CN217360271U

CN217360271U - 采用高频加热的原子磁强计

Info

Publication number: CN217360271U
Application number: CN202122340385.4U
Authority: CN
Inventors: 宋欣达; 刘欣; 马建; 周斌权
Original assignee: Hangzhou Nuochi Life Science Co ltd
Current assignee: Hangzhou Nuochi Life Science Co ltd
Priority date: 2021-09-26
Filing date: 2021-09-26
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2031-09-26

Abstract

本申请提供了一种采用高频加热的原子磁强计，包括：光线发生装置，用于发射探测光线；气室，用于接收探测光线并形成携带磁场信息的待测光线；光线检测装置，用于接收待测光线并转换为待测电信号；加热元件，用于加热气室；正弦波发生器，用于产生高频正弦信号；乘法器，用于接收高频正弦信号和温度控制信号并产生调幅正弦信号；功率放大电路，包括电流反馈运算放大器和负反馈网络，电流反馈运算放大器用于将调幅正弦信号放大形成高频正弦电压，高频正弦电压用于向加热元件供电，负反馈网络用于将高频正弦电压转换为反馈电流并输入电流反馈运算放大器的反相输入端。本申请的原子磁强计，能够降低加热电流对弱磁测量的影响，测磁精度较高。

Description

采用高频加热的原子磁强计

技术领域

本申请涉及弱磁测量技术领域，特别是涉及采用高频加热的原子磁强计。

背景技术

高精度极弱磁场测量广泛应用于生物医疗、基础物理、前沿科学等领域，原子磁强计是利用原子自旋效应实现磁场测量的一种量子仪器，具有超高精度的潜力。随着磁强计从实验研究平台走向小型化样机甚至MEMS芯片，在地磁分析、资源探测、以及人体心脑磁测量等领域得到了越来越广泛的应用。例如在脑磁测量领域，人体大脑所产生的磁场信号强度在fT量级，在被测条件下，被测对象可以进行某些微小动作，通过原子磁强计阵列可以测量动作前后人脑活动情况，进而为医生的脑疾病研究、脑功能诊断乃至脑认知领域提供更全面的实验依据。

气室是原子磁强计的重要组成部分，为了提高碱金属气室中的碱金属原子饱和蒸汽压，需要对碱金属气室进行加热。不同的碱金属原子所需要的加热温度并不相同，通常碱金属气室维持在140℃～170℃的温度范围，以保证足够的原子数密度。由毕奥—萨伐尔定律可知，加热电流会产生磁场，该磁场可能影响原子磁强计的灵敏度。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本申请提供了一种采用高频加热的原子磁强计，能够降低加热电流对弱磁测量的影响，测磁精度较高。

本申请提供的采用高频加热的原子磁强计包括：

光线发生装置，用于发射探测光线；

气室，用于接收所述探测光线并形成携带磁场信息的待测光线；

光线检测装置，用于接收所述待测光线并转换为待测电信号；

加热元件，用于加热所述气室；

正弦波发生器，用于产生高频正弦信号；

乘法器，用于接收所述高频正弦信号和温度控制信号并产生调幅正弦信号；

功率放大电路，包括电流反馈运算放大器和负反馈网络，所述电流反馈运算放大器用于将所述调幅正弦信号放大形成高频正弦电压，所述高频正弦电压用于向所述加热元件供电，所述负反馈网络用于将所述高频正弦电压转换为反馈电流并输入所述电流反馈运算放大器的反相输入端。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，所述正弦波发生器包括：

电压反馈运算放大器，输出端产生所述高频正弦信号；

稳幅网络，用于将所述高频正弦信号反馈至所述电压反馈运算放大器的反相输入端；

选频网络，用于将所述高频正弦信号滤波并反馈至所述电压反馈运算放大器的同相输入端。

可选的，所述稳幅网络包括：

第一二极管，阴极连接所述电压反馈运算放大器的输出端；

第一电阻，第一端连接所述第一二极管的阳极，第二端连接所述电压反馈运算放大器的反相输入端；

第二二极管，阳极连接所述第一二极管的阴极，阴极连接所述第一二极管的阳极；

第二电阻，第一端连接所述电压反馈运算放大器的反相输入端，第二端接地。

可选的，所述第一电阻的阻值是所述第二电阻的阻值的1.8～2倍。

可选的，所述选频网络包括：

第一电容，第一端连接所述电压反馈运算放大器的输出端；

第三电阻，第一端连接第一电容的第二端，第二端连接所述电压反馈运算放大器的同相输入端；

第四电阻，第一端连接所述电压反馈运算放大器的同相输入端，第二端接地；

第二电容，并联于所述第四电阻的两端。

可选的，所述第一电容的容值与所述第二电容的容值相等，所述第三电阻的阻值与所述第四电阻的阻值相等。

可选的，所述乘法器具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端用于接收所述温度控制信号，所述第二输入端用于接收所述高频正弦信号，所述乘法器的输出端产生所述调幅正弦信号，所述乘法器的满量程输出误差小于2％，所述第二输入端的非线性误差小于0.1％。

可选的，所述乘法器的小信号带宽大于1MHz。

可选的，所述负反馈网络包括第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的第一端连接所述电流反馈运算放大器的输出端，所述第五电阻的第二端连接所述电流反馈运算放大器的反相输入端，所述第六电阻的第一端连接所述第五电阻的第二端，所述第六电阻的第二端接地，所述调幅正弦信号接入所述电流反馈运算放大器的同相输入端。

可选的，所述采用高频加热的原子磁强计还包括：

温度传感器，用于检测所述气室的温度并产生温度信号；

控制器，用于根据所述温度信号产生所述温度控制信号。

本申请提供的采用高频加热的原子磁强计，能够降低加热电流对弱磁测量的影响，测磁精度较高。

附图说明

图1为本申请一实施例的结构示意图；

图2为图1中加热元件的驱动电路一实施例的结构示意图。

图中附图标记说明如下：

1、光线发生装置；11、探测光线；12、待测光线；2、气室；3、光线检测装置；4、加热元件；5、正弦波发生器；51、电压反馈运算放大器；52、稳幅网络；53、选频网络；6、乘法器；7、功率放大电路；71、电流反馈运算放大器；72、负反馈网络；C1、第一电容；C2、第二电容；D1、第一二极管；D2、第二二极管；R1、第一电阻；R2、第二电阻；R3、第三电阻；R4、第四电阻；R5、第五电阻；R6、第六电阻；

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。

现有的原子磁强计中，为了将气室温度维持在一定范围内，需要对气室加热。加热气室的电流会引入额外的磁场，可能影响原子磁强计对微弱磁场的测量。

针对以上问题，本申请提供了一种采用高频加热的原子磁强计，能够降低加热电流对弱磁测量的影响，测磁精度较高。

参考图1、图2，本申请的采用高频加热的原子磁强计包括光线发生装置1、气室2、光线检测装置3、加热元件4、正弦波发生器5、乘法器6以及功率放大电路7。

光线发生装置1用于发射探测光线11，气室2用于接收探测光线11并形成携带磁场信息的待测光线12，光线检测装置3用于接收待测光线12并转换为待测电信号，加热元件4用于加热气室2，正弦波发生器5用于产生高频正弦信号，乘法器6用于接收高频正弦信号和温度控制信号并产生调幅正弦信号，功率放大电路7包括电流反馈运算放大器71和负反馈网络72，电流反馈运算放大器71用于将调幅正弦信号放大形成高频正弦电压，高频正弦电压用于向加热元件4供电，负反馈网络72用于将高频正弦电压转换为反馈电流并输入电流反馈运算放大器71的反相输入端。

根据原子磁强计的极限灵敏度公式

其中γ_e为原子的旋磁比，n为原子的密度，T₂为横向弛豫时间，V为作用原子体积，t为测量时间。在作用原子体积和测量时间一定的前提下，原子的密度越大，磁强计灵敏度也就越高。因此需要对气室进行高温加热以达到合适的原子密度。

原子磁强计的带宽通常小于100Hz，响应在低频段。现有原子磁强计的加热电路会产生低频的电磁干扰，影响原子磁强计对低频磁场的测量精度。

本申请通过正弦波发生器5、乘法器6以及功率放大电路7产生高频正弦电压，高频正弦电压在对加热元件4做功的过程中辐射的是高频电磁场，可有效避免在待测磁场中混入低频的噪声磁场，使原子磁强计的测量精度更高。

本实施例中的正弦波发生器5可采用现有技术，例如，RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器、负阻振荡器、锁相频率合成振荡器等。正弦波发生器5产生一定振幅的高频正弦信号，为调整加热元件4的加热功率，通过乘法器6将高频正弦信号的振幅放大，形成调幅正弦信号。放大倍率由温度控制信号控制，温度控制信号可以是直流或交流信号，以直流信号为例，放大倍率取决于直流电压的大小。乘法器6可采用现有技术，例如霍尔效应乘法器、对数和乘法器、变跨导乘法器等。

当加热元件4的功耗增大时，高频正弦电压可能产生失真，引入低频电磁噪声。本申请通过电流反馈运算放大器71驱动加热元件4，电流反馈运算放大器71的转换速率较高，高频正弦电压幅值较大时不易失真，正弦波形的纯度较高，有利于保证原子磁强计的灵敏度。本实施例的功率放大电路7中，调幅正弦信号输入电流反馈运算放大器71的方式不作限制，既可以采用同向输入方式，也可以采用反相输入方式。

为保证高频正弦信号的纯度，正弦波发生器5包括电压反馈运算放大器51、稳幅网络52以及选频网络53。电压反馈运算放大器51的输出端产生高频正弦信号，稳幅网络52用于将高频正弦信号反馈至电压反馈运算放大器的反相输入端，选频网络53用于将高频正弦信号滤波并反馈至电压反馈运算放大器的同相输入端。

电压反馈运算放大器51内形成电子噪声，电子噪声放大后一方面经由稳幅网络52进入电压反馈运算放大器51的反相输入端，形成负反馈。另一方面，电子噪声经由选频网络53进入电压反馈运算放大器51的同相输入端，形成正反馈。在多次正反馈的过程中，选频网络53对随机电子噪声滤波，筛选出所需频率的正弦波。稳幅网络52内设有非线性元件，随着高频正弦信号的幅值增加，非线性元件的动态电阻发生变化，使负反馈至反相输入端的分压比例提高。负反馈的作用逐渐增加，最终负反馈与正反馈达到平衡状态，正弦波发生器5输出幅度恒定的高频正弦信号。

在其它实施例中，高频正弦信号也可以取自电压反馈运算放大器51的同相输入端，经过选频网络53滤波后波形纯度较高。

具体的，稳幅网络52包括第一二极管D1、第一电阻R1、第二二极管D2以及第二电阻R2。第一二极管D1的阴极连接电压反馈运算放大器51的输出端，第一电阻R1的第一端连接第一二极管D1的阳极，第一电阻R1的第二端连接电压反馈运算放大器51的反相输入端。第二二极管D2的阳极连接第一二极管D1的阴极，第二二极管D2的阴极连接第一二极管D1的阳极。第二电阻R2的第一端连接电压反馈运算放大器51的反相输入端，第二电阻R2的第二端接地。

第一二极管D1与第二二极管D2的并联结构形成动态电阻，该动态电阻的阻抗随电压的增加而减小，该并联结构与第一电阻R1串联后形成第一分压电阻，第二电阻R2作为第二分压电阻，共同分配高频正弦信号。电压反馈运算放大器51的反相输入端的负反馈电压的大小取决于第一分压电阻与第二分压电阻的阻抗比，随着高频正弦信号的幅值增加，该阻抗比逐渐减小，负反馈电压逐渐增加，最终实现正反馈与负反馈的平衡，使高频正弦信号的幅值保持稳定。

为确保高频正弦信号的纯度，第一电阻R1的阻值是第二电阻R2的阻值的1.8倍及以上，优选1.8倍～2倍。初始时负反馈较小，能够满足起振条件。经过多次反馈，第一二极管D1与第二二极管D2自动调节阻值，使第一分压电阻的阻抗接近第二分压电阻的两倍，最终达到平衡。

具体的，选频网络53包括第一电容C1、第三电阻R3、第四电阻R4、以及第二电容C2。第一电容C1的第一端连接电压反馈运算放大器51的输出端，第三电阻R3的第一端连接第一电容C1的第二端，第三电阻R3的第二端连接电压反馈运算放大器51的同相输入端。第四电阻R4的第一端连接电压反馈运算放大器51的同相输入端，第四电阻R4的第二端接地。第二电容C2并联于第四电阻R4的两端。第一电容C1与第三电阻R3构成串联网络，第四电阻R4与第二电容C2构成并联网络，在高频下，RC串并联网络选频的损耗较小，产生的电磁干扰较小，有利于提高原子磁强计的灵敏度。

进一步的，第一电容C1的容值与第二电容C2的容值相等，第三电阻R3的阻值与第四电阻R4的阻值相等。该参数的选频网络53的幅频特性曲线对称性较好，有利于提高高频正弦信号的稳定性。

电压反馈运算放大器51应具有足够大的输入阻抗，使加热电流的频率主要取决于选频网络53，加热电流的频率的计算公式为：

具体的，乘法器6具有第一输入端(即图2中x端)和第二输入端(即图2中y端)，第一输入端用于接收温度控制信号，第二输入端用于接收高频正弦信号。乘法器的输出端产生调幅正弦信号。调幅正弦信号的绝对值大小正比于温度控制信号和高频正弦信号，当温度控制信号为直流信号时，调幅正弦信号为高频正弦信号的线性放大。

由于气室2的温度决定了碱金属的原子密度，而温度的波动会引起原子磁强计的待测信号强度、气室光学深度、原子源弛豫、原子极化率等多个参数的变化，进而影响原子磁强计的低频灵敏度。

为确保调幅正弦信号在极点附近的保真度，乘法器的满量程输出误差小于2％。为进一步确保调幅正弦信号在其它区段的保真度，第二输入端的非线性误差小于0.1％。进一步的，为确保乘法器6对高频正弦信号的兼容性，乘法器6的小信号带宽大于1MHz。为确保乘法器6对大电压的兼容性，乘法器6的转换速率大于20V/μs。为进一步确保原子磁强计的灵敏度，在10Hz到10kHz带宽内，乘法器6的噪声要小于100μV_rms。乘法器6具有驱动电容性负载的能力。

功率放大器7用于放大乘法器6输出的微弱电流，保证在输出端输出一定的功率，以驱动负载对气室2进行加热。由于功率放大器7的输入电压信号较大，输出波形容易产生非线性失真，因此引入负反馈网络72，达到改善输出波形的目的。

具体的，负反馈网络72包括第五电阻R5和第六电阻R6，第五电阻R5的第一端连接电流反馈运算放大器71的输出端，第五电阻R5的第二端连接电流反馈运算放大器71的反相输入端，第六电阻R6的第一端连接第五电阻R5的第二端，第六电阻R6的第二端接地，调幅正弦信号接入电流反馈运算放大器71的同相输入端。

按照虚短原理，第五电阻R5和第六电阻R6之间的节点电位基本与调幅正弦信号一致，电压差形成负反馈电流进入电流反馈运算放大器71的反相输入端，实现跨阻增益。通过设置第五电阻R5和第六电阻R6的阻值可以调整功率放大电路7的闭环增益，在满足功率要求的同时减小失真。

为实现原子磁强计的小型化，采用高频加热的原子磁强计可采用SERF原子磁强计。

本申请的原子磁强计具有下列优点之一：

1)设计集成电路系统实现波形发生器、乘法器、功率放大器三个仪器的功能，产生高纯度的正弦加热电流。

2)相对仪器而言，电路系统体积小，成本低，维护升级简易快捷，是实现磁强计阵列化的必要手段。

3)采用高频调制技术，将加热驱动电压调制到较高频率，从而使产生的噪声远离原子磁强计的低频测量范围，降低对原子磁强计测量精度的影响。

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。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。

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对申请专利范围的限制。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。

Claims

1.采用高频加热的原子磁强计，其特征在于，包括：

光线发生装置，用于发射探测光线；

加热元件，用于加热所述气室；

正弦波发生器，用于产生高频正弦信号；

2.根据权利要求1所述的采用高频加热的原子磁强计，其特征在于，所述正弦波发生器包括：

电压反馈运算放大器，输出端产生所述高频正弦信号；

3.根据权利要求2所述的采用高频加热的原子磁强计，其特征在于，所述稳幅网络包括：

第一二极管，阴极连接所述电压反馈运算放大器的输出端；

4.根据权利要求3所述的采用高频加热的原子磁强计，其特征在于，所述第一电阻的阻值是所述第二电阻的阻值的1.8～2倍。

5.根据权利要求2所述的采用高频加热的原子磁强计，其特征在于，所述选频网络包括：

第一电容，第一端连接所述电压反馈运算放大器的输出端；

第二电容，并联于所述第四电阻的两端。

6.根据权利要求5所述的采用高频加热的原子磁强计，其特征在于，所述第一电容的容值与所述第二电容的容值相等，所述第三电阻的阻值与所述第四电阻的阻值相等。

7.根据权利要求1所述的采用高频加热的原子磁强计，其特征在于，所述乘法器具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端用于接收所述温度控制信号，所述第二输入端用于接收所述高频正弦信号，所述乘法器的输出端产生所述调幅正弦信号，所述乘法器的满量程输出误差小于2％，所述第二输入端的非线性误差小于0.1％。

8.根据权利要求1所述的采用高频加热的原子磁强计，其特征在于，所述乘法器的小信号带宽大于1MHz。

9.根据权利要求1所述的采用高频加热的原子磁强计，其特征在于，所述负反馈网络包括第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的第一端连接所述电流反馈运算放大器的输出端，所述第五电阻的第二端连接所述电流反馈运算放大器的反相输入端，所述第六电阻的第一端连接所述第五电阻的第二端，所述第六电阻的第二端接地，所述调幅正弦信号接入所述电流反馈运算放大器的同相输入端。

10.根据权利要求1所述的采用高频加热的原子磁强计，其特征在于，还包括：

温度传感器，用于检测所述气室的温度并产生温度信号；

控制器，用于根据所述温度信号产生所述温度控制信号。