CN112513623B - 用于检测物质响应的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种检测物质响应的方法。该方法包括提供振荡的初级磁场以引起样品产生次级磁场。该方法还包括在基本垂直于样品表面的方向上减小初级磁场和次级磁场的分量对原子磁力计的影响。该方法还包括用原子磁力计检测次级磁场以检测物质响应。

Description

用于检测物质响应的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于检测物质响应的方法和系统。
发明内容
本发明的各方面试图提供一种改进的用于检测物质响应的方法和系统。
根据本发明的一方面，提供一种检测物质响应的方法，包括：
提供振荡的初级磁场以引起样品产生次级磁场；
在基本垂直于样品表面的方向上减小由初级磁场和次级磁场的分量对原子磁力计的影响；以及
用所述原子磁力计检测所述次级磁场以检测物质响应。
根据本发明的一方面，提供一种用于检测物质反应的系统，包括：
磁场源，用于提供振荡的初级磁场以使样品产生次级磁场；以及
原子磁力计，用于检测所述次级磁场，以检测物质响应；
其中，所述系统被配置为在基本垂直于所述样品表面的初级方向上减小由所述初级磁场和次级磁场的分量对所述原子磁力计的影响。
本发明实施例的可选特征提供在从属权利要求中。
根据本发明的一方面，提供一种检测物质响应的方法，包括：
提供振荡的初级磁场以引起样品产生次级磁场；
调制原子磁力计的偏置磁场；以及
用所述原子磁力计检测所述次级磁场以检测物质响应。
在一些实施例中，所述初级磁场的振荡频率被固定。
在一些实施例中，偏置磁场的调制频率小于初级磁场的振荡频率，优选地，其幅度量级小于初级磁场的振荡频率。
在一些实施例中，该方法包括对原子磁力计响应于次级磁场的检测而提供的信号进行解调，以确定幅度和/或相位。
在一些实施例中，该方法包括参考初级磁场的振荡频率，对由原子磁力计响应于次级磁场的检测而提供的信号进行解调，以提供部分解调信号。
在一些实施例中，该方法包括参考偏置磁场的调制频率对部分解调信号进行解调，以确定由原子磁力计响应于次级磁场的检测而提供的信号的幅度和/或相位。
根据本发明的一方面，提供一种用于检测物质反应的系统，包括：
原子磁力计，用于检测所述次级磁场，以检测物质响应；该原子磁力计包括用于提供偏置磁场的偏置磁场源；以及
用于调制偏置磁场的调制器。
在一些实施例中，该系统包括用于提供振荡的初级磁场的初级磁场源。
在一些实施例中，该系统包括解调器结构，用于确定由原子磁力计响应于次级磁场的检测而提供的信号的幅度和/或相位。
在一些实施例中，该解调器结构包括接收器，用于接收由原子磁力计响应于次级磁场的检测而提供的信号，并且被配置为参考一个或该初级磁场的振荡频率对该信号进行解调以提供部分解调信号。
在一些实施例中，解调器结构包括用于从调制器接收调制信号的接收器，并且被配置为参考调制信号来解调部分解调信号，以允许确定部分解调信号的幅度和/或相位。
在一些实施例中，偏置磁场源包括线圈结构。
独立方法权利要求和本发明其他方面的方法，以及可选地还可以将任何一项或多项从属权利要求的特征和/或本发明各方面的可选特征组合在本发明的实施例中。
独立系统权利要求和本发明其他方面的系统，以及可选地还可以将任何一项或多项从属权利要求的特征和/或本发明方面的可选特征组合在本发明的实施例中。
物质响应可以是样品对初级磁场的响应，并且这可以包括原子响应、磁化、涡流和其他响应。次级磁场可以指示物质响应，并且在一些实施例中，物质响应可以包括或者可以是次级磁场。
提供补偿磁场可以包括操作补偿线圈结构以产生补偿磁场。
在一些实施例中，该方法可以包括改变或调整与补偿线圈结构的一个或多个线圈的原子磁力计的检测单元的一个或多个距离，以减小初级磁场和/或次级磁场的一个或多个分量对原子磁力计的影响。例如，为了减小初级磁场和/或次级磁场的任何分量对原子磁力计的影响，该方法可以包括改变或调整距补偿线圈的检测单元的距离，该补偿线圈在该分量方向上具有轴。
优选地，补偿磁场是振荡磁场。
优选地，使补偿磁场以与初级磁场相同的频率进行振荡，使得它们之间保持恒定的相位差。
提供基本垂直于样品表面的振荡的初级磁场以引起样品产生次级磁场可以包括操作射频线圈结构以提供初级磁场。
在一些实施例中，用于提供振荡的初级磁场的磁场源包括具有或不具有实心芯的射频线圈。
在一些实施例中，初级磁场以射频频率振荡，例如在1Hz至1GHz的范围内。
在一些实施例中，用于提供振荡的初级磁场的磁场源可以被配置为完全设置在样品表面的一侧。
在一些实施例中，该系统可以被配置为完全设置在样品表面的一侧。
该方法和/或系统可以用于出于各种目的检测物质响应，例如用于物质缺陷成像和/或用于检测物质的电导率和磁导率。
在一些实施例中，该方法和/或可用于绝缘检测(CUI)下的腐蚀。在一些实施例中，该方法和/或系统可用于检测钢筋混凝土结构的状况。在一些实施例中，该方法和/或系统可以用于对象的定位。
在一些实施例中，原子磁力计是射频原子磁力计。
在一些实施例中，样品具有较高的磁导率，并且次级磁场主要由次级磁化强度决定。然而，在其他实施例(高导电性样品)中，次级磁场由涡流产生的场主导。
一些实施例可以利用射频原子磁力计来改善物质缺陷成像。
附图说明
下面仅通过示例的方式，参考附图描述本发明的实施例。
图1(a)显示了根据本发明实施例的用于检测物质响应的系统。
图1(b)显示了铯跃迁。
图1(c)显示了如何在某些情况下形成次级磁场。
图2显示了在图1的实施例中，当线圈沿y轴移动穿过凹槽的中心时，对次级场分量by和bz(分别用红色虚线和蓝色实线标记)的仿真。在凹槽边界内的by和bz的最大值称为by,max和bz,max。
图3显示了由磁力计针对初级场分量的各种幅度记录的凹槽上的磁共振信号的信号相位(黑色虚线)和幅度(红色实线)的建模变化。图像阵列的垂直轴表示初级场的垂直分量的变化，而水平轴表示初级场的水平分量的变化。单位幅度表示为by,max和bz,max。
图4显示了从补偿点针对垂直线圈(蒸汽单元上方的补偿线圈)的不同位置测量的(a)幅度和(b)相位的对比。对于垂直线圈的每个位置，调整水平线圈的位置以获得对称曲线。(a)中的绿色方块代表射频光谱信号幅度的变化。蓝色/红色实线表示在没有补偿场的情况下的幅度/相位的对比。
图5:
(a)-(c)/(g)-(i)：在6mm厚的碳钢板的64×64mm2区域上测量的射频光谱信号的幅值/相位变化，该碳钢板包含直径为24mm深度为2.4mm的凹槽，记录为补偿点周围的补偿射频场的三个水平分量值。
(d)-(f)/(j)-(l)：穿过振幅/相位图像中心的垂直横截面。
以114.2kHz对图像进行了记录。
图6显示了根据本发明另一实施例的实验设置。
图7显示了在6mm厚的铝板的64×64mm2区域上测量的频率光谱信号的幅度变化，该铝板包含直径为24mm深度为2.4mm的凹槽，并记录了三种测量配置：(a)没有频率场补偿，(b)带有用两个射频线圈进行的补偿(图1)，以及(c)带有旋转偏置磁场和补偿线圈(图6)。
图8是本发明实施例的系统图。
图9显示了扫描图。
图11和12是本发明的实施例的系统图。
具体实施方式
在本发明的实施例中，可以用射频原子磁力计通过记录对射频激励场的物质响应来实现结构缺陷的成像。下面描述的是两个测量配置示例，可增强表示顺磁和铁磁样本中结构缺陷的图像的幅度和相位的对比度。这两个例子都涉及从原子磁力计信号中消除激励场分量。第一个示例由一组线圈实现，直接补偿磁力计信号中的励磁场。第二个示例利用的事实是，射频磁力计对沿其轴线之一振荡的磁场不敏感。确认实验观察的建模结果将详细讨论。
可以参考Bevington、Patrick&Gartman、Rafal&Chalupczak、Witold &Deans、Cameron&Marmugi、Luca&Renzoni、Ferruccio.(2018)的“使用原子磁强计对钢结构进行非破坏性结构成像”(论文1)，其可以在如下链接中找到：https://www.researchgate.net/ publication/326060467_Non-Destructive_Structural_Imaging_of_Steelwork_with_ Atomic_Magnetometers，其公开内容通过引用整体并入本文。
也可以参考Bevington、Gartman&Chalupczak的“用射频原子磁力计对物质缺陷成像”科学仪器评论90,013103(2019)；doi 10.1063/1.5053959 (论文2)，其版本被附记为主张优先权的英国专利申请号GB1811928.9和 GB1813858.6的附件1，其公开内容通过引用整体并入本文。
论文1和论文2提供了本发明的背景，并且论文1或论文2中描述的任何结构或方法特征或应用都可以通过修改或添加而应用于本发明的实施例。
在无损检测中应用射频磁场为结构缺陷检测提供了具有成本效益的选择，尤其是在无法直接到达被研究样品表面的情况下。该技术可以涉及监视物质对由射频线圈[1]产生的所谓的初级磁场
Figure BDA0002897326620000061
作出的响应。可以以多种方式来检测物质响应。传统上，这是通过监视射频线圈(或专用拾波线圈)[1-5]的阻抗来实现的。但是，在低频测量中，信号灵敏度的下降会超过这种测量仪器的简便性。其他选择包括应用磁传感器，例如：巨磁阻 (GMR)磁力计[6-8]，超导量子干扰设备(SQUID)[9-10]和射频磁力计 [11-14]。磁场传感器直接监视介质中所谓的次级磁场/>
Figure BDA0002897326620000062
的响应。次级磁场是由初级磁场通过在高导电性样品中激发的涡流或在具有高磁导率的样品中感应的磁化强度产生的[15]，并包含样品中不均匀性/结构缺陷的特征。
本发明的实施例利用射频原子磁力计，并且可以用于物质缺陷成像。
如上所述，本发明的实施例增加了系统输出的幅度和/或相位的对比度。
在一些实施例中，这是通过减小在基本垂直于样品表面的方向上对初级磁场和次级磁场的分量对原子磁力计的影响来实现的。下面结合两个实施例对此进行描述，这两个实施例都涉及从原子磁力计信号中沿基本垂直于样本表面的方向消除初级场分量和次级场分量。
在此示出，从磁力计信号中消除初级场分量显著地增加了图像的相位 /幅度的对比度。这可以在大面积样品的非破坏性测试中提供相对快速的缺陷指示。在顺磁性(铝)和铁磁性(碳钢)样品的背景下探讨了这些构思。
从图1(a)中可以看出，本发明的实施例包括系统10，该系统包括射频原子磁力计12和用于提供以射频频率振荡的初级磁场的初级磁场源14。在该实施例中，初级磁场源14为射频线圈。然而，在其他实施例中可以使用其他磁场源。
在该实施例中，射频线圈14是1000匝线圈，具有0.02mm的线，缠绕在2mm的塑料芯(内径)上，并且具有4mm的宽度(外径)和10mm 的长度。
样品应该是导电的(尽管不一定是高度导电的)和/或应该具有磁导率，以便能够被磁化。
射频线圈14被与样品16相邻配置，但是可以完全在其一侧上并且以不重叠的关系放置，并且可以被操作以产生振荡的初级磁场以引起样品产生次级磁场。次级磁场指示样品的物质响应。参考图1(c)。
原子磁力计用于检测次级磁场。
值得注意的是，铁磁靶会产生两种类型的次级磁场：
·与所施加的初级磁场方向相同的次级磁场——次级磁化强度，和
·与所施加的初级磁场方向相反的涡流感应磁场——涡流感应磁场。
图1(a)显示了实验设置的主要组成部分。在此示例中，次级磁场是由射频线圈产生的初级磁场在样品(在本例中为具有48mm直径和2.4mm 深度的凹槽的铝板)中激发的涡流中产生的。原子磁力计信号通常会结合由射频线圈生成的初级磁场和次级磁场产生的分量。
在本说明书中，z方向是与样品的表面垂直的方向，x和y方向是与样品的表面平行的相互垂直的方向。
原子磁力计的细节描述在W.Chalupczak、R.M.Godun、S.Pustelny和 W.Gawlik在应用物理快报100,242401(2012)中的论文中，通过引用将其全部内容并入本文。由于实验设置类似于[17,15]中描述的设置，因此这里仅简要讨论一些组件。
原子磁力计12包括检测单元20，在本实施例中，为1cm3的石蜡涂层玻璃单元，包含室温的铯原子蒸气(其原子密度nCs＝3.3×1010cm-3)。
磁力计包括用于在检测单元20上沿偏置磁场方向提供偏置磁场26的偏置磁场源24(图1(a)中未示出)。
为了对样品产生的环境场和任何残余直流磁场进行主动补偿，磁力计包括位于蒸气室20旁的磁通门25和三个PID单元(在此实施例中为SRS 960)。在该实施例中，磁通门是巴庭顿(Bartington)公司的Mag690。在对环境场进行被动和主动补偿的情况下，射频频谱图的线宽约为30Hz。检测单元20的小尺寸可以提供对环境场梯度的部分免疫力。
磁力计包括泵浦激光器22，用于为用圆极化泵浦激光束28泵浦检测单元20中的原子，在本实施例中为377μW，频率锁定到铯6 2S1/2F＝3→ 6 2P3/2F’＝2沿偏置磁场26传播的跃迁(D2线，852nm)。
原子磁力计包括探针激光器30，用于为利用线性极化的探针激光束32 相位偏移地锁定到泵浦束并且垂直于偏置磁场26，来探测检测单元20中的原子自旋进动。
原子磁力计包括平衡极化仪34，用于接收穿过检测单元20后的探测激光束并检测法拉第旋转。平衡极化仪用于提供代表法拉第旋转检测的电子输出信号。
射频线圈14的轴与泵浦光束和探测光束正交。
系统10包括呈锁定放大器36(图1(a)中未示出)形式的初级场振荡控制器，用于通过在其中提供以射频频率振荡的电流来操作射频线圈14 以产生初级磁场，并控制射频线圈14中电流的频率和相位，从而也控制初级磁场，并包括接收器，用于接收来自原子磁力计平衡极化仪的输出信号。锁定放大器36可以被配置为在射频线圈中提供频率调制的电流以提供频率调制的初级磁场，尽管这不是在每个实施例中必需的。锁定放大器用于参考射频线圈14的当前频率或调制来解调来自平衡极化仪的输出信号，并将第一输出信号提供给例如计算机以获得信号的幅度和/或相位。锁定放大器在此用作解调器。计算机可以使用信号的幅度来检测样品的物质响应，并在某些情况下执行物质缺陷成像。
在一些实施例中，计算机可以包括接收器，以从锁定放大器36接收第一输出信号并从中确定样品的电导率和/或磁导率的变化。
该实施例使用非磁屏蔽环境，其中沿y和z方向的静态磁场为零，并且沿x方向的偏置磁场由三对相互正交的嵌套方形亥姆霍兹线圈[18]形成，尺寸分别为1m，0.94m和0.88m(最大线圈长度1m)。亥姆霍兹线圈形成一个线圈结构，用于对环境磁场进行主动和被动补偿，以降低噪声，以及稳定和调整偏置磁场的方向和强度。换句话说，线圈结构提供了偏置磁场源。
当样品在射频线圈下移动时，测量信号来自于由射频原子磁力计记录的射频共振谱中的相位和幅度变化(图1(a))。产生
Figure BDA0002897326620000092
的射频线圈由锁定放大器36的内部基准的输出驱动。
在显示和描述的实验设置中，将样品固定在2D计算机控制的平移台上。样品16位于距单元约30厘米的位置，线圈放置在样品表面上方1毫米至2毫米的与单元的同一轴上。
偏置场的强度
Figure BDA0002897326620000091
定义系统的工作频率(在此实施例中为12.6kHz，尽管可以使用其他频率，例如10kHz–20kHz范围内)，换句话说，磁共振的频率和所需的初级磁场频率。
在运行中，相干原子自旋进动由射频场驱动。初级场和次级场的叠加改变了该运动，由与偏磁场26正交传播的线性极化探测激光束32探测。通过将圆极化泵浦激光器22锁定到Cs 6 2S1/2 F＝3→6 2P3/2 F’＝2跃迁 (D2线，852nm)，将Cs原子光学泵浦到拉伸状态(F＝4，mf＝4)，并沿偏置磁场
Figure BDA0002897326620000101
传播。探测光束(30μW)被相位偏移锁定到泵浦光束，使它从6 2S1/2 F＝4→6 2P3/2 F'＝5跃迁(D2线，852nm)蓝移到580MHz。 Cs原子的相干自旋旋进耦合到探测光束的极化(法拉第旋转)，该极化由平衡极化仪检测，然后通过锁定放大器36参考射频场的相位对其信号进行处理。
对于成像，可以在移动样品或系统时对样品表面的每个像素进行。
本领域技术人员将理解，上述特定的原子磁力计不是可以使用的唯一类型的原子磁力计，而是可以使用多种原子磁力计，例如，可以适当地采用不同的检测单元，不同的尺寸、不同的功率、不同的激光频率以及不同的跃迁。特别地，可以以固态，液态和/或蒸气形式使用除Cs原子以外的原子，并且可以相应地调节频率和功率。此外，可以改变泵浦、场的产生、平移和探测束检测的手段。例如，泵浦和探测子系统可以使用一个、两个、三个或更多个激光器来执行泵浦和探测，并且在一些实施例中，可以改变光束的极化。平衡极化仪可以用任何探测光束检测器代替，优选是可以检测探测光束的极化和/或振幅的光电探测器。
发明人先前已经分析了由铝板中的凹槽产生的空间曲线的形状[15]。该曲线表示由原子磁力计记录的射频光谱信号的相位和幅度的变化。它包含来自初级和次级磁场的贡献。磁力计信号中强大的初级场贡献会导致将次级场的两个正交分量bz和by分别映射到射频光谱信号的幅度和相位上。发明人已经注意到，次级场的分量平行于样品表面在表面裂纹(凹槽)附近改变其符号。由于强大的初级场，由射频原子磁力计记录的结果场的变化测量了次级场分量的方向翻转，但是观察到的射频信号的相位变化小于by中的实际变化。
再次参考图1(a)，在本发明的该实施例中，该系统包括补偿磁场源 40，用于在原子磁力计处，特别是在检测单元20处提供振荡补偿磁场，也称为补偿磁场。如图1(a)所示，其包括基本垂直于样品16的表面的分量，该分量减小和优选地消除了该方向上的初级场和次级场的磁场分量对原子磁力计的影响。特别是，补偿磁场在不改变
Figure BDA0002897326620000111
激发效率的情况下，补偿了初级磁场对由原子磁力计蒸气室监测的结果场的贡献。/>
从图1(a)可以看出，在该实施例中，补偿磁场源40是包括第一补偿线圈42和第二补偿线圈44的补偿线圈结构。
第一补偿线圈42具有与z大致对准的轴，与样品16的表面正交的方向，从而在原子磁力计，特别是在检测单元20处提供与样品16的表面大致正交的磁场。
在该实施例中，检测单元20位于射频线圈14与第一补偿线圈42之间，尽管并非在所有实施例中都如此。
第二补偿线圈44具有基本与y对准的轴线，与样品16的表面平行并且与偏置场方向基本垂直的方向，以便在原子磁力计，特别是在检测单元 20处提供磁场，处于基本上平行于样品16的表面并且基本上垂直于偏置场方向。在该实施例中，检测单元20位于探测激光器30与第二补偿线圈 44之间，并且第二补偿线圈44位于检测单元20与平衡极化仪34之间，尽管并非在所有实施例中都如此。
补偿线圈装置40被配置为在检测单元20处提供补偿磁场
Figure BDA0002897326620000112
换句话说，一组沿z和y方向定向的两个射频线圈(图1(a))产生一个振荡磁场
Figure BDA0002897326620000113
其补偿了原子磁力计所见的初级磁场。线圈由用于产生/>
Figure BDA0002897326620000114
的同一锁定放大器36的内部基准的输出驱动。这在场/>
Figure BDA0002897326620000115
与/>
Figure BDA0002897326620000116
之间保持恒定的相位差。
换句话说，在蒸气室中，通过一组沿z和y方向定向的两个射频线圈来补偿初级场。
但是，出于以下说明的原因，z方向的次级磁场的分量也得到补偿。
Figure BDA0002897326620000117
的两个分量的振幅可以通过改变相关线圈与蒸气室的距离来改变。
由射频原子磁力计监视的结果场包括来自初级场、次级场和补偿场的分量，换句话说，换言之为
Figure BDA0002897326620000121
该配置允许确定yz平面中的射频的幅度和相位(方向)。射频光谱信号的振幅
Figure BDA0002897326620000122
和相位/>
Figure BDA00028973266200001216
描述了结果场的变化，其中，bz+B'z和by+B'y为射频信号的两个正交分量。
我们先从
Figure BDA0002897326620000124
的模型开始，其中对导电样品中穿过凹槽的中心(图1(a)) 位于/>
Figure BDA0002897326620000125
方向上的线圈进行一维扫描(本领域技术人员将理解，可以基于具有磁导率的样品的磁化来进行类似的观点，如下所述)。在这种几何形状中，仅产生by和bz分量。图2显示了次级射频场分量对射频线圈位置的依赖性。在均匀样本中，涡流具有圆形对称性，/>
Figure BDA0002897326620000126
仅具有一个非零分量bz[图 2中的蓝色实线]。在凹槽附近，涡流的对称性被破坏，在yz平面中产生非零分量/>
Figure BDA0002897326620000127
[图2中的红色虚线]。涡流的不对称性反映在凹槽的另一侧，从而产生与by相反的符号。在射频线圈位于凹槽上方的情况下，由于升力较大，穿过板的磁场通量变小，因此/>
Figure BDA0002897326620000128
减少。我们将凹槽边界内的by和 bz的最大值称为by,max和bz,max。
如我们先前[15]所示，在沿z的强初级场
Figure BDA0002897326620000129
存在的情况下，次级场分量的变化被映射到射频光谱信号的幅度(bz)和相位(by)。由于出现在更大的初级磁场顶部，由原子磁力计监视的结果磁场的变化相对较小。
为了提供更好的见解，我们考虑
Figure BDA00028973266200001210
沿z和/>
Figure BDA00028973266200001211
的情况。此处，观察到的幅度和相位的对比度被分别估计为CR≤0.05和/>
Figure BDA00028973266200001212
其中， CR＝(RMax-RMin)/(RMax+RMin)和
Figure BDA00028973266200001213
和/>
Figure BDA00028973266200001214
是相关变量的最大值/最小值(见图3(c)中的角线图)，这些值明显低于其CR＝1和/>
Figure BDA00028973266200001215
的最大值。
图3显示了原子磁力计测得的射频光谱信号的幅度和相位对结果磁场的模拟依赖性。由原子磁力计
Figure BDA0002897326620000131
监视的结果磁场中的初级场分量的完全补偿会导致振幅和相位对比度[CR＝0.44和/>
Figure BDA0002897326620000132
图3的中心图]的增加，但不会产生最大对比度值。原因是对于/>
Figure BDA0002897326620000133
信号幅度变为/>
Figure BDA0002897326620000134
其中高对比度分量by随bz的缓慢变化的偏移而减小(图2)。射频光谱信号/>
Figure BDA0002897326620000135
的相位仅在分母中的符号变化和分母中的奇数变化时才改变180°。这表明相对于/>
Figure BDA0002897326620000136
轴分量获得最大对比度的条件是当B′z+bz,max＝0时。在下文中，我们将此条件与B′y＝0一起用作补偿点。图3证实在每一列中，对于B′z+bz,max＝0观察到最大的幅度与相位的对比度，即对于B′y的任意值。
从补偿点向右/向左移动相当于增加了一个负/正参考电平。这引起在补偿点的任一侧观察到的曲线的对称变化。只要|B′y|≤by,max，则在补偿点附近，幅度与相位的对比度(CR＝1,
Figure BDA0002897326620000137
)就不会恶化。在补偿点附近，建模可预测磁共振信号在凹槽区域上的相位跳变将近180°。突然的相位变化的原因是在反正弦函数的分母中的结果射频场中存在z分量，该分量定义了射频光谱信号的相位。
发明人被用作测试射频磁场补偿的实验床，该射频光谱信号的幅度和相位变化是通过射频线圈以凹槽形式(直径24.5毫米，深2.4毫米)在6 毫米厚的铝和碳钢板中扫过缺陷而记录的[15]。我们从实现补偿点开始。实验中，这是通过调整补偿线圈与蒸气室20之间的距离来实现的(图1 (a))。位于蒸气室20上方的线圈(第一补偿线圈42)位于轴线上，由射频线圈14产生初级磁场。该线圈沿z的最佳位置是通过最小化射频光谱信号的幅度来确定的。另一个补偿线圈(第二补偿线圈44)的位置可以在所有三个方向上调节。在使用铁磁物体进行测量时，此线圈的存在特别重要，在该测量中，会由样品在与样品表面平行的平面(在这种情况下为水平面)中产生明显的射频场。图3表明，水平方向的补偿会导致幅度和相位分布对称。该因素用于搜索补偿点。
图4显示了(a)振幅CR(蓝色菱形)和(b)相位
Figure BDA0002897326620000141
的变化，该变化是从补偿点沿z到垂直线圈的距离的函数。用6mm厚的铝板进行测量。图4(a)中的绿色方块代表在凹槽中心测得的射频光谱信号的变化。这两个图都确认了补偿点处存在最大对比度。作为参考，我们显示了没有射频补偿场时记录的幅度/相位的对比度值[图4(a)/(b)中的蓝色/红色实线]。
图5(a)-(c)/(g)-(i)显示了一个6mm厚碳钢板的64×64mm2面积的幅值/相位的图像，该钢板包含直径为24.5mm深度为2.4mm的凹槽，记录了补偿射频场的水平分量的三个值。在图5(d)-(f)/(j)-(l) 中示出了通过幅度/相位图像的中心的垂直截面。它们等效于从图3第二行计算出的幅度曲线。图5(b)/(e)，((h)/(k))所示的情况代表补偿点。在补偿点附近，由凹槽产生的振幅图像是对称的，即两个最大值对应于上升和下降沿。这是由于将初级磁场归零，其由磁化强度(R～|by|) 产生的次级磁场中的变化设置了背景参考。图5(b)中的最大亮点被一个黑环包围，换句话说，由两个凹槽边缘创建的曲线不是完全对称的。这可能是由于除了射频场之外，对静态磁场的不完美补偿。静态磁场的不完美补偿(即环境磁场的变化)等同于原子磁力计轴方向的变化，这可能会影响观察到的图像[请参见以下部分，图7(b)和(C)]。这可以通过增加工作频率来最小化。可以根据射频线圈电感的变化来考虑样品的磁响应。整个板上磁化强度的不均匀性将被视为初级磁场强度的变化，这意味着射频磁场补偿仅在局部有效。磁力计监测到的射频场强的变化可以通过背景水平的变化看出。补偿点两侧的振幅分布图的形状和对称性都有变化，这与从R＝|by+B′y|[图5(d)]穿过R～|by|[[图5(e)]]移至R＝|by-B′y| [图5(f)]有关。随着我们远离补偿点(图5(g)-(i))，相位对比度减小。重要的是，相位偏离其背景值的区域从补偿点开始减小。这在具有粗糙的空间步长的测量中可能会产生实际的后果，因为凹槽产生的相变可能是不可见的，因为它等效于在较大区域上相变的空间积分。
射频补偿的好处可以在实验中通过增加6mm–7mm的提起距离来证明。为此的起点是在标准配置下测量相位的对比度(射频线圈产生的初级场位于样品表面上方1毫米至2毫米，无射频补偿)。对于在6mm厚 2.4mm深的铝板上直径为12mm的凹槽的情况，相位对比度为
Figure BDA0002897326620000151
提起力的增加(6mm–7mm)会导致样品的初级场强度降低，从而导致次级场强度降低。同时，对于蒸气室和样品之间的固定距离(图1(a))，由原子磁力计监测的初级场分量增加。这导致所记录的相位对比度减小到/>
Figure BDA0002897326620000152
通过调整补偿射频场，我们不仅可以恢复初始相位的对比值，甚至可以将其增大到最大值/>
Figure BDA0002897326620000153
尽管在以上实施例中，
Figure BDA0002897326620000154
具有沿y方向和与z方向相同的分量，但这并不是在每个实施例中都必须的。例如，可以仅在z方向上进行补偿。在上述实施例中，这意味着可以省略第二补偿线圈44。
在图6中示出了另一个实施例。在图6的实施例中，通过将原子的不敏感轴对准基本上垂直于样品的方向，减小了在基本垂直于样品表面的方向上对初级场和次级场的分量的原子磁力计的影响。
该实施例的方法得益于射频原子磁力计对沿静态偏置场轴
Figure BDA0002897326620000155
(图1 (a))振荡的磁场不敏感的事实[16]。对于沿z方向(最好也是/>
Figure BDA0002897326620000156
方向) 的/>
Figure BDA0002897326620000157
射频原子磁力计信号中将不存在Bz，并且测量配置将与补偿后的初级磁场分量等效。
原子磁力计通过测量沿静态磁场方向极化的原子蒸气中由该场产生的原子塞曼相干振幅来评估振荡磁场强度
Figure BDA0002897326620000158
[19]。由于只有垂直于/>
Figure BDA0002897326620000159
方向振荡的磁场才能产生原子相干，因此磁力计对沿/>
Figure BDA00028973266200001510
方向的射频场不敏感。对于沿z排列的/>
Figure BDA0002897326620000161
原子磁力计的此属性等效于补偿条件的第一部分，B'z+bz＝0，换句话说，在磁力计信号中不存在结果射频场的z分量。
除了所讨论的以外，图6的实施例在许多方面与图1(a)的实施例相同。静态偏置磁场26沿z方向导引并设置为先前测量中使用的相同强度 (等效于约12.6kHz的拉莫尔频率)。泵浦激光束28沿着偏置磁场26 对准。亥姆霍兹线圈被相应地调节并且被配置为使沿x和y方向的静态场无效。
尽管并非在所有实施例中都是必需的，但在图6的实施例中，系统还包括一组射频线圈40'，用于提供补偿磁场来补偿与样本表面平行的初级场分量(水平分量)(在这种情况下是初级场的水平分量)。这些补偿线圈的位置是变化的，从而使射频光谱信号最小化。补偿线圈40′包括第一补偿线圈46和第二补偿线圈44，第二补偿线圈44如上所述。第一补偿线圈46具有基本平行于样品表面并且基本垂直于偏置场方向和探测激光器的方向的轴。在该实施例中，第一补偿线圈46的轴线与方向x基本对准。调节通过补偿线圈40’的电流以最小化无样本的射频光谱信号，换言之以补偿初级场的水平分量(B'x＝0且B'y＝0)。如前所述，由射频原子磁力计监视的结果磁场包括来自初级、次级和补偿场的分量，换句话说，
Figure BDA0002897326620000162
Figure BDA0002897326620000163
在图6的实施例中，射频光谱信号的幅度
Figure BDA0002897326620000164
和相位
Figure BDA0002897326620000165
反映了次级场的水平分量的幅度和相位的变化。
换句话说，图6的实施例沿z具有
Figure BDA0002897326620000166
泵浦激光束使原子蒸气沿着偏置场的方向定向。蒸气室中的初级场的水平分量通过一组沿x和y方向定向的两个射频线圈进行补偿。
图7说明了所讨论的两种补偿方案的优缺点。它显示了6mm厚的Al 板的64×64mm2区域的图像，该板包含直径24mm深度2.4mm的凹槽，以三种不同的配置进行记录：(a)没有补偿；(b)使用两个射频线圈进行补偿；(c)带有旋转偏置磁场和补偿线圈。图像表示射频光谱信号的幅度变化。如前所述，针对未补偿的情况(a)，所记录的曲线显示了次级场垂直分量的变化。在被补偿情况下，图像显示了次级场的水平分量(b) /分量(c)。图像对称性的差异是由偏置场方向的变化引起的。在图7(b) 所示的情况下，
Figure BDA0002897326620000171
沿x轴指向，因此在记录的曲线中仅存在由与该方向平行的凹槽边缘产生的标记(换句话说，与/>
Figure BDA0002897326620000172
平行的边缘产生垂直于/>
Figure BDA0002897326620000173
的振荡次级磁场，这可由磁力计看到。在图7(c)所示的情况下，/>
Figure BDA0002897326620000174
沿z轴指向，所记录的曲线显示凹槽的整个曲线。如前所述，我们已经计算了三个图像的振幅对比度CR。数字确认[(a)CR＝0.04；(b)CR＝0.77；(c) CR＝0.79]，补偿方案的实施允许更容易地识别振幅图像中的结构缺陷。在改变几何形状的情况下，射频光谱信号的相位显示出以凹槽为中心的涡流。
上面展示了两种改进图像对比度的方法，这些图像代表了由原子磁力计在涡流NDT测量中记录的射频光谱信号的幅度和相位的变化。该方法基于通过一组线圈或测量的几何形状对在以上示例中实施的原子磁力计监视的合成射频磁场的分量进行补偿。通过补偿过程减小由原子磁力计监控的射频信号的幅度不会损害缺陷检测的能力。相反，在补偿配置下对信号相位的监视可提供非均匀性清晰(180°相变)特征的选项。
在用于增加系统的输出的幅度和/或相位的对比度的另一实施例中，偏置磁场被调制。这可以在基本垂直于样品的方向上补充或替代地减小了初级磁场和次级磁场的分量对磁力计的影响。在其他方面，该实施例基本上如针对第一或第二实施例所述。
图8示出了图1(a)和6的系统的示意系统图。该系统以如下方式工作。
1.锁定放大器(1)36的内部基准的输出在射频线圈14中产生调频电流。
2.线圈14产生(初级)射频场，其驱动偏置磁场(BBias)中检测单元中的原子自旋的进动。
3.偏置磁场强度定义了共振拉莫尔频率(ωL＝γBBias)的值，该频率在原子自旋和射频场之间具有最大耦合。
4.为了观察原子自旋的进动，使用了非共振线性极化探针束32。光束极化方向通过法拉第效应耦合到原子自旋振荡。极化振荡通过平衡极化仪34传输到电子信号。振荡的幅度和相位由锁定放大器36读取(参考射频线圈电流调制)。
5.要查看原子自旋旋进的共振行为，我们可以扫描给定偏置磁场的初级场频率(图9的左图)，或者也可以扫描所选初级场频率的偏置磁场(图9的右图)。图9显示了两个示例中的结果如何。
6.当样品放置在射频线圈附近时，原子将另外受到样品产生的次级场的影响。
信号的相位和幅度
当样品在射频线圈附近移动时，初级场和次级场之间的干扰会引起驱动原子的射频场的振幅和方向发生变化。射频振幅的变化转移到原子响应强度的变化，而射频场的方向变化转移到原子自旋振荡相位的变化。
扫描单像素
在最简单、最快的测量方案中，我们可以将射频场频率设置为共振，并在移动样品时测量原子信号的振幅和相位。发明人已经使用非磁性的铝来做到这一点，但是钢样品是铁磁性并且被强磁化。这引起偏置磁场的偏移，并且即使利用如上所述的有源磁场补偿，该偏移通常也大于谐振的线宽。该偏移是用于场补偿的磁探针与原子电池之间的距离非零的结果。
消除此问题的一种方法如图11所示。但这会导致测量速度变慢(时间：每个像素10秒)。该方法如下：
1)通过扫描射频线圈14的当前调制频率来扫描射频场频率。
2)信号通过锁定1进行解调，并记录信号的同相和正交分量的变化。
3)计算机拟合数据，并从拟合的幅度和相位中提取信号。
然而，在本发明的实施例中，在图12中示意性地示出了消除该问题的改进方式，其提供了快速测量(每个像素＜1s)。
如上所述，在大多数测量中，针对图像的每个点，在射频共振中扫描初级场的频率，即记录整个共振曲线[15]。发明人已经开发了另一种数据获取模式，该模式能够显著减少图像获取时间。在这种模式下，用
Figure BDA0002897326620000191
分量的幅度的低频调制(在本例中为1-20Hz)代替/>
Figure BDA0002897326620000192
频率的调制。在这种情况下，由锁定放大器36(在本实施例中为SRS 865)以初级场频率解调的信号包含低频振荡，其幅度等于射频谐振幅度的幅度。使用参考/>
Figure BDA0002897326620000193
幅度调制的频率的第二个锁定放大器，可以读出射频谐振幅度。/>
Figure BDA0002897326620000194
频率调制的程度可以平衡/>
Figure BDA0002897326620000195
稳定性的缺陷，例如，在不同样本位置的共振频率的可能偏移。结果，所记录的信号的相位包含关于次级场的变化以及射频曲线频率偏移的信息。/>
Figure BDA0002897326620000196
频率调制的程度可以平衡/>
Figure BDA0002897326620000197
稳定性的缺陷，例如，在不同样本位置的共振频率中的可能偏移。结果，所记录的信号的相位包含关于次级场的变化以及射频曲线频率偏移的信息。
在该实施例中，系统包括第二锁定放大器38。
偏置磁场源24包括调制器，用于调制偏置磁场并将调制信号输出到第二锁定放大器38。第一锁定放大器的第一输出(参考射频线圈频率)连接至第二个锁定放大器的输入(参考偏置场调制)。第二锁定放大器被配置为参考偏置磁场的调制来解调来自第一锁定放大器36的输出信号并提供信号的幅度和相位。由此，第二锁定放大器38用作解调器。
该方法如下：
1)射频场的频率保持恒定，但偏置磁场的值被缓慢调制。在该实施例中，偏置场调制的频率为1-10Hz(进动频率约为12kHz)。然而，优选的是，偏置场调制的频率尽可能高。该偏置场调制优选地为锯齿波的形式，其周期性地使偏置场向上或向下倾斜。
2)在这种情况下，我们观察到调幅信号。
3)我们使用第一锁定来测量该振荡的幅度(我们参考初级场频率进行解调)。
4)慢调制幅度的测量是在第二锁定条件下参考偏置磁场调制信号进行的。锁定2测量的振幅对应于原子共振的振幅。
诸如上述任何系统的实施例可以以0.1mm的灵敏度执行成像。
在磁性屏蔽的环境中，在室温下存在隐蔽的导电屏障的情况下，实施例可用于对钢结构进行无损成像，并具有对背景场的主动补偿和对样品磁化强度的补偿。例如，它可用于检测暗管中的腐蚀(CUI)以及检测混凝土结构中的结构异常。
本发明的实施例可以用于检测绝缘下的腐蚀。本发明的实施例可以提供增加的对比度，以使得能够在例如管道中对亚毫米腐蚀坑进行成像。
在一些实施例中，可以将上述系统部署在机器人上以扫描大面积区域，例如管道。
在一些实施例中，该方法和/或系统可以用于检测混凝土结构的状况。
可以应用在制造和建筑中，其中装配和焊接的质量很重要，并且经常需要使用潜在危险和昂贵的X射线扫描；物质制造是制造过程的一部分；健康和使用情况监测系统(HUMS)，其中以结构性损伤和疲劳的及时和非侵入式识别为主要目标；核能；在公用事业和/或能源部门，例如石油和天然气中，泄漏会带来经济和环境成本。应用还包括检测能源部门绝缘层下的腐蚀，监测运输部门的钢筋混凝土结构，监测核废料船。
特别的优点是该系统和方法可以：
·安全且无创(例如：非电离辐射)
·检测管道内壁上的腐蚀。
·检测管道外壁上的腐蚀。
·能够区分腐蚀和管道弯头/T型接头/焊接处管道几何形状的变化。
·能够扫描所有绝缘类型。
·成本低廉。
·提供对当前技术的改进(分辨率，开关扫描模式)。
尽管在上述实施例中，锁定放大器36被描述为提供初级场控制器，但是初级场控制器可以包括任何电流发生器，只要初级场振荡控制器包括用于对来自平衡偏振仪的输出信号进行解调的处理器即可。参考电流发生器的频率或调制。然而，锁定放大器是有利的，因为当频率/调制源和检测器位于一台仪器内部时(同步、参考、自动分类)，它们使频谱的检测更加容易。
尽管在上述实施例中，物质响应检测被用于物质缺陷成像，但这并不是在每个实施例中都必须的。在一些实施例中，物质响应检测可以用于其他目的，例如以检测物质的电导率和/或渗透率。
所描述的实施例和从属权利要求的所有可选和优选的特征和修改可用于本文所教导的本发明的所有方面。此外，从属权利要求的各个特征以及所描述的实施例的所有可选的和优选的特征以及修改可以组合并且可以彼此可互换。
进一步的细节可以在“用射频原子磁力计增强物质缺陷成像”应用物理学报125，094503(2019)doi：10.1063/1.5083039中找到；，其版本附在主张其优先权的英国专利申请号GB1811928.9和GB1813858.6中作为附件2，其公开内容通过引用整体并入本文。
主张其优先权的英国专利申请号GB1811928.9和GB1813858.6及本申请随附的摘要中的公开内容通过引用将其全文并入。
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Figure BDA0002897326620000221
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Claims (20)

1.一种检测物质响应的方法，包括：
提供振荡的初级磁场以引起样品产生次级磁场；
通过在原子磁力计处提供补偿磁场，包括基本垂直于所述样品表面的分量，或者通过将所述原子磁力计的不敏感轴与基本垂直于所述样品表面的方向对准，从而在基本垂直于样品表面的方向上减小由初级磁场和次级磁场的分量对原子磁力计的影响；以及
用所述原子磁力计检测所述次级磁场以检测物质响应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述初级磁场与所述样品的表面基本垂直。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括：根据所述次级磁场的检测来检测所述样品的电导率和/或磁导率的变化。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，提供所述补偿磁场，使得Bz’+bz＝0，其中，Bz'为
Figure FDA0003954754320000011
的分量，基本垂直于所述样品表面，bz为基本垂直于所述样品表面的次级磁场的分量，
Figure FDA0003954754320000012
Figure FDA0003954754320000013
为初级磁场，/>
Figure FDA0003954754320000014
为补偿磁场。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述补偿磁场包括在第一方向上的分量，所述第一方向基本平行于所述样品表面，并且基本垂直于所述原子磁力计的不敏感轴，以减小在所述第一方向上所述初级磁场的分量的影响。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，By'＝0，其中，By'为所述第一方向上的
Figure FDA0003954754320000015
的分量，
Figure FDA0003954754320000016
Figure FDA0003954754320000017
为初级磁场，/>
Figure FDA0003954754320000018
为补偿磁场。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述原子磁力计包括偏置磁场，所述方法包括将所述偏置磁场与基本垂直于所述样品表面的方向对准。
8.根据权利要求1所述的方法，包括在所述原子磁力计处提供补偿磁场，该补偿磁场包括在基本平行于所述样品表面的第一方向上的分量，该补偿磁场减小了在所述第一方向上所述初级磁场的分量的影响。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，By'＝0，其中，By'为
Figure FDA0003954754320000021
在第一方向上的分量，
Figure FDA0003954754320000022
Figure FDA0003954754320000023
为初级磁场，/>
Figure FDA0003954754320000024
为补偿磁场。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述补偿磁场包括在基本平行于所述样品表面的第二方向上的分量，所述第二方向与所述第一方向基本正交，所述补偿磁场减小了在所述第二方向上所述初级磁场的分量的影响。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，Bx′＝0，其中，Bx′为
Figure FDA0003954754320000025
在第二方向上的分量，
Figure FDA0003954754320000026
Figure FDA0003954754320000027
为初级磁场，/>
Figure FDA0003954754320000028
为补偿磁场。
12.一种用于检测物质反应的系统，包括：
磁场源，用于提供振荡的初级磁场以使样品产生次级磁场；以及
原子磁力计，用于检测所述次级磁场，以检测物质响应；
其中，所述系统被配置为通过在所述原子磁力计处提供补偿磁场，包括基本垂直于所述样品表面的分量，或者通过将所述原子磁力计的不敏感轴与基本垂直于所述样品表面的方向对准，从而在基本垂直于所述样品表面的初级方向上减小由所述初级磁场和次级磁场的分量对所述原子磁力计的影响。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述磁场源被配置为以与所述样品不重叠的关系设置。
14.根据权利要求12或13所述的系统，包括计算机，该计算机包括接收器，以接收来自所述原子磁力计的信号，并表示所述次级磁场的检测，所述计算机被配置为确定所述样品响应于所述次级磁场的检测的电导率和/或磁导率的变化。
15.根据权利要求12或13所述的系统，包括补偿磁场源，用于在所述原子磁力计处提供包括在初级方向上的分量的补偿磁场。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述补偿磁场源包括线圈结构。
17.根据权利要求12或13所述的系统，其中，所述原子磁力计具有沿所述初级方向布置的不敏感轴。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述原子磁力计包括用于在所述初级方向上提供偏置磁场的偏置磁场源。
19.根据权利要求12或13所述的系统，包括补偿磁场源，用于在所述原子磁力计处提供补偿磁场，该补偿磁场包括在基本垂直于初级方向的第一方向上的分量，以便在所述第一方向上减小所述初级磁场分量的影响。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述补偿磁场源用于在所述原子磁力计处提供补偿磁场，所述补偿磁场包括在基本垂直于所述初级方向的第二方向上的分量，以便在与第一方向基本正交的第二方向上减小所述初级磁场的分量的影响。
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