CN115561682A

CN115561682A - 用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪及方法

Info

Publication number: CN115561682A
Application number: CN202211346218.3A
Authority: CN
Inventors: 刘思奇; 盛东
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-01-03

Abstract

本发明涉及一种用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪及方法，利用单光束共振吸收系统，对磁场进行高频调制和锁相探测，通过闭环反馈系统使磁力仪持续工作在最优灵敏度。本发明在原子池中放入两对相互垂直的多反射腔，达到增大磁力仪信噪比和消除探测盲区的目的。基于引入多反射腔的气池研制的原子磁力仪，在具有高灵敏度的同时，可在低工作温度下探测弱磁场，具有更高的长期测量稳定性。

Description

用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪及方法

技术领域

本发明涉及原子器件领域，用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪及方法，利用两对相互垂直的多反射腔提高灵敏度和降低工作温度的高稳定性矢量原子磁力仪及方法。

背景技术

原子磁力仪作为一种精密磁场测量传感器，在灵敏度和准确度方面具有突出优势，又因无需超低温制冷、易于小型化和低制作成本，已经在基础物理研究、地磁学研究和生物医学成像等领域发挥着重要作用。测量灵敏度是磁力仪重要性能指标之一，其大小主要取决于磁力仪系统的信噪比和相干时间，目前主要有以下几种提高灵敏度的方法。一个是利用表面镀抗弛豫膜的原子池，抑制原子与器壁的碰撞带来的退相干效应，进而增大原子的相干时间；另一种方法是通过在原子池内加入多反射腔，增大光束与原子的相互作用距离，进而实现增大磁力仪信噪比的目的，在密集型Herriott多反射腔中，光束可以从前腔镜的中心小孔入射，在前后腔镜间经过多次反射，再从同一个小孔出射，实现小空间内增大光与原子的相互作用距离的目的，2011年，Romalis教授课题组首次将Herriott腔用于原子磁力仪中，得到了信噪比超过一个量级的提升；对于碱金属原子来说，高温无自旋交换弛豫(SERF)机理可以同时实现高原子数密度和抑制原子横向极化驰豫，进而获得超高的磁场测量灵敏度，由多个高温SERF原子磁力仪组成的阵列已经在脑磁图和心磁图成像领域获得广泛应用。

在实际应用中，除灵敏度之外，长期测量稳定性是磁力仪的另一重要性能指标，尤其是在有不同时间的磁场测量结果精密比较的需求时。相对于高温SERF机理，通过使用镀膜和多反射腔的原子池，磁力仪可以工作在较低温度，这将有助于维持一个更加稳定的测量系统，进而获得更高的测量稳定性；相对于使用镀膜原子池的磁力仪，由于含有多反射腔的原子池内充有缓冲气体，这使得原子的吸收线宽被大幅度展宽，因此磁场测量结果对激光频率稳定性具有更小的依赖性，更加便于磁力仪在实际应用中的推广。

磁力仪对磁场的响应幅度与抽运光传播方向和磁场方向之间的相对角度有一定依赖关系，对于单光束吸收测量系统来说，当磁场的方向平行于抽运光方向时，磁力仪对磁场不敏感，信号幅度变得非常微弱且灵敏度迅速下降，无法准确测量测场，这样的区域称之为探测盲区。探测盲区的存在，阻碍了磁力仪在应用上的推广，因此消除探测盲区是磁力仪的重要改进措施之一。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种应用于弱磁探测的高灵敏度高稳定性的低温矢量原子磁力仪及实现方法，通过在原子池中引入多反射腔的方法在提高灵敏度的同时，使原子磁力仪工作在低温度下，获得更高的长期测量稳定性；在75℃的工作温度下，磁力仪具有约145nT的动态测量范围，大的测量范围是应用在弱磁场探测中的另一个优势。利用简单巧妙的闭环反馈实验方案，在三轴同时闭环工作在“零”磁场时，灵敏度均可在0.1Hz处优于85fT/√Hz，在10Hz处优于45fT/√Hz，在3h测量时间内，不对激光做频率锁定和功率锁定情况下，磁场测量稳定性均可优于1pT。

本发明原理：在原子池中加入Herriott多反射腔，可以实现小空间内增大光束与原子的相互作用距离，在提高灵敏度的同时，可以使原子磁力仪工作在较低温度，维持一个更加稳定的测量系统，因此获得更高的长期测量稳定性；对于单光束吸收测量系统来说，当磁场的方向平行于抽运光方向时，磁力仪的信号幅度变得非常微弱且灵敏度迅速下降，无法准确测量测场，将两对相互垂直的Herriott多反射腔放置于一个原子池内，通过结合两个多反射腔的磁场探测数据，可消除探测盲区，实现全空间的磁场探测；利用锁相放大器和磁场单元，对待测偏置磁场调制和解调，获得磁力仪的响应信号；磁力仪的抽运光吸收信号呈现洛伦兹线型，当偏置磁场为零时，与原子相互作用后的抽运光透射光强最大，对应磁力仪的最大信噪比；通过闭环反馈系统，实时补偿偏置磁场，实现磁力仪持续工作在“零”磁场条件下，也是磁力仪具有最优灵敏度的工作点；采集闭环反馈系统中PI控制器的输出信号，获得磁力仪的磁场灵敏度，利用磁场标定转换测量出外磁场大小，实现磁力仪的功能。

本发明的一种应用于弱磁探测的高灵敏度高稳定性的低温矢量原子磁力仪，包括：含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的原子池、加热单元、磁场单元、光电探测器、锁相放大器、闭环反馈系统、装配的3d打印平台和金属外壳封装单元：

含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的原子池，与加热单元、磁场单元、3d打印平台放置在坡莫合金制成的五层磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰；构成Herriott多反射腔的前腔镜和后腔镜为曲率相同的柱面镜，腔镜通过阳极键合的方法固定在硅片上，通过陶瓷模具定位，使得两对Herriott多反射腔互相垂直放置于一个原子池中，实现了紧凑型原子池的制作；两对多反射腔中心高度差为12.2-12.5mm，确保两对腔镜内的光斑最小距离大于3mm，减小在相干时间内，两对多反射腔中的原子的扩散效应，避免磁力仪工作过程中上下层多反射腔间发生测量互绕，方案可靠，设计简单；

加热单元，对含有两对相互垂直Herriott多反射腔的原子池中的原子进行加热；通过控制加热温度，使得原子池中的原子处于一个稳定的原子数密度下，加热单元由两片无磁加热片串联组成，通过高频交流电实现加热功能，两片加热片分别紧贴在原子池的上下表面，利用3d打印的框架盒子把原子池和加热单元装配在一起；

磁场单元包含x、y、z三个相互垂直方向的正方形亥姆霍兹磁场线圈，提供高频的调制磁场和偏置闭环反馈磁场，三对亥姆霍兹线圈缠绕在磁力仪探头的外表面凹槽内，原子池以及加热单元均处于磁场单元的内部，原子池位于三对磁场线圈的中心位置，使得原子池内原子处于高均匀度磁场中，进而降低磁场梯度对磁力仪性能的影响；

光电探测器的探测电路由四个光电探测器组成，其中两个用来探测从原子池中上下两层Herriott多反射腔射出的光功率，然后经过跨阻放大电路获得原子对光的吸收信号，所述吸收信号包含调制磁场的一倍频成分，与待测偏置磁场存在依赖关系，这个信号作为锁相放大器的输入信号；另外两个光电探测器分别用来探测进入两对多反射腔之前的小部分分光的光功率，利用标定关系，监测入射进两对多反射腔的光功率；

锁相放大器的参考信号一方面作为输出信号，为磁力仪提供调制磁场；另一方面，作为参考信号解调光电探测器输出的吸收信号，解调后获取与待测偏置磁场成正比的磁力仪响应信号，这个信号是闭环反馈系统的输入信号；

闭环反馈系统包含PI控制器和加法器；PI控制器接收锁相放大器解调后的信号，输出直流电压信号提供补偿磁场，使得磁力仪持续工作在“零”磁场条件下；加法器的输入信号是锁相放大器输出的磁场调制信号和PI控制器的输出信号，然后通过磁场单元，传递给原子池内的原子。

装配的3d打印平台集成原子池、加热单元、磁场单元和光电探测器，包含小型化的必需光学元件，减免繁琐的光路调节，同时完成原子池的加热和保温装配，简化系统，为未来实现小型化磁力仪提供便利。

金属外壳封装单元由两部分组成，分别是探头底板和探头外罩，底板和外罩是用钛合金材料，在实际应用中，可为保护磁力仪内部结构和防止电信号干扰提供便利。

所述两对Herriott多反射腔中的前腔镜和后腔镜通过阳极键合的方法固定在硅片上，利用陶瓷模具定位；原子池所用的玻璃罩含有正方形通孔，利用阳极键合的方法完成玻璃罩通孔上下表面分别与两个含Herriott多反射腔的硅片的连接，然后通过陶瓷模具定位，使得两对Herriott多反射腔相互垂直放置于一个原子池中，实现了紧凑型原子池的制作；原子池内原子的充入则通过玻璃罩侧面的尾管实现的，原子池中充入同位素铷87原子，600Torr氮气作为缓冲气体；全部的原子冲入原子池后，最后通过火焰灼烧将原子池从真空系统上取下，含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的原子池制作完成。

所述加热单元由两片无磁加热片串联组成，通过高频交流电对原子池加热：在加热的同时利用保温材料将所述原子池部分包裹起来，以起到隔热保温的作用，同时减少磁力仪对加热功率的需要；加热单元工作在75℃，原子池内的原子处于气态，并且在一个稳定的原子数密度下。

所述3d打印装配平台具有很高的制作精度，能够精准实现对原子池、加热单元、磁场单元和光电探测器的固定，不需要繁琐的调节光路则可以开始实验，简化系统，实现磁力仪的集成化和小型化。

所述金属外壳封装由具有高电导率的钛合金材料制作而成，降低了其产生的热噪声对磁力仪灵敏度的影响；金属外壳封装由底板和外罩两部分组成，可在实际应用中，避免磁力仪的内部结构受到外部机械应力的破坏以及防止电信号受到干扰。

所述用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪中的低温为75℃，具有145nT的动态测量范围；高灵敏度指在0.1Hz处优于85fT/√Hz，在10Hz处优于45fT/√Hz；高稳定性指在3h测量时间内，不对激光做频率锁定和功率锁定情况下，磁场测量稳定性均优于1pT。

本发明的应用于弱磁探测的高灵敏度高稳定性的低温矢量原子磁力仪的测量方法，步骤为：

在原子池中加入Herriott多反射腔，可以实现小空间内增大光束与原子的相互作用距离，在提高灵敏度的同时，可以使原子磁力仪工作在较低温度，维持一个更加稳定的测量系统，因此获得更高的长期测量稳定性；对于单光束吸收测量系统来说，当磁场的方向平行于抽运光方向时，磁力仪的信号幅度变得非常微弱且灵敏度迅速下降，无法准确测量测场，将两对相互垂直的Herriott多反射腔放置于一个原子池内，通过结合两个多反射腔的磁场探测数据，可消除探测盲区，实现全空间的磁场探测；含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的原子池、加热单元以及磁场单元集成在3d打印平台上，放置在五层磁屏蔽桶中，屏蔽桶屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰，为磁力仪提供一个弱磁的工作环境；其他的组织单元放置在实验光学平台上，实现采集和处理实验数据；利用锁相放大器和磁场单元，在与抽运光垂直方向加入高频调制磁场，利用光电探测器系统将抽运光吸收信号转换为电信号，再进一步被锁相放大器以调制磁场作为参考信号来解调处理，一倍频率解调出的信号作为磁力仪的响应信号，大小正比于调制磁场方向的偏置磁场强度；磁力仪的吸收信号呈现洛伦兹线型，当偏置磁场为零时，与原子相互作用后的抽运光透射光强最大，对应磁力仪的最大信噪比；通过闭环反馈系统，实时补偿偏置磁场，实现磁力仪持续工作在“零”磁场条件下，也是磁力仪具有最优灵敏度的工作点；采集闭环反馈系统中PI控制器的输出信号，获得磁力仪的磁场灵敏度，利用磁场标定转换测量出外磁场大小。

本发明的优点和积极效果为：

(1)使用含有多反射腔的原子池可以在保证磁力仪具有高灵敏度的同时，使其工作在低温度下，维持更加稳定的测量系统，进而具有更高长期测量稳定性。通过引入多反射腔可以在保证原子池小型化的同时增大光束与原子的相互作用距离，大幅度提高磁力仪信噪比，因此在降低磁力仪工作温度的情况下，仍然可以高灵敏度地对磁场测量；相对于无自旋交换弛豫原子磁力仪，通过高温增大原子密度实现提高灵敏度的方法，本发明中的磁力仪测量系统处于低温度的稳定状态，这使得磁力仪具有更高的长期磁场测量稳定性，且可与目前用于测量中子电偶极矩的最先进的标量磁力仪媲美；此外本发明的原子池中充入了缓冲气体，增大了原子的吸收线宽，相对于使用内部镀膜的原子池的磁力仪，对抽运光的频率稳定性具有更小的依赖性，在不锁定激光频率的情况下，仍然具有高测量稳定性，避免复杂的锁频装置对磁力仪实际应用推广带来的阻碍。

(2)通过闭环反馈系统，磁力仪在x、y、z三个方向均工作在“零”磁场下，且由于多反射腔的加入，工作温度为75℃，综合两个实验条件，SERF机理中抑制自旋交换驰豫的效应将磁力仪的相干时间增大近两倍，磁力仪的动态测量范围约为145nT，大的测量范围是应用在弱磁场探测中的另一个优势。

(3)使用含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的原子池，可以消除磁场探测盲区。通过陶瓷模具定位，保证两对Herriott多反射腔相互垂直，利用阳极键合的方法实现紧凑型原子池的制作；在单光束吸收测量系统中，当磁场的方向平行于抽运光方向时，磁力仪的响应信号很小，对磁场的探测不灵敏，存在探测盲区，这使得磁力仪在实际应用上的推广受到阻碍，本发明利用含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的紧凑型原子池，可以实现磁场测量区间互补，消除探测盲区。

(4)在多反射腔和3d打印平台的辅助下，可避免繁琐的光路调节和元件的精准定位，简化系统，为未来实现磁力仪的集成化和小型化提供了便利。

(5)使用钛合金金属外壳封装可以在保证不影响磁力仪本底磁场探测灵敏度的情况下，保护磁力仪内部结构及防止电信号受到干扰，便于磁力仪在实际应用中的推广。

附图说明

图1为本发明一种应用于弱磁探测的高灵敏度高稳定性的低温矢量原子磁力仪的组成框图；

图2为本发明中含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的原子池示意图；

图3为本发明中3d打印平台和原子池以及内部光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明的一种应用于弱磁探测的高灵敏度高稳定性的低温矢量原子磁力仪的组成框图。含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的原子池，与加热单元、磁场单元、3d打印平台放置在坡莫合金制成的五层磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰，其他组成单元放置在光学平台上，实现采集和处理实验数据。通过使用含有多反射腔的原子池，在保证磁力仪高灵敏度的同时，使其工作在低温度下，维持更加稳定的测量系统，进而具有更高长期测量稳定性；通过结合两对相互垂直的Herriott多反射腔测量的磁场数据，可以消除磁力仪探测盲区，实现全空间磁场测量；抽运光的频率与铷87原子D1线共振，通过光纤引入到3D打印平台中，在进入原子池之前经过一个四分之一波片变为圆偏振光，用于极化原子池内的碱金属原子，抽运光在原子池内Herriott多反射腔之间反射21次后出射，经过光电探测器系统，获得磁力仪的吸收信号；磁场单元为x、y、z三轴的正方形亥姆霍兹磁场线圈，缠绕在3D打印平台外表面凹槽中，利用锁相放大器和磁场单元，在与抽运光垂直方向加入高频调制磁场，然后以其作为参考信号对磁力仪吸收信号解调处理，一倍频率解调出的信号作为磁力仪的响应信号；磁力仪的吸收信号呈现洛伦兹线型，当偏置磁场为零时，对应磁力仪的最大信噪比，利用含有PI控制器的闭环反馈系统，实时补偿偏置磁场，实现磁力仪持续工作在“零”磁场条件下，也是磁力仪具有最优灵敏度的工作点；利用板卡数据采集(DAQ)闭环反馈系统中PI控制器的输出信号，获得磁力仪的磁场灵敏度，利用磁场标定转换测量出外磁场大小，实现磁力仪的功能。

如图2所示，构成Herriott多反射腔的前腔镜1和后腔镜2通过阳极键合的方式固定在硅片4上，前后腔镜为曲率相同的柱面镜，中心间距为11.6mm，两腔镜的主轴相对转角为52.2°，利用相同的方法将另外一对Herriott多反射腔固定在硅片上，玻璃罩3同样是利用阳极键合的方法与硅片4密封的，然后再利用陶瓷模具定位，保证两对多反射腔相互垂直放置于同一原子池内。玻璃罩的高度是特殊设计过的，可以保证两对多反射腔中心高度差为mm，确保两对腔镜内的光斑最小距离大于3mm，减小在相干时间内，由于两对多反射腔中的原子的扩散效应，使得磁力仪工作过程中上下层多反射腔之间发生测量互绕。通过玻璃罩侧面的尾管，将原子和缓冲气体充入到原子池内，最后通过火焰灼烧将原子池从真空系统上取下，含有两对相互垂直的多反射腔的紧凑型原子池制作完成。在单光束吸收测量系统中，当磁场的方向平行于抽运光方向时，磁力仪的响应信号很小，对磁场的探测不灵敏，存在探测盲区，这将不利于磁力仪在实际应用上的推广，但是采用含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的原子池的方法，可以结合两个多反射腔的磁场探测数据，消除探测盲区，实现全空间磁场矢量测量。

如图3所示，3d打印平台和原子池以及内部光路示意图。由光纤引入光路，光纤输出头5是经过特殊设计的，由3d打印方法制作，集成了输出准直透镜，使得抽运光经光纤输出后不再需要人为调整，可以直接使用。抽运光经过一个二分之一波片和偏振分光镜，均分为功率相等的两束光，分别入射到上下两层Herriott多反射腔中。光束进入原子池前再经过一个二分之一波片和偏振分光镜，分出小部分功率的光入射到光电探测器6上，用于监测进入到原子池内的光功率。抽运光打入原子池中的Herriott多反射腔内，经过21次反射后出射，后面的光电探测器7接收出射光功率。磁场单元8由3匝漆包线制成而成，缠绕在3D打印平台外表面的矩形凹槽中。将原子池、光学元件和探测器集成在3d打印平台上，通过3d打印技术，可以准确定义抽运光和多反射腔之间的入射关系，省去了繁琐的调节光路环节，简单且便于小型化和应用的推广。

如表1所示，在不对激光做频率锁定和功率锁定情况下，在10³s的测量时间内，本发明的磁场测量稳定性均可优于0.2pT，优于基于表面镀抗弛豫膜的原子池的矢量原子磁力仪(0.4pT/10³s)；在10⁴s的测量时间内，磁场测量稳定性均可优于pT，相对于基于表面镀抗弛豫膜的原子池的标量原子磁力仪(1.5pT/10⁴s)，在无需复杂的激光频率锁定装置的同时，可以达到相同的稳定性水平。

表1

	稳定性(pT/10<sup>3</sup>s)	稳定性(pT/10<sup>4</sup>s)
			本发明	＜0.2	＜1
于镀膜原子池的矢量磁力仪	＜0.4	--
			于镀膜原子池的标量磁力仪	＜0.2	＜1.5

综上，本发明在原子池中引入Herriott多反射腔，通过增加光与原子的相互作用光程增大信噪比，使磁力仪可以工作在低温条件下，同时具有高灵敏度和高测量稳定性的特点，原子池内充入碱金属原子和氮气原子。含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的紧凑型原子池，可以实现磁场测量区间互补，消除磁场探测盲区。本发明的低温矢量磁力仪可以在弱磁探测的应用中，同时具有高灵敏度和高测量稳定性的特点，不对激光做频率锁定和功率锁定情况下，其长期测量稳定性可与目前用于测量中子电偶极矩的最先进的标量磁力仪媲美。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims

1.一种用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪，包括：加热单元、磁场单元、光电探测器、锁相放大器、闭环反馈系统、装配的3d打印平台和金属外壳封装单元，其特征在于，还包括：含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的原子池；含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的原子池与加热单元、磁场单元、3d打印平台放置在五层坡莫合金制成的磁屏蔽桶中；

两对相互垂直的Herriott多反射腔的中心高度差为12.2-12.5mm，确保两对相互垂直的Herriott多反射腔中的前腔镜和后腔镜内的光斑最小距离大于3mm，减小在相干时间内，两对相互垂直的Herriott多反射腔中的原子的扩散效应带来的影响，避免磁力仪工作过程中上下层多反射腔之间发生测量互绕。

2.根据权利要求1所述的用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪，其特征在于：所述用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪中的低温为75℃，具有145nT的动态测量范围；高灵敏度指在0.1Hz处优于85fT/√Hz，在10Hz处优于45fT/√Hz；高稳定性指在3h测量时间内，不对激光做频率锁定和功率锁定情况下，磁场测量稳定性均优于1pT。

3.根据权利要求1所述的用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪，其特征在于：所述两对相互垂直的Herriott多反射腔中的前腔镜和后腔镜为曲率相同的柱面镜，前腔镜和后腔镜通过阳极键合的方法固定在硅片上，通过陶瓷模具定位，确保两对多反射腔相互垂直，原子池所用的玻璃罩含有正方形通孔，同样利用阳极键合的方法，完成玻璃罩上下表面与两个含Herriott多反射腔的硅片的密封，实现紧凑型原子池的制作；玻璃罩的侧面含有一个通孔尾管，原子池内原子的充入则通过尾管实现的，原子池中充入同位素铷87原子，600Torr氮气作为缓冲气体；全部的原子冲入原子池后，最后通过火焰灼烧将原子池从真空系统上取下，含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的原子池制作完成。

4.根据权利要求1所述的用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪，其特征在于：所述加热单元对含有两对相互垂直Herriott多反射腔的原子池中的原子进行加热；通过控制加热温度，使得原子池中的原子处于一个稳定的原子数密度下；所述加热单元由两片无磁加热片串联组成，通过高频交流电对原子池加热：两片加热片分别紧贴在原子池的上下表面，利用3d打印的框架盒子把原子池和加热单元装配在一起；在加热的同时利用保温材料将所述原子池部分包裹起来，以起到隔热保温的作用，同时减少磁力仪对加热功率的需要；加热单元工作在75℃，原子池内的原子处于气态，并且在一个稳定的原子数密度下。

5.根据权利要求1所述的用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪，其特征在于：所述3d打印装配平台具有0.1mm的高制作精度，能够精准实现对原子池、加热单元、磁场单元和光电探测器的集成及固定，包含小型化的必需光学元件，实现磁力仪的集成化和小型化。

6.根据权利要求1所述的用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪，其特征在于：所述金属外壳封装由具有高电导率的钛合金材料制作而成，降低了其产生的热噪声对磁力仪灵敏度的影响；金属外壳封装由底板和外罩两部分组成，在实际应用中，避免磁力仪的内部结构受到外部机械应力的破坏以及防止电信号受到干扰。

7.一种基于权利要求1所述的用于弱磁的高灵敏度高稳定性低温矢量原子磁力仪的测量方法，其特征在于：实现为：

含有两对相互垂直的Herriott多反射腔的原子池、加热单元以及磁场单元集成在3d打印平台上，放置在五层磁屏蔽桶中，屏蔽桶屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰，为磁力仪提供一个弱磁的工作环境；其他的组织单元放置在实验光学平台上，实现采集和处理实验数据；利用锁相放大器和磁场单元，在与抽运光垂直方向加入高频调制磁场，利用光电探测器将抽运光吸收信号转换为电信号，再进一步被锁相放大器以调制磁场作为参考信号解调处理，一倍频率解调出的信号作为磁力仪的响应信号，大小正比于调制磁场方向的偏置磁场强度；磁力仪的吸收信号呈现洛伦兹线型，当偏置磁场为零时，与原子相互作用后的抽运光透射光强最大，对应磁力仪的最大信噪比；通过闭环反馈系统，实时补偿偏置磁场，实现磁力仪持续工作在“零”磁场条件下，也是磁力仪具有最优灵敏度的工作点；采集闭环反馈系统中PI控制器的输出信号，获得磁力仪的磁场灵敏度，利用磁场标定转换测量出外磁场大小。