扰磁场，将磁场噪声控制在pT量级水平。
进一步地，所述标准磁力仪采用光泵磁力仪。
有益效果：
1、本发明在原来的三轴恒定磁场线圈中再增加一套恒定磁场线圈，利用待标定的原子磁力仪构成另外一个闭合反馈系统，进一步抵消干扰磁场，将稳恒磁场的噪声水平提高到待测磁力仪的灵敏度量级。满足高灵敏度原子磁力仪的标定需求，进而测得待测原子磁力仪的灵敏度指标。
2、本发明所述的三轴恒定磁场线圈除了可以在三轴方向设置指定大小的恒定磁场外，还能够实时测量环境磁场波动，并通过线圈进行第一级反馈补偿，抵消干扰磁场，确保所设置磁场的稳定性。
3、本发明采用光泵磁力仪作为第一级反馈补偿系统中的测量装备，测量精度高，响应频带宽。
附图说明
图1是本发明方法的测量系统示意图。
其中，1-光泵磁力仪，2-三轴恒定磁场线圈，3-恒定磁场线圈，4-待测原子磁力仪。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，高灵敏度原子磁力仪指的是噪声水平高于pT量级的原子磁力仪，该方法的原理为采用两级补偿的方法，即在原来的三轴恒定磁场线圈中的一个绕组构成的一级补偿系统的内部，新构造一套恒定磁场线圈，利用待标定的原子磁力仪构成另外一个闭合反馈系统，进一步抵消干扰磁场，将环境磁干扰降低到与待测磁力仪自身噪声相当的水平，即产生一个环境磁场噪声接近于或低于fT量级的稳恒磁场，从而满足测试与标定的要求。该套系统的最佳性能与待测磁力仪的技术指标相当。
如图1所示，第一级补偿主要由三轴恒定磁场线圈2、光泵磁力仪1以及信号处理电路A组成。其中，三轴恒定磁场线圈2为1.5m×1.5m×1.5m的方形线圈，高精密电流源为其提供稳恒电流，电流测量模块测量线圈中电流的大小。光泵磁力仪1：其灵敏度为pT量级，标量磁力仪，作为第一级补偿系统的标准磁力仪，用于测量环境磁场，并将数据反馈给三轴恒定磁场线圈2，与第一级闭合反馈系统一起将环境磁场干扰补偿至pT水平。信号处理电路A：进行一级补偿时，用于对测得的磁场数据进行处理和分析。
第二级补偿主要由恒定磁场线圈3、待测原子磁力仪4及信号处理电路B组成。其中恒定磁场线圈3为1m×1m×1m的方形线圈，是第二级补偿系统的主体，只包含一套绕组，高精密电流源为其提供稳恒电流，电流测量模块测量线圈中电流的大小。它的磁场均匀区要求与三轴恒定磁场线圈2的均匀区尽可能重合。待测原子磁力仪4：灵敏度为fT量级，放置于恒定磁场线圈3的均匀区内，有两个功能，一个是作为第二级补偿系统的标准磁力仪，与第二级闭合反馈系统一起将环境磁场噪声补偿至fT水平；另一个是待测的高灵敏度的原子磁力仪。信号处理电路B：进行二级补偿时，用于对测得的磁场数据进行处理和分析。
在原有的三轴恒定磁场线圈2等构成的一级补偿系统的基础上，在其内部新构造一套恒定磁场线圈3，通过无磁工装使两者的磁场中心均匀区最大程度的重合，并采用待测原子磁力仪4作为环境磁干扰测量设备，与新构建的恒定磁场线圈3组成第二级磁补偿系统，将环境磁干扰降低到与待测磁力仪自身噪声相当的水平，从而满足测试与标定的要求。该套系统的最佳性能与待测磁力仪的技术指标相当。
当待测的原子磁力仪的灵敏度指标进行标定时，首先采用磁通门磁力仪测量环境磁场在三轴方向的分量，通过三轴恒定磁场线圈2将三个轴向的分量抵消到零，在中心区形成一个近似“零磁”空间，然后调节该线圈形成一个恒定磁场。开启三轴恒定磁场线圈2的第一级闭合反馈系统，通过光泵磁力仪1实时测量环境磁场波动，由信号处理电路A进行处理分析，然后调节三轴恒定磁场线圈2中的电流大小进行反馈补偿，抵消干扰磁场，将环境磁场噪声补偿到pT水平。
待磁场初步稳定后，开启内层放置的恒定磁场线圈3构成的第二级闭合反馈系统，将环境噪声补偿到与待测原子磁力仪4噪声相当的水平，即fT量级水平。待磁场稳定后，利用待测原子磁力仪4连续测量30分钟，记录数据并利用数据进行快速傅里叶变换和噪声功率谱分析，读取噪声谱本底数据，最终获得待测原子磁力仪4的灵敏度指标。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，其特征在于，在传统的三轴恒定磁场线圈中，利用待测原子磁力仪、新增的恒定磁场线圈及信号处理电路B构成二级闭合反馈系统进一步抵消干扰磁场，将环境中的磁场噪声控制在待测原子磁力仪的灵敏度水平；待测原子磁力仪在所述环境下测量磁场波动，并对测量数据进行处理分析获得原子磁力仪的灵敏度指标。
2.如权利要求1所述的高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，其特征在于，所述三轴恒定磁场线圈包含两套绕组：一套用于抵消地磁场在三轴方向的分量，同时可以在三轴方向设置指定大小的恒定磁场；另一套用于与标准磁力仪、信号处理电路A构成一级闭合反馈系统，实时测量环境磁场波动并对环境磁场进行反馈补偿，抵消干扰磁场，将磁场噪声控制在pT量级水平。
3.如权利要求2所述的高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，其特征在于，所述标准磁力仪采用光泵磁力仪。
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