磁场自动化调节方法、计算机设备和介质
技术领域
本申请涉及磁场控制领域,特别是涉及一种磁场自动化调节方法、计算机设备和介质。
背景技术
光探测磁共振(Optical Detected Magnetic Resonance,简称ODMR)是指应用金刚石氮-空位结构(简称NV色心)开发出来的一种量子科学技术。光探测磁共振谱仪就是基于该技术开发的一套科学仪器。作为量子科学技术的重点方向之一,光探测磁共振谱仪被广泛应用于量子精密测量,量子计算等领域,带动了物理学、材料科学、生物学等应用领域的发展。光探测磁共振的磁体系统的作用是给目标样品区域提供一个特定磁场。目前对特定磁场的调节过程需要人为调节,过程麻烦且耗时。
发明内容
基于此,有必要针对特定磁场的调节过程需要人为调节,过程麻烦且耗时问题,提供一种磁场自动化调节方法、计算机设备和介质。
一种磁场自动化调节方法,所述方法包括:
S10,确定目标区域和对所述目标区域施加的目标磁场;
S20,通过磁铁对所述目标区域施加待定磁场;
S30,通过测量金刚石氮-空位结构的光探测磁共振谱测量所述待定磁场;
S40,判断所述待定磁场相对于所述目标磁场的误差是否大于预设误差,是则根据所述预设误差移动所述磁铁的位置;
S50,继续测量所述待定磁场,若所述待定磁场相对于所述目标磁场的误差仍大于所述预设误差,则继续执行步骤S40的步骤。
在一个实施例中,所述待定磁场包括用以反映所述待测磁场大小的待定大小参数和用以反映所述待测磁场方向的待定方向参数,所述目标磁场包括目标大小参数和目标方向参数,所述步骤S40包括:
S410,测量未施加所述磁铁时所述目标区域的所述光探测磁共振谱,得到零磁场时微波与所述金刚石氮-空位结构的共振频率;
S420,通过所述磁铁给所述目标区域施加所述待定磁场,并记录所述磁铁相对于所述目标区域的位置;
S430,测量所述目标区域的所述光探测磁共振谱,并获得所述光探测磁共振谱谱线的待测左侧荧光最低点和待测右侧荧光最低点;
S440,根据所述待测左侧荧光最低点和所述待测右侧荧光最低点得到所述待定方向参数相对于所述目标方向参数的方向误差,以及所述待定大小参数相对于所述目标大小参数的大小误差;
当所述大小误差和所述方向误差至少一个大于所述预设误差时,则根据所述预设值误差的大小移动所述磁铁的位置。
在一个实施例中,所述则根据所述预设值误差的大小移动所述磁铁的位置包括:
S441,随机移动所述磁铁的方向;
S442,通过比例-积分-微分控制器算法,将所述磁铁的偏移量作为输入量,将所述磁铁的移动距离作为输出量调整所述磁铁的位置。
在一个实施例中,所述当所述大小误差和所述方向误差至少一个大于所述预设误差时,则根据所述预设值误差的大小移动所述磁铁的位置包括:
S441,当所述大小误差小于所述预设误差时,执行步骤S442;
S442,判断所述方向误差相对于预设误差的大小;
S443,当所述方向误差小于所述预设误差时,确定所述待定磁场为所述目标磁场。
在一个实施例中,所述步骤S442,判断所述方向误差相对于预设误差的大小后还包括:
S444,当所述方向误差大于所述预设误差时,则根据所述预设误差移动所述磁铁的位置。
在一个实施例中,还包括:
S445,当所述大小误差大于所述预设误差时,调整移动所述磁铁的位置,直到所述大小误差小于所述预设误差,再执行所述步骤S442。
其中,判断所述大小误差和所述方向误差的顺序可以互换。
在一个实施例中,在所述步骤S10中所述确定所述目标区域施加的目标磁场包括:
S110,确定所述目标磁场对应的光探测磁共振谱;
S120,根据所述光探测磁共振谱确定所述目标磁场的大小和方向。
在一个实施例中,所述步骤S120包括:
根据所述光探测磁共振谱谱线确定目标左侧荧光最低点和目标右侧荧光最低点,确定所述目标磁场的目标大小参数和目标方向参数。
在一个实施例中,所述目标磁场的目标大小参数
所述目标磁场的目标方向参数
其中,set_dipleft代表所述光探测磁共振谱谱线的左侧荧光最低点;
set_dipright代表所述光探测磁共振谱谱线的右侧荧光最低点。
一种计算机设备,包括存储器及处理器,所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中任一项所述的方法的步骤。
本申请实施例提供的所述磁场自动化调节方法,首先确定目标区域和对所述目标区域施加的目标磁场。然后通过磁铁对所述目标区域施加待定磁场;再通过测量金刚石氮-空位结构的光探测磁共振谱测量所述待定磁场;若所述待定磁场相对于所述目标磁场的误差大于预设误差,则根据所述预设误差移动所述磁铁的位置,直到所述待定磁场相对于所述目标磁场的误差达到预设误差之内为止。因此所述磁场自动化调节方法简单方便,能够提高工作效率。
附图说明
图1为本申请实施例提供的磁场自动化调节方法流程图;
图2为本申请实施例提供的微波频率-磁场-荧光强度关系图;
图3为本申请实施例提供的磁谱仪磁铁调试装置示意图;
图4为本申请另一个实施例提供的磁谱仪磁铁调试装置示意图;
图5为本申请实施例提供的光探测磁共振磁谱仪示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下通过实施例,并结合附图,对本申请的磁场自动化调节方法、计算机设备和介质进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
本文中为部件所编序号本身,例如“第一”、“第二”等,仅用于区分所描述的对象,不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”,如无特别说明,均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
请参见图1,本申请实施例提供一种磁场自动化调节方法。所述磁场自动化调节方法包括:
S10,确定目标区域和对所述目标区域施加的目标磁场;
S20,通过磁铁对所述目标区域施加待定磁场;
S30,通过测量金刚石氮-空位结构的光探测磁共振谱测量所述待定磁场;
S40,判断所述待定磁场相对于所述目标磁场的误差是否大于预设误差,是则根据所述预设误差移动所述磁铁的位置;
S50,继续测量所述待定磁场,若所述待定磁场相对于所述目标磁场的误差仍大于所述预设误差,则继续执行步骤S40的步骤。
所述步骤S10中,所述目标区域为需要加磁场的区域。所述目标磁场为提前设定的施加在所述目标区域的磁场。包括磁场的大小和方向。
所述步骤S20中,确定目标区域后,将磁铁作为磁场的来源靠近所述目标区域,并产生磁场。
所述步骤30中,所述待定磁场包括所述待定磁场的大小和方向。通过内部含有金刚石氮-空位结构(NV色心)量子传感器中的自旋与微波场相互作用的原理,实现对所述待测磁场的标定。NV色心的基态能级为三重态,并且存在2.87GHz的零场劈裂。即当外界微波频率为2.87GHz时,NV色心电子基态能级将发生共振。当用532nm的绿色激光照射金刚石量子传感器的时候,内部NV色心电子自旋将由基态被激发到激发态。由于NV色心特有的激发态能级结构,在电子自旋回到基态时会发出一定强度的荧光。如果基态自旋是ms=0,则发出的荧光比较强;如果基态自旋是ms=±1,那么发出的荧光比较弱。通过扫描微波频率,可以得到NV色心的光探测磁共振谱。谱线中荧光最低点即为外界微波频率点,也就是共振点。在测出共振频率后,根据功率频率的差值可以确定外磁场的大小。
在一个实施例中,具体包括:
对NV色心照射波长为532nm的绿色激光,将NV色心的初态极化到ms=0;
所述绿色激光照射的同时,对NV色心施加微波,并改变微波的频率,用光电探测器收集NV色心发出的荧光;其中,微波的频率范围与所述目标磁场的大小相关。
当微波的频率与NV色心的能级共振时,NV色心的自旋态会发生跃迁,从ms=0跃迁到ms=±1。跃迁后,NV色心发出的荧光亮度会降低;
请参见图2,记录微波频率和荧光强度之间的关系,就可以得到如图所示的光探测磁共振谱。所述光探测磁共振谱谱线上的两个低谷之间的频率差,正比于所述待测磁场大小,通过频率差值可以计算出磁场值。如果所述待测磁场平行于NV轴向,则两个低谷对应的频率中间值是2870MHz。如果中间值偏离2870MHz,则表示方向与NV轴向有偏离。因此,通过所述光探测磁共振谱可以得到所述待测磁场的大小和方向。
所述步骤S40中,所述待定磁场相对于所述目标磁场的误差包括大小误差和方向误差。移动所述磁场的距离、方向和速度可以根据所述误差的大小调整。
所述步骤S50中,当所述待定磁场相对于所述目标磁场的误差无法达到所述预设误差之内时,则继续调整所述磁铁的位置,直至所述待定磁场相对于所述目标磁场的误差达到预设误差之内为止。
本申请实施例提供的所述磁场自动化调节方法,首先确定目标区域和对所述目标区域施加的目标磁场。然后通过磁铁对所述目标区域施加待定磁场;再通过测量金刚石氮-空位结构的光探测磁共振谱测量所述待定磁场;若所述待定磁场相对于所述目标磁场的误差大于预设误差,则根据所述预设误差移动所述磁铁的位置,直到所述待定磁场相对于所述目标磁场的误差达到预设误差之内为止。因此所述磁场自动化调节方法简单方便,能够提高工作效率。
在一个实施例中,所述待定磁场包括用以反映所述待测磁场大小的待定大小参数和用以反映所述待测磁场方向的待定方向参数,所述目标磁场包括目标大小参数和目标方向参数,所述步骤S40包括:
S410,测量未施加所述磁铁时所述目标区域的所述光探测磁共振谱,得到零磁场时微波与所述金刚石氮-空位结构的共振频率ν0;
S420,通过所述磁铁给所述目标区域施加所述待定磁场,并记录所述磁铁相对于所述目标区域的位置;
S430,测量所述目标区域的所述光探测磁共振谱,并获得所述光探测磁共振谱谱线的待测左侧荧光最低点dipleft和待测右侧荧光最低点dipright;
S440,根据所述待测左侧荧光最低点dipleft和所述待测右侧荧光最低点dipright得到所述待定方向参数相对于所述目标方向参数的方向误差,以及
所述待定大小参数相对于所述目标大小参数的大小误差,当所述大小误差和所述方向误差至少一个大于所述预设误差时,则根据所述预设值误差的大小移动所述磁铁的位置。
在所述步骤S410中,所述共振频率ν0的大小可以反映未加磁铁时所述目标区域的方向。
所述步骤S420中,所述磁铁相对于所述目标区域的位置作为调整所述磁铁的起始点。
所述步骤S440中,所述方向误差可以表示为所述待测大小参数表示为所述方向误差可以表示为|size-set_size|。其中,set_size表示目标大小参数。
在一个实施例中,所述则根据所述预设值误差的大小移动所述磁铁的位置包括:
S441,随机移动所述磁铁的方向;
S442,通过比例-积分-微分控制器算法,将所述磁铁的偏移量作为输入量,将所述磁铁的移动距离作为输出量调整所述磁铁的位置。
所述磁铁的移动距离通过比例-积分-微分(PID)算法控制。
控制量为所述磁铁的偏移量
输出量为所述磁铁的和移动距离
通过比例-积分-微分控制器算法能够对所述磁铁的位置和方向不断反馈调整,能够快速使得所述磁铁达到预定的状态,从而使得所述待测磁场达到所述目
在一个实施例中,所述当所述大小误差和所述方向误差至少一个大于所述预设误差时,则根据所述预设值误差的大小移动所述磁铁的位置包括:
当本次测量的所述大小误差和所述方向误差均大于前次测量的所述大小误差和方向误差,则将所述磁铁前次调整的位置作为下次调整的初始位置;
当本次测量的所述大小误差和所述方向误差均于前次测量的所述大小误差和方向误差,则将所述磁铁本次调整的位置作为下次调整的初始位置。
本实施例中,通过所述大小误差和所述方向误差的变化调整所述磁铁在下次测量调整使的初始位置,可以进一步缩小所述磁铁的移动距离和范围,从而提高所述磁铁移动精度和效率。
在一个实施例中,在所述步骤S10中所述确定所述目标区域施加的目标磁场包括:
S110,确定所述目标磁场对应的光探测磁共振谱;
S120,根据所述光探测磁共振谱确定所述目标磁场的大小和方向。
本实施例中,根据所述光探测磁共振谱确定所述目标磁场的大小和方向的方法可以与上述实施例相同,这里不再赘述。
在一个实施例中,所述步骤S120包括:
根据所述光探测磁共振谱谱线确定目标左侧荧光最低点set_dipleft和目标右侧荧光最低点set_dipright,确定所述目标磁场的大小参数和方向参数。
在一个实施例中,所述目标磁场的目标大小参数所述目标磁场的目标方向参数
其中,set_dipleft代表所述光探测磁共振谱谱线的左侧荧光最低点;
set_dipright代表所述光探测磁共振谱谱线的右侧荧光最低点。
在一个实施例中,所述步骤S40中,当所述待定磁场相对于所述目标磁场的误差小于预设误差时,确定所述待定磁场为所述目标磁场。
本申请实施例还提供一种计算机设备,包括存储器及处理器,所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例所述方法的步骤。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的方法的步骤。
请参见图3-4,本申请实施例提供一种磁谱仪磁铁调试装置10。所述磁谱仪磁铁调试装置10包括第一横向位移组件200、第二横向位移组件300、竖向位移组件400和磁铁安装装置430。所述第一横向位移组件200设置于所述底座100。所述第二横向位移组件300设置于所述第一横向位移组件200。所述第一横向位移组件200用以带动所述第二横向位移组件300在第一方向运动。所述竖向位移组件400设置于所述第二横向位移组件300。所述第二横向位移组件300用以带动所述竖向位移组件400在第二方向运动。所述磁铁安装装置430设置于所述竖向位移组件400。所述竖向位移组件400用以带动所述磁铁安装装置430在第三方向运动。其中,所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向相互交叉。
本申请实施例中,所述磁谱仪磁铁调试装置10可以用来调整磁铁510的位置。通过调整磁铁510的位置可以改变由所述磁铁510带来磁场的大小和方向。因而通过所述磁谱仪磁铁调试装置10调试所述磁铁510的位置可以调整磁场以符合要求。
所述底座100用于固定所述磁谱仪磁铁调试装置10。所述底座100可以包括底板412,以及设置于所述底板412的多个间隔设置的支撑腿。是底座100的品质可以较大,因而可以降低所述磁谱仪磁铁调试装置10的重心,提高所述磁谱仪磁铁调试装置10的稳定性。所述磁铁安装装置430可以用于安装磁铁510。
可以理解,所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向相互交叉。因而以所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向的交叉点为远点可以构成一个坐标系。当所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向相互垂直时,所述坐标系可以为直角坐标系。
所述第一横向位移组件200可以带动所述第二横向位移组件300和所述竖向位移组件400在所述第一方向运动。所述第二横向位移组件300可以带动所述竖向位移组件400在所述第二方向运动。所述竖向位移组件400可以带动所述磁铁安装装置430相对于所述第一横向位移组件200和所述第二横向位移组件300在所述第三方向运动。因而,通过调节所述第一横向位移组件200、所述第二横向位移组件300、以及所述竖向位移组件400,可以分别调整所述磁铁安装装置430在所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向的位置。因而可以调整所述磁铁安装装置430在所述坐标系中的位移。
本申请实施例提供的所述磁谱仪磁铁调试装置10,通过调节所述第一横向位移组件200、所述第二横向位移组件300、以及所述竖向位移组件400,可以分别调整所述磁铁安装装置430在所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向的位置。因而可以灵活精确调整所述磁铁安装装置430在所述坐标系中的位移,精确度高,能够提高工作效率。
在一个实施例中,所述第一横向位移组件200包括第一底板210、第一滑轨220和第一驱动装置230。所述第一滑轨220设置于所述第一底板210,并沿所述第一方向设置。所述第一驱动装置230设置于所述第一底板210,并与所述第二横向位移组件300传动连接,所述第一驱动装置230用以带动所述第二横向位移组件300在所述第一滑轨220表面运动。
本实施例中,所述第一底板210可以为金属、聚酯等硬质材料。所述第一滑轨220可以为两条并排的轨道。所述轨道可以设置于所述第一底板210的表面。第一轨道延伸的方向即为所述第一方向。所述第一驱动装置230可以做为所述第二横向位移组件300在所述第一方向移动的动力。所述第一驱动装置230为机械驱动装置、电驱动装置等。所述第一驱动装置230与所述第二横向位移组件300传动连接的方式可以为齿轮传动连接、机械传动连接、气动传动连接等。
在一个实施例中,所述第一驱动装置230包括电机232、螺杆234。所述电机232可以为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。所述电机232可以驱动所述螺杆234转动。所述螺杆234转动可以驱动所述第二横向位移组件300在所述第一方向运动。通过螺杆234驱动所述第二横向位移组件300在所述第一方向运动可以精确控制运动步长,且成本低。
在一个实施例中,所述第一驱动装置230还包括细调旋钮236。所述细调旋钮236与所述螺杆234远离所述电机232的一端连接。通过所述细调旋钮236可以缓慢控制所述螺杆234的旋转速度。因而可以精确控制所述第二横向位移组件300在所述第一方向的运动长度。可以理解,所述细调旋钮236可以通过手动控制,也可以通过单片机等自动化控制。
在一个实施例中,述第二横向位移组件300包括第二底板320。所述第二底板320沿着所述第一方向设置有螺孔330。所述螺孔330用于与所述螺杆234配合。可以理解,所述第二底板320可以具有一定厚度。在所述第二底板320的长度或者宽度发方向可以形成所述螺孔330。所述螺杆234可以插入所述螺孔330,并可以在所述螺孔330旋拧。
在一个实施例中,所述第二横向位移组件300还包括第二滑道310。所述第二滑道310设置于所述第二底板320的表面,用于与所述第一滑轨220配合。所述第二滑道310用于将所述第二横向位移组件300限制在所述第一方向运动。所述第二滑道310可以具有两个平行且沿着所述第一方向延伸的凹槽。所述凹槽可以与所述第一滑轨220的两个轨道相配合,即一个是轨道可以嵌入一个所述凹槽。通过所述凹槽可以固定所述第一轨道的两个滑轨的位置。可以理解,所述第二横向位移组件300也可以采用与所述第一横向位移组件200相似或者相同的轨道结构、驱动装置驱动所述竖向位移组件400在所述第二方向运动。这里不再赘述。
在一个实施例中,所述竖向底座410包括底板412、支撑架414和加强筋416。所述支撑架414设置于所述底板412。所述,所述第三滑轨420设置于所述支撑架414。所述加强筋416支撑于所述底板412和所述支撑架414之间。
本实施例中,所述底板412可以为长方体、圆柱体等结构。所述支撑架414可以垂直于所述底板412设置。所述支撑架414可以为平板结构。所述支撑架414上可以设置所述第三滑轨420。所述第三滑轨420的方向可以沿着垂直重力的方向。所述加强筋416的一端支撑于所述支撑架414远离所述第三滑轨420的一侧。所述加强筋416的另一端可以固定于所述底板412。通过所述加强筋416可以加强所述底板412和所述支撑架414之间的连接强度,避免所述支撑架414变形。所述加强筋416可以为镂空结构,因而在保证强度的同时,可以减轻重量,降低所述磁谱仪磁铁调试装置10的重心。
在一个实施例中,所述磁铁安装装置430还包括安装板432和夹取装置434。所述第三滑轨420通过所述安装板432带动所述磁铁安装装置430在所述第三方向运动。所述夹取装置434设置于所述安装板432的一侧。所述夹取装置434用于安装磁铁510。所述安装板432可以与所述底板412平行设置。所述夹取装置434可以设于所述安装板432靠近所述底板412的一侧。所述夹取装置434可以夹取所述磁铁510。在所述安装板432背离所述夹取装置434的一侧也可以设置加强结构,以避免所述安装板432下坠。
请参见图5,本申请实施例还提供一种光探测磁共振磁谱仪20。所述光探测磁共振磁谱仪20包括上述实施例所述的磁谱仪磁铁调试装置10。所述光探测磁共振磁谱仪20还包括磁铁510、金刚石氮-空位结构量子激光器520、微波脉冲模块530和光学模块540。所述磁铁510用于调整目的地区域的磁场。所述微波脉冲模块530,用于向所述金刚石氮-空位结构量子激光器520发射微波。所述光学模块540用于向所述金刚石氮-空位结构量子激光器520发射激光,并接收由所述金刚石氮-空位结构量子激光器520发出的荧光。金刚石氮-空位结构量子激光器520可以为内部含有金刚石氮-空位结构(NV色心)的量子传感器。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。