一种基于固态自旋的磁场测量方法及装置和磁场测量系统与流程

本发明涉及磁场测量技术领域，更为具体的说，涉及一种基于固态自旋的磁场测量方法及装置和磁场测量系统。

背景技术：

微弱磁场测量在地磁导航、地质资源勘探、科学研究、国防建设与医疗仪器等领域都有广泛应用。现阶段用于微弱磁场测量的传感器类型较多，主要包括磁通门传感器、探测线圈传感器、磁阻传感器、巨磁阻抗磁传感器、量子超导干涉仪、基于固态自旋的磁传感器等。

自旋磁共振是物质科学领域的一个基本物理现象，它描述处于外磁场中的原子核或者电子自旋，能够吸收和放出对应频率的电磁辐射，即发生磁共振现象。由于自旋在物质中广泛存在，因而自旋磁共振技术能够用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息，是当代科学中最为重要的物质探索技术之一，其应用也已广泛深人到前沿科学和社会生活的各个领域，比如核磁共振医学诊断等。

基于自旋磁共振技术实现的磁力计通常拥有相对较高的灵敏度。通过光学或微波射频技术实现对自旋的操控，利用自旋对磁场的敏感特性，外磁场的变化会导致电子自旋布居度发生变化，通过对自旋布居度读出可以实现磁场的测量。近年来，基于固态自旋的相关技术快速发展，推动了固态自旋磁传感器技术的发展。同时基于固态自旋的磁传感器由于鲁棒性和灵敏度高等优点，在近些年形成研究热点。但是基于固态自旋的磁传感器测量静磁场的灵敏度要远低于测量高频交变磁场的灵敏度，无法达到某些高灵敏度静磁场测量的应用需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于固态自旋的磁场测量方法及装置和催场测量系统，有效的解决现有技术出现的对磁场测量灵敏度低的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于固态自旋的磁场测量方法，所述磁场测量方法包括：

对待测磁场进行调制处理为调制磁场，所述调制处理包括：对所述待测磁场进行聚集以放大所述待测磁场的磁感应强度，和/或，将所述待测磁场调制为预设频段；

采用基于固态自旋的磁传感器测量所述调制磁场。

可选的，将所述待测磁场调制为预设频段，包括：

通过控制用于调制所述待测磁场的调制结构的磁学性质，以将所述待测磁场调制为所述预设频段。

可选的，通过控制施加至所述调制结构上的电压，而控制所述调制结构的相对磁导率，以将所述待测磁场调制为所述预设频段。

相应的，本发明还提供了一种基于固态自旋的磁场测量装置，所述磁场测量装置包括：

调制器件，所述调制器件用于对待测磁场进行调制处理为调制磁场，所述调制处理包括：对所述待测磁场进行聚集以放大所述待测磁场的磁感应强度，和/或，将所述待测磁场调制为预设频段；

以及，基于固态自旋的磁传感器，所述基于固态自旋的磁传感器用于测量所述调制磁场。

可选的，所述调制器件包括：

磁通聚集单元，所述磁通聚集单元用于对所述待测磁场进行聚集，以放大所述待测磁场的磁感应强度；

以及，设置于所述磁通聚集单元的输出侧的磁场调制单元，所述磁场调制单元用于将所述待测磁场调制为预设频段。

可选的，所述调制器件包括：

磁场调制单元，所述磁场调制单元用于将所述待测磁场调制为预设频段；

以及，设置于所述磁场调制单元的输出侧的磁通聚集单元，所述磁通聚集单元用于对所述待测磁场进行聚集，以放大所述待测磁场的磁感应强度。

可选的，将所述待测磁场调制为预设频段为：

通过控制用于调制所述待测磁场的调制结构的磁学性质，以将所述待测磁场调制为所述预设频段。

可选的，通过控制施加至所述调制结构上的电压，而控制所述调制结构的相对磁导率，以将所述待测磁场调制为所述预设频段。

可选的，所述磁通聚集单元的材质为铁、钴、镍中一种金属或含有其中至少一种的合金。

相应的，本发明还提供了一种磁场测量系统，所述磁场测量系统包括上述的基于固态自旋的磁场测量装置。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

本发明提供了一种基于固态自旋的磁场测量方法及装置和磁场测量系统，所述磁场测量方法包括：对待测磁场进行调制处理为调制磁场，所述调制处理包括：对所述待测磁场进行聚集以放大所述待测磁场的磁感应强度，和/或，将所述待测磁场调制为预设频段；采用基于固态自旋的磁传感器测量所述调制磁场。由上述内容可知，本发明提供的技术方案，通过对待测磁场进行聚集而放大待测磁场的磁感应强度，和/或，通过将待测磁场调制为预设频段，而后基于固态自旋的磁传感器对该调制处理后的调制磁场进行测量，以提高基于固态自旋的磁传感器的对磁场测量的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种基于固态自旋的磁场测量方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的另一种基于固态自旋的磁场测量方法的流程图；

图3为本申请实施例提供的一种基于固态自旋的磁场测量装置的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种磁场调制单元的相对磁导率和放大率的曲线图；

图5为本申请实施例提供的一种基于固态自旋的磁传感器处的磁场放大率随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所述，基于自旋磁共振技术实现的磁力计通常拥有相对较高的灵敏度。通过光学或微波射频技术实现对自旋的操控，利用自旋对磁场的敏感特性，外磁场的变化会导致电子自旋布居度发生变化，通过对自旋布居度读出可以实现磁场的测量。近年来，基于固态自旋的相关技术快速发展，推动了固态自旋磁传感器技术的发展。同时基于固态自旋的磁传感器由于鲁棒性和灵敏度高等优点，在近些年形成研究热点。但是基于固态自旋的磁传感器测量静磁场的灵敏度要远低于测量高频交变磁场的灵敏度，无法达到某些高灵敏度静磁场测量的应用需求。

基于此，本申请实施例提供了一种基于固态自旋的磁场测量方法及装置，有效的解决现有技术出现的对磁场测量灵敏度低的问题。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图5对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图1所示，为本申请实施例提供的一种基于固态自旋的磁场测量方法的流程图，其中，所述磁场测量方法包括：

s1、对待测磁场进行调制处理为调制磁场，所述调制处理包括：对所述待测磁场进行聚集以放大所述待测磁场的磁感应强度，和/或，将所述待测磁场调制为预设频段；

s2、采用基于固态自旋的磁传感器测量所述调制磁场。

由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，通过对待测磁场进行聚集而放大待测磁场的磁感应强度，和/或，通过将待测磁场调制为预设频段，而后基于固态自旋的磁传感器对该调制处理后的调制磁场进行测量，以提高基于固态自旋的磁传感器的对磁场测量的灵敏度。

本申请实施例提供的磁场测量方法，根据实际应用场景，可以只对待测磁场进行聚集后得到调制磁场；或者，只对待测磁场进行调制为预设频段后得到调制磁场；还可以对待测磁场进行聚集和调制为预设频段后得到调制磁场。参考图2所示，为本申请实施例提供的另一种基于固态自旋的磁场测量方法的流程图，其中，所述磁场测量方法包括：

s11、对所述待测磁场进行聚集以放大所述待测磁场的磁感应强度；

s12、将所述待测磁场调制为预设频段后得到所述调制磁场；

s2、采用基于固态自旋的磁传感器测量所述调制磁场。

其中，本申请实施例提供的测量方法，通过优化聚集待测磁场的几何结构等参数，能够使得对待测磁场的磁感应强度的达到预定的放大效果，进而能够使得基于固态自旋的磁传感器的灵敏度提高。以及，对待测磁场进行调制为预设频段，以适用于基于固态自旋的磁传感器，进一步提高基于固态自旋的磁传感器的测磁灵敏度。

需要说明的是，本申请实施例提供的测量方法还能够通过优化聚集待测磁场的几何结构等参数，以及，对待测磁场的预设频段进行优化，使其不仅仅适用于基于固态自旋的磁传感器，还适用于其他类型的磁传感器，如磁阻类磁传感器、超导量子干涉仪、磁通门磁传感器、感应线圈磁传感器等。

在本申请一实施例中，通过对调制待测磁场的调制结构的调制频率的改变，如达到百khz量级，能够有效的抑制噪声且契合磁传感器的测量，能够使得基于固态自旋的磁传感器的测量灵敏度提高几个数量级。本申请实施例提供的调制结构可以通过改变磁学性质，以达到对待测磁场进行调制的目的，即将所述待测磁场调制为预设频段，包括：

通过控制用于调制所述待测磁场的调制结构的磁学性质，以将所述待测磁场调制为所述预设频段。

在本申请一实施例中，本申请提供的调制结构的材料可以为通过施加电压即能改变其相对磁导率的材料，进而能够通过控制施加至所述调制结构上的电压，而控制所述调制结构的相对磁导率，以将所述待测磁场调制为所述预设频段，对此本申请不做具体限制，还可以通过其他方式将待测磁场调制为预设频段。

相应的，本申请实施例还提供了一种基于固态自旋的磁场测量装置，所述磁场测量装置包括调制器件，所述调制器件用于对待测磁场进行调制处理为调制磁场，所述调制处理包括：对所述待测磁场进行聚集以放大所述待测磁场的磁感应强度，和/或，将所述待测磁场调制为预设频段；

以及，基于固态自旋的磁传感器，所述基于固态自旋的磁传感器用于测量所述调制磁场。

具体参考图3所示，为本申请实施例提供的一种基于固态自旋的磁场测量装置的结构示意图，其中，所述磁场测量装置包括调制器件和基于固态自旋的磁传感器200，其中，所述调制器件包括：

磁通聚集单元100，所述磁通聚集单元100用于对待测磁场b进行聚集，以放大所述待测磁场b的磁感应强度；

以及，设置于所述磁通聚集单元100输出侧的磁场调制单元300，所述磁场调制单元300用于将所述待测磁场b调制为预设频段，以得到调制磁场；

其中，所述基于固态自旋的磁传感器200对得到的所述调制磁场进行测量。

由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，通过对待测磁场进行聚集而放大待测磁场的磁感应强度，以及，通过将待测磁场调制为预设频段得到调制磁场，而后基于固态自旋的磁传感器对该调制处理后的调制磁场进行测量，以提高基于固态自旋的磁传感器的对磁场测量的灵敏度。

或者，在本申请另一实施例中，本申请提供的磁通聚集单元还可以位于磁场调制单元后，即，本申请实施例提供的所述调制器件包括：

磁场调制单元，所述磁场调制单元用于将所述待测磁场调制为预设频段；

以及，设置于所述磁场调制单元的输出侧的磁通聚集单元，所述磁通聚集单元用于对所述待测磁场进行聚集，以放大所述待测磁场的磁感应强度。

本申请提供的磁通聚集单元用于将待测磁场进行聚集，其中，磁通聚集单元可以由具有高相对磁导率的材料制作而成。在本申请提供的磁通聚集单元由高相对磁导率材料制作而成时，假设该磁通聚集单元设置于均匀外磁场hex中，由于退磁场的作用，磁通聚集单元内部的有效磁场heff为heff＝hex-hd；

其中，hd为磁通聚集单元的退磁场，有hd＝-nm，m为磁通聚集单元的磁化强度，n为磁通聚集单元的退磁因子，且其大小与m无关，只依赖于磁通聚集单元的几何形状及所选取的坐标，一般情况下为一个二阶张量。

磁通聚集单元的磁化强度m＝(ur-1)heff，ur为磁通聚集单元的相对磁导率，u0为真空磁导率。对于均匀的各向同性的磁通聚集单元，假定磁场的方向为x方向，则有：hd＝-nxm＝-(ur-1)nxheff；

磁感应强度bx为：bx＝u0urheff＝u0urhex/[1+(ur-1)nx]；

可定义放大率g为：g＝bx/u0hex＝ur/[1+(ur-1)nx]；

由此，可以看出放大率g与磁通聚集单元的相对磁导率ur以及磁通聚集单元的退磁因子n有关，当磁通聚集单元相对磁导率ur趋向于无穷时，其放大率g趋向于最大值为：g＝1/nx；

综上内容，说明随着磁通聚集单元的相对磁导率ur逐渐增大，其变化对于放大率g的影响逐渐减小，在相对磁导率足够大时，放大率g主要由其退磁因子n所决定。又由于退磁因子n依赖于磁通聚集单元的几何形状，所以磁通聚集单元的放大率g的上限由磁通聚集单元的形状参数所决定。

对于具有对称形状的高相对磁导率的各向同性的磁通聚集单元而言，该磁通聚集单元沿其中间对称轴位置分割为两个相同的对称结构，其中间缝隙位置的磁感应强度大于不存在此磁通聚集单元时环境中的磁感应强度，且缝隙宽度越小，磁感应强度越大。故而，通过优化该缝隙宽度，以在缝隙处放置基于固态自旋的磁传感器即能测量聚集后的磁场强度放大的待测磁场。同时，磁通聚集单元的各个方向的退磁因子不尽相同，因此对于同一磁通聚集单元，对其施加的待测磁场的方向不同时，其聚集效果也会发生变化。此外，磁通聚集单元对于不均匀的待测磁场和交变待测磁场同样具有聚集效果。

如图3所述，本申请实施例提供的磁通聚集单元100包括有对称设置的第一聚集单元110和第二聚集单元120，其中，基于固态自旋的磁传感器200设置于磁通聚集单元100的输出侧(即设置于磁通聚集单元100对待测磁场b的聚集侧)。本申请实施例提供的每一聚集单元的接收侧(即接收待测磁场一侧)宽度大于聚集侧(即对待测磁场聚集后输出一侧)宽度，以此得到对待测磁场进行聚集的目的。其中，接收侧的宽度a1可以为8cm，接收侧的长度d1为2cm，且聚集侧的宽度a2可以为2mm，聚集侧的长度d2为2cm，接收侧和聚集侧的厚度均为1mm，第一聚集单元110和第二聚集单元120之间的间距为1mm。待测磁场b的方向与聚集方向非垂直，可选的待测磁场b的方向与聚集方向平行。

在本申请一实施例中，本申请提供的磁通聚集单元的材质可以为坡莫合金，或者为铁、钴、镍中一种金属或含有其中至少一种的合金，对此本申请不做具体限制。

需要说明的是，本申请实施例提供的磁通聚集单元，其还可以仅仅由一个聚集单元组成，对此本申请不做具体限制。

在本申请一实施例中，通过对调制待测磁场的调制结构(如磁场调制单元)的调制频率的改变，如达到百khz量级，能够有效的抑制噪声且契合磁传感器的测量，能够使得基于固态自旋的磁传感器的测量灵敏度提高几个数量级。本申请实施例提供的调制结构可以通过改变磁学性质，以达到对待测磁场进行调制的目的，即将所述待测磁场调制为预设频段，包括：

通过控制用于调制所述待测磁场的调制结构的磁学性质，以将所述待测磁场调制为所述预设频段。

在本申请一实施例中，本申请提供的调制结构的材料可以为通过施加电压即能改变其相对磁导率的材料，进而能够通过控制施加至所述调制结构上的电压，而控制所述调制结构的相对磁导率，以将所述待测磁场调制为所述预设频段，对此本申请不做具体限制，还可以通过其他方式对待测磁场的频段进行调制。

由上述内容可知，对待测磁场的调制可以有磁通聚集单元完成，还可以由磁场调制单元完成，其中，调制深度h为：h＝(bmax-bmin)/b，bmax为调制过程中基于固态自旋的磁传感器处的磁感应强度达到的最大值，bmin为调制过程中基于固态自旋的磁传感器处的磁感应强度达到的最小值，b为未经调制而仅仅聚集过程中基于固态自旋的磁传感器处的磁感应强度的大小，因此，通过优化调制结构的尺寸、相对磁导率变化范围等方式，可以对调制效果进行优化。

在本申请一实施例中，如图3所示，可以将磁场调制单元300设置于第一聚集单元110的聚集侧。可选的，第一聚集单元110的聚集侧边缘部分可以采用调制结构的材料而形成磁场调制单元300，磁场调制单元300的大小可以为长1.5mm、宽度2mm、厚度1mm。当对磁场调制单元300施加电压而使其相对磁导率变化时，基于固态自旋的磁传感器200处的磁场强度大小发生变化，如图4所示的磁场调制单元的相对磁导率和放大率的变化曲线。如果使磁场调制单元300的相对磁导率发生周期性变化，如变化曲线为u＝50+45sin(t*2π/t)，其中u为磁场调制单元的相对磁导率，t为时间，t为变化周期，则基于固态自旋的磁传感器处的磁场放大率变化如图5所示，放大率的最大值为51.9，放大率的最小值为38.2，调制效率为25.9％，通过磁场调制单元的相对磁导率的变化可以调制待测磁场为预设频段，达到提高测量灵敏度的目的。

本申请实施例通过基于固态自旋的磁传感器对调制磁场进行测量，其中，电子具有自旋磁矩，在外磁场的作用下，电子的能级会发生分裂，称作塞曼分裂，塞曼分裂所产生的能级差与外磁场的大小有关。电子在不同的能级之间跃迁时，须遵守跃迁选择定则，这与能级的各个量子数有关。所以电子在不同的能级之间能否跃迁，要取决于电子的自旋状态。常见的基于固态自旋的磁传感器测量磁场有几种方法。其一，脉冲式测磁方法，当电子自旋处于叠加态时，外界磁场会使得电子自旋累加相对相位；利用这个特性，可以制成基于自旋的磁探头，首先将其制备到叠加态，然后使其在外磁场下自由演化或用微波脉冲序列控制其演化，这时体系的叠加态会积累相对相位，最后将相对相位映射到布居度上，读出信号，从而得到磁场的信息。其二，连续波式测磁方法，电子自旋磁矩在不同强度的外磁场作用下，电子能级之间的塞曼分裂不同，通过对电子自旋连续波谱共振频率及其变化进行测量，即可得到磁场信息。此外，上述未提及的其他利用基于固态自旋体系的性质测量磁场的方法，均可在本专利思路下达到相同效果，均属于本专利保护范围。

具体地，可以利用nv色心进行磁场测量，nv色心的未成对电子组成一个自旋三重态-单态体系。其三重态的基态³e与第一激发态³a之间的能级差为1.945ev，对应零声子线是637nm。所以当用一束能量大于等于1.945ev的激光激发nv色心时，色心会发出近红外荧光，这一过程与电子的自旋状态有关。当电子自旋处在ms＝0的状态上时，用激光激发，电子会有极大概率在³e与³a之间跃迁，这时发出荧光光子；当电子自旋处在ms＝±1时，电子会有较大概率经过¹a态弛豫到ms＝0态，不会有荧光光子发出。当电子自旋处于叠加态时，外界磁场会使得不同的基矢上累加相对相位。对此，首先将其制备到叠加态，然后使其在处理后的磁场下自由演化或用脉冲序列控制其演化，这时nv色心的叠加态会积累相对相位。最后将相对相位映射到布居度上，读出其荧光信号，从而得到待测磁场的磁感应强度、频率等信息，最终达到采用基于固态自旋的磁传感器测量待测磁场的目的。

本申请实施例提供了一种基于固态自旋的磁场测量方法及装置和磁场测量系统，所述磁场测量方法包括：对待测磁场进行调制处理为调制磁场，所述调制处理包括：对所述待测磁场进行聚集以放大所述待测磁场的磁感应强度，和/或，将所述待测磁场调制为预设频段；采用基于固态自旋的磁传感器测量所述调制磁场。由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，通过对待测磁场进行聚集而放大待测磁场的磁感应强度，和/或，通过将待测磁场调制为预设频段，而后基于固态自旋的磁传感器对该调制处理后的调制磁场进行测量，以提高基于固态自旋的磁传感器的对磁场测量的灵敏度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。