屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法

1.本发明涉及光学检测、磁场探测与分析技术领域，特别是一种屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法，该方法聚焦于自旋极化的电子在外磁场下的共振特性，是一种适用于原子自旋磁强计的快速、原位、高精度残余磁场测量方法或一种基于电子顺磁共振的原子磁强计残余磁场测量方法。


背景技术：

2.随着量子操控技术与极弱信号检测及提取技术的飞速发展，全光学原子磁强计随之迅猛发展。与传统的超导量子干涉仪(superconducting quantum interference devices,squids)不同，原子磁强计不需要液体4he进行低温冷却，而且操控更加便捷。在众多类型的原子磁强计中，尤以基于无自旋交换弛豫(spin
‑
exchange relaxation free,serf)效应的原子磁强计最为引人注目。来自普林斯顿大学的romalis的团队在2010年实现了0.16ft/hz
1/2
的磁场测量灵敏度，并已成功应用于脑磁图(magnetoencephalogram,meg)和心磁图(magnetocardiogram,mcg)测量的研究。
3.原子磁强计操控在serf态的重要特征之一是自旋交换率远大于拉莫尔进动频率。通常情况下，实现原子自旋serf态有两种途径：一是在一定磁场强度下，通过提升碱金属原子密度数(即工作温度)提高自旋交换率；二是在一定的工作温度范围内，通过抑制残余磁场幅值降低拉莫尔进动频率。然而，这两种方法相得益彰。残余磁场越低，实现原子自旋serf态所需的工作温度越低。由此可见，实现残余磁场的原位测量是实现原子自旋serf态的根本所在。
4.传统的残余磁场测量方法是利用放置于待测残余磁场中心位置的磁传感探头完成测量，但此方法更适用于对测量精度要求不高的情况，如地磁场强度测量。此外，传统测量方法若用于测量基于serf效应的原子磁强计内残余磁场仍有一些局限性：一方面，在一个较小的磁场均匀区范围内，磁传感器探头与原子磁强计敏感表头之间的位置偏差将导致测量误差；另一方面，测量精度受限于磁传感器精度。因此，利用基于serf效应的原子磁强计敏感表头实现残余磁场原位测量是最佳方案。seltzer等人研究了原子磁强计残余磁场三轴分量的同步独立测量方法，通过分别施加在x和z轴的两个不同幅值和频率的调制磁场并利用锁相放大器对输出信号进行监测和解调，获取与磁场三轴分量幅值成正比的信号。walker等人提出了屏蔽环境下原子磁强计的z场参数调制法，该方法在利用z向磁场参数调制抑制非磁性技术噪声的同时检测x和y方向残余磁场分量。ito等人借助其自研发的混合抽运光泵原子磁强计，利用线性阵列光电二极管和电荷耦合传感器来即时测量由测试线圈产生的一维和二维磁场分布状态。gusarov等人通过在垂直于检测光方向连续逐层抽运气室并由阵列光电二极管收集信号来实现serf原子磁强计内3
‑
d残余磁场的测量，但因抽运光扩束所致的光强不均匀影响了磁场测量精度。基于前期研究工作，gusarov等人近期提出了基于多通道抽运
‑
检测配置下的serf原子磁强计内部空间残余磁场测量方法，该方法通过空间选择性地抽运气室并分析原子极化率完成测量过程。房建成等提出了基于单光束方
案的磁场三分量独立测量方法，以及基于检测光调制的serf原子自旋磁强计z方向磁场分布测量方法。然而，上述磁场测量方法有些由于装置配置等限制难以直接在serf磁场测量装置上使用，有些测量精度有限，而有些则无法实现磁场三轴分量测量。因此，探索一种原位高精度残余磁场三轴分量测量方法尤为重要。
5.为解决上述问题、弥补现有方法不足，本发明提出一种基于电子顺磁共振理论的原子磁强计残余磁场三轴分量原位测量方法。本发明针对残余磁场影响原子磁强计灵敏度进而制约其性能问题，提出了利用自旋极化的电子在外磁场下的共振特性实现残余磁场三轴分量原位测量的方法。本发明填补了缺乏快速、高精度、原位serf原子磁强计残余磁场三轴分量测量方法的缺憾，可为残余磁场三轴分量的自动测量与实时补偿提供理论参考和方法支撑，并为serf原子磁强计提升测量灵敏度提供基础保障。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法，该方法聚焦于自旋极化的电子在外磁场下的共振特性，是一种适用于原子自旋磁强计的快速、原位、高精度残余磁场测量方法或一种基于电子顺磁共振的原子磁强计残余磁场测量方法，本方法弥补了现有方法测量精度低等方面不足，为补偿残余磁场提供理论支撑，有助于实现残余磁场的自动测量与实时补偿，并将为serf原子磁强计提升性能提供基础保障。
7.本发明的技术解决方案如下：
8.屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法，其特征在于，包括利用自旋极化的电子在外磁场作用下所发生顺磁共振现象中的自旋极化电子共振频率与外磁场幅值成正比的关系，拟合获取共振频率信息，通过共振频率信息依次进行z轴残余磁场分量测量，x轴残余磁场分量测量，以及y轴残余磁场分量测量。
9.包括以下步骤：
10.步骤1，自旋极化的电子在外磁场作用下发生顺磁共振现象，且共振频率ω0与外磁场幅值b0成正比，
11.ω0＝γb0ꢀꢀꢀ
(1)
12.其中，γ为电子旋磁比；
13.步骤2，步骤1所述的共振频率ω0通过下式拟合获取，
[0014][0015]
其中，f(υ)为顺磁共振输出信号，a和b为常数，υ为扫场频率，lw为共振线宽；
[0016]
步骤3，z轴残余磁场分量b
rem
‑
z
测量，沿z轴正负方向分别施加幅值相同的两个应用磁场和上标中的+表示正向，上标中的
‑
表示负向，下标中的z表示z轴，同时沿y轴施加一正弦扫描磁场，那么z轴所施加的两个应用磁场与该轴残余磁场分量b
rem
‑
z
形成的合磁场和分别为，
[0017]
[0018][0019]
步骤4，在步骤3所述的两个合磁场下，自旋极化的电子发生共振，且根据公式(1)共振频率分别为，
[0020][0021][0022]
步骤5，根据公式(5)和公式(6)，z轴残余磁场分量为，
[0023][0024]
步骤6，根据公式(2)拟合提取的共振频率信息，利用公式(7)获取z轴残余磁场分量；
[0025]
步骤7，x轴残余磁场分量b
rem
‑
x
测量，首先根据步骤(7)获取的z轴残余磁场分量信息，将z轴残余磁场粗略调零，然后沿z轴施加一个已知幅值的固定应用磁场b
z
‑
fixed
，同时沿x轴正负方向分别施加幅值相同的两个应用磁场和下标x表示x轴；x轴上这两个应用磁场及残余磁场b
rem
‑
x
与z轴的固定磁场b
z
‑
fixed
分别形成两个合磁场和
[0026][0027][0028]
步骤8，在步骤7所处的两个合磁场下，自旋极化的电子发生共振，且根据公式(1)共振频率分别为，
[0029][0030][0031]
步骤9，根据公式(10)和公式(11)，x轴残余磁场分量为，
[0032][0033]
步骤10，根据公式(2)拟合提取的共振频率信息，利用公式(12)获取x轴残余磁场分量。
[0034]
y轴残余磁场分量b
rem
‑
y
测量，根据步骤6和步骤10得到的z、x轴残余磁场分量值，首先将沿z、x轴残余磁场粗略调零，其它测量过程与x方向残余磁场分量测量过程相同，仅扫描磁场沿x轴施加。
[0035]
y轴残余磁场分量为，
[0036][0037]
式中是自旋极化电子在y轴正向合磁场下的共振频率，是自旋极化电子在y轴负向合磁场下的共振频率。
[0038]
残余磁场三轴分量的方向与其方向合磁场幅值较大的一个相同。
[0039]
本发明的技术效果如下：本发明针对残余磁场影响原子磁强计灵敏度进而制约其性能问题，提出了基于自旋极化电子在外磁场下共振特性的屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法，本发明弥补了现有方法测量精度低等方面不足，为补偿残余磁场提供理论支撑，并为原子磁强计提升性能提供基础保障。
[0040]
本发明屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量具有以下特点：(1)弥补现有光频移测量方法存在的不足；(2)本方有助于实现残余磁场的自动测量与实时补偿；(3)为基于serf效应的原子磁强计提升灵敏度提供基础保障。
附图说明
[0041]
图1是本发明屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法的原理示意图。图1中为沿x轴正方向施加的应用磁场(简称或x轴正向应用磁场)；为沿x轴负方向施加的应用磁场(简称或x轴负向应用磁场)；为沿y轴正方向施加的应用磁场(简称或y轴正向应用磁场)；为沿y轴负方向施加的应用磁场(简称或y轴负向应用磁场)；为沿z轴正方向施加的应用磁场(简称或z轴正向应用磁场)；为沿z轴负方向施加的应用磁场(简称或z轴负向应用磁场)；为沿测量轴正方向合磁场(相应地简称其下标中tot指合，x指x轴，y指y轴，z指z轴)；为沿测量轴负方向合磁场(相应地简称)；b
rem
为残余磁场；ω
+
为自旋极化的电子在下的共振频率；ω
‑
为自旋极化的电子在下的共振频率；b
z
‑
fixed
为沿z轴正方向施加的固定应用磁场；为磁矩。
[0042]
图2为实施本发明屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法的实验装置示意图。图2中附图标记列示如下：1为磁屏蔽桶；2为四分之一波片；3为第一偏振分光棱镜；4为第一二分之一波片；5为第一凸透镜；6为第二凸透镜；7为第一反射镜；8为第一光电探测器；9为第二反射镜；10为第二偏振分光棱镜；11为第二二分之一波片；12为第一光隔离器；13为抽运激光器；14为第三凸透镜；15为激光稳频模块；16为三维线圈；17为碱金属气室；18为第四凸透镜；19为第三偏振分光棱镜；20为第三反射镜；21为第一平衡探测器；22为zurich instruments数字锁相放大器；23为信号发生器；24为数据处理系统；25为加热烤箱；26为起偏器；27为第二光隔离器；28为检测激光器。
[0043]
图3为采用本发明屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法的残余磁场三轴分
量测量结果。图3中显示测得的残余磁场分量幅值，x轴为(9.60
±
0.32)nt，y轴为(2.25
±
0.11)nt，z轴为(2.83
±
0.17)nt。图3中的残余磁场三轴分量方向均为沿相应轴负方向。图3中包括左部图，中部图，和右部图。左部图的横坐标为x轴应用电流(ma)，刻度为0.44，0.46，0.48，0.50，0.52，0.54，0.56，左部图的纵坐标包括居下的残余磁场(nt)，刻度为9.0，9.2，9.4，9.6，9.8，10.0，居上的总磁场(nt)，刻度为35，42，49，56，63，70，77。中部图的横坐标为y轴应用电流(ma)，刻度为0.44，0.46，0.48，0.50，0.52，0.54，0.56，中部图的纵坐标包括居下的残余磁场(nt)，刻度为2.10，2.15，2.20，2.25，2.30，2.35，2.40，居上的总磁场(nt)，刻度为,40，42，44，48，52，56，60。右部图的横坐标为z轴应用电流(ma)，刻度为0.44，0.46，0.48，0.50，0.52，0.54，0.56，右部图的纵坐标包括居下的残余磁场(nt)，刻度为2.10，2.4，2.7，3.0，3.3，3.6，居上的总磁场(nt)，刻度为330，360，390，420，450。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图(图1
‑
图3)和实施例对本发明进行说明。
[0045]
图1是本发明屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法的原理示意图。图2为实施本发明屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法的实验装置示意图。图3为采用本发明屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法的残余磁场三轴分量测量结果。图1中为沿x轴正方向施加的应用磁场；为沿x轴负方向施加的应用磁场；为沿y轴正方向施加的应用磁场；为沿y轴负方向施加的应用磁场；为沿z轴正方向施加的应用磁场；为沿z轴负方向施加的应用磁场；为沿测量轴正方向合磁场；为沿测量轴负方向合磁场；b
rem
为残余磁场；ω
+
为自旋极化的电子在下的共振频率；ω
‑
为自旋极化的电子在下的共振频率；b
z
‑
fixed
为沿z轴正方向施加的固定应用磁场；为磁矩。参考图1至图3所示，屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法，包括利用自旋极化的电子在外磁场作用下所发生顺磁共振现象中的自旋极化电子共振频率与外磁场幅值成正比的关系，拟合获取共振频率信息，通过共振频率信息依次进行z轴残余磁场分量测量，x轴残余磁场分量测量，以及y轴残余磁场分量测量。下面以基于serf效应的k
‑4he原子磁强计为例，具体说明利用本发来描述测量残余磁场三轴分量的过程。
[0046]
屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法，其步骤为：
[0047]
(1)光路调节与连线。按照图2所示的实验装置图，对光路进行精细调节。图2中实验装置包括磁屏蔽桶1，四分之一波片2，第一偏振分光棱镜3，第一二分之一波片4，第一凸透镜5，第二凸透镜6，第一反射镜7，第一光电探测器8，第二反射镜9，第二偏振分光棱镜10，第二二分之一波片11，第一光隔离器12，抽运激光器13，第三凸透镜14，激光稳频模块15，三维线圈16，碱金属气室17，第四凸透镜18，第三偏振分光棱镜19，第三反射镜20，第一平衡探测器21，zurich instruments数字锁相放大器22(其输出信号为顺磁共振输出信号f(υ)，扫场频率的函数，分轴和正负方向可分别表示为场频率的函数，分轴和正负方向可分别表示为信号发生器23，数据处理系统24，加热烤箱25，起偏器26，第二光隔离器27，检测激光器28。
[0048]
(2)系统准备。开启加热系统，将碱金属气室加热至170℃。抽运激光器功率调节至5mw，检测激光器功率调节至3.2mw。
[0049]
(3)开始测试。测试顺序是先z轴，后x、y轴。
[0050]
(4)沿z轴正负方向分别施加幅值为300nt的直流稳态应用磁场，同时沿y轴施加幅值100mv的正弦扫描磁场。那么z轴应用磁场与残余磁场形成的合磁场和以及共振频率分别为，
[0051][0052][0053][0054][0055]
(5)步骤(4)所述的共振频率可以根据下式拟合获取，
[0056][0057][0058]
其中，和为正向和负向顺磁共振输出信号，a和b均为常数，v为扫场频率，lw为共振线宽；
[0059]
(6)根据公式(14)和公式(15)，可知z轴残余磁场分量为，
[0060][0061]
(7)利用从公式(16)和公式(17)拟合提取的共振频率信息代入公式(18)，即可获取z轴残余磁场分量。
[0062]
(8)根据步骤(7)得到的z轴残余磁场分量值，首先将沿z轴残余磁场粗略调零，然后在z轴上施加幅值为300nt固定应用磁场b
z
‑
fixed
，与此同时在x正负方向分别施加幅值40.5nt的应用磁场和同时沿y轴施加幅值100mv的正弦扫描磁场。那么x轴应用磁场与残余磁场形成的合磁场和以及共振频率分别为，
[0063][0064][0065][0066][0067]
(9)步骤(8)所述的共振频率可以根据下式拟合获取，
[0068]
[0069][0070]
(10)根据公式(21)和公式(22)，可知x轴残余磁场分量为，
[0071][0072]
(11)利用从公式(23)和公式(24)拟合提取的共振频率信息代入公式(25)，即可获取x轴残余磁场分量。
[0073]
(12)根据步骤(7)和步骤(11)得到的z、x轴残余磁场分量值，首先将沿z、x轴残余磁场粗略调零，然后在z轴上施加幅值为300nt固定应用磁场b
z
‑
fixed
，与此同时在y正负方向分别施加幅值38.25nt的应用磁场和同时沿x轴施加幅值100mv的正弦扫描磁场。那么y轴应用磁场与残余磁场形成的合磁场和以及共振频率分别为，
[0074][0075][0076][0077][0078]
(13)步骤(12)所述的共振频率可以根据下式拟合获取，
[0079][0080][0081]
(14)根据公式(30)和公式(31)，可知y轴残余磁场分量为，
[0082][0083]
(15)利用从公式(30)和公式(31)拟合提取的共振频率信息代入公式(32)，即可获取y轴残余磁场分量。
[0084]
(16)重复步骤(1)至步骤(15)。
[0085]
(17)最终测量结果以加权平均值
±
测量不确定度表示。
[0086]
(18)残余磁场三轴分量的方向与其方向合磁场幅值较大的一个相同。
[0087]
(19)利用本发明专利测得的残余磁场三轴分量测量结果如下，
[0088]
原子磁强计残余磁场三轴分量测量结果
[0089][0090][0091]
如图3所示，利用本发明方法测得的残余磁场沿x、y、z三轴分量幅值分别为：(9.60
±
0.32)nt、(2.25
±
0.11)nt、(2.83
±
0.17)nt；残余磁场三轴分量方向均为沿相应轴负方向。
[0092]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。