基于Herriott型多通池的SERF原子磁力仪研究

为提高无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力仪的探测灵敏度,提出一种通过增加探测光在气室内部与泵浦光相互作用的光程长来提高SERF原子磁力仪探测灵敏度的方法,该方法采用在原子气室外侧搭建Herriott型多通池系统来实现复杂光路以及长光程,将系统整体放置在屏蔽筒内部,并利用3D软件对该无磁检测系统进行设计与制作。与传统型SERF原子磁力仪进行实验对比,该方案实现了在多频点的探测灵敏度不低于34 fT/Hz~(1/2)的性能,可解决复杂光路的光学结构与原子磁力仪相结合这一问题,为未来采用F-P积分腔的形式来进一步提升磁力仪性能打下良好基础。     

单光束小型化全光原子磁强计的设计与热场分析

无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计是一种超高灵敏度磁强计,其小型化的研究对磁强计应用至关重要.其中,光路布局是制约其尺寸与灵敏度的关键因素.设计了一种单光束小型化原子磁强计,该磁强计为圆柱体,底面圆直径为21.2 mm,高为40.5 mm,并对其进行了热仿真实验.实验表明,该设计结构合理,且易于进行多通道测量,在脑磁...     

SERF原子磁强计最新进展及应用综述

超高灵敏度磁场测量具有重要的科学和经济意义。利用原子自旋效应进行物理量的精密测量已成为近年来实验物理领域的一种重要手段,其中无自旋交换弛豫（SERF）原子磁强计因其具备的超高灵敏度而备受关注。碱金属气室是SERF原子磁强计的灵敏核心,原子源种类决定了其测量灵敏度的极限。将SERF原子磁强计的研究成果按照碱金属原子源分类总结,分析其研究方法,综述其研究进展以及在实际应用中所取得的突破,对SERF原子磁强计有待进一步拓展的方向和所面临的挑战进行展望,对该领域未来的研究有重要的参考意义与实用价值。     

全光Cs原子磁力仪的温度特性研究

全光铯(Cs)原子磁力仪是一种高灵敏度弱磁检测仪,核心器件Cs原子气室的工作温度直接决定了原子磁力仪的灵敏度。实验系统中采用频率锁定在Cs原子D1线F=3→F′=4共振线的圆偏振光极化Cs原子,检测光采用频率锁定在Cs原子D2线F=4→F′=5共振线的线偏振光,检测介质的圆二向色性。实验发现,随着Cs原子气室工作温度的升高,磁力仪输出信号幅度先增加然后逐渐衰减,而磁力仪的线宽近似线性增加。实验测试了温度由25℃升高至45℃时的磁力仪输出信号,结果表明:当温度为37.6℃时,原子磁力仪达到最佳灵敏度。     

K原子磁力仪的发展

评述了近十几年来K原子磁力仪的研究进展,介绍了K原子磁力仪的工作原理、优缺点,以及相关的应用。提出了一种新型的脑磁图检测装置以及一种全新的基于K原子磁力仪的脑磁场检测方法。最后,在综述K原子磁力仪的基础上,对其应用前景进行了展望。     

基于SERF原子磁强计的三轴磁场顺序补偿方法研究

无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计是一种灵敏度非常高的磁强计,而剩余磁场强度是影响SERF原子磁强计灵敏度的主要因素之一。为此,提出了一种SERF原子磁强计三轴磁场顺序补偿方法,该方法将剩磁范围分为三个部分,每个部分对应不同的补偿方式,并且使用软件对顺序补偿的整个过程进行了仿真实验。实验表明,该方法可以不受补偿前原始剩磁大小的影响,更具有普适性。     

小型SERF原子磁力计三轴静磁场主动补偿电路设计

无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力计是当前灵敏度最高的磁场测量传感器,具有广泛的应用前景。而小型SERF原子磁力计易受到地磁环境及内部元件剩磁影响,需对磁力计周围剩磁进行补偿,使其工作在近乎零磁场环境下(<1 nT),以实现高量灵敏度测量。对此,文中基于现场可编程门阵列(FPGA)设计开发了单泵浦光小型SERF原子磁力计三轴静磁场主动补偿控制电路,通过对原子磁力计三轴线圈施加直流扫描磁场,快速准确实现了-60～60 nT三轴磁场同步补偿。测量轴方向平均补偿精度分别达到0.12 nT和0.25 nT,泵浦光轴方向平均补偿精度达到0.36 nT,可满足小型SERF原子磁力计高灵敏测量要求。     

无自旋交换弛豫原子磁强计的主动磁补偿

由于外界磁场扰动会降低无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计的磁场测量灵敏度,本文根据SERF原子磁强计的测量原理,提出了一种基于原位磁测补偿外部磁场扰动的方法。该方法通过调制解调的方法对3个方向的磁场进行解耦,实现3个方向磁场信息的独立测量。然后,将3个方向磁场的测量信息作为反馈,调节电流源输出给线圈的电流,使线圈产生一个与外界扰动磁场大小相同方向相反的补偿磁场。最后,在现有的SERF原子磁强计实验平台上搭建了主动磁补偿系统,实现了对外部扰动磁场的补偿。与手动补偿方式相比,本文提出的主动磁补偿方法可将剩余磁场的平均值从0.317 8nT降低到0.040 4nT,同时将剩余磁场的均方差由0.348 1nT降低到0.024 7nT。得到的实验结果验证了本文所述方法的有效性。     

矢量原子磁力仪中旋转磁场产生装置的研制

阐述了利用抽运-检测型原子磁力仪研制的磁场旋转调制法矢量原子磁力仪的工作原理、系统组成以及对旋转磁场的技术要求,根据该矢量原子磁力仪对旋转磁场的技术要求,提出了一种高性能旋转磁场产生装置.该装置通过DDS相位同步技术实现了正弦信号间相位差的补偿和精密调控,相位调控精度的理论设计值为0.022°;建立相应的电路模型,通过...     

磁记忆信号定量分析的电子交换模型及性能

磁记忆法可以有效地判断铁磁性金属构件的应力损伤区域。但是,磁记忆自发漏磁信号形成机理和影响因素复杂,不同应力集中程度的磁记忆信号特征很难得到定量化分析,严重影响了该项技术的实际应用。根据电子自旋理论,建立了s-d轨道电子交换模型,计算了晶体屈服前后电子自旋态密度、原子磁矩、晶格尺寸的变化规律,进而定量分析磁记忆信号与应力集中程度的对应关系。研究结果表明,磁记忆信号与应力成一一对应的线性变化关系。晶体在屈服前,磁记忆效应主要由d轨道电子自旋作用决定,磁记忆信号与应力的对应关系具有很好的可重复性;晶体发生屈服后,电子自旋交换作用增强,d轨道电子自旋作用减弱,s轨道电子自旋作用增强,磁记忆信号变化幅度减小,磁记忆效应整体减弱。     

基于暗态扫频法的Rb-Xe自旋交换体系弛豫时间测量方法

在⁸⁷Rb-¹²⁹Xe自旋交换体系中,⁸⁷Rb和¹²⁹Xe弛豫时间的准确测量对于磁共振陀螺及磁力仪相关应用非常重要。针对该需求,分析了泵浦光与激励磁场对⁸⁷Rb弛豫时间的影响以及暗态下的⁸⁷Rb和¹²⁹Xe自旋交换过程,并在理论分析基础上提出了暗态扫频测量方法。实现了对⁸⁷Rb以及¹²⁹Xe的纵向弛豫时间的测量。使用本方法测得了⁸⁷Rb的横向弛豫时间和纵向弛豫时间分别为1.36和5.18 ms,¹²⁹Xe的纵向弛豫时间为519 s,其拟合R²=0.999 9,具有极高的拟合优度。相较于以往的测量方法,暗态扫频法可以彻底消除泵浦光造成的磁场梯度的影响,具有高准确度的优点且操作简便。研究对磁共振陀螺及磁力仪的性能分析与标定具有较高的参考价值。     

Note: Detection of a single cobalt microparticle with a microfabricated atomic magnetometer

We present magnetic detection of a single, 2 μm diameter cobalt microparticle using an atomic magnetometer based on a microfabricated vapor cell. These results represent an improvement by a factor of 10(5) in terms of the detected magnetic moment over previous work using atomic magnetometers to detect magnetic microparticles. The improved sensitivity is due largely to the use of small vapor cells. In an optimized setup, we predict detection limits of 0.17 μm(3).     

高频调制矢量原子磁力仪综述

通过施加调制磁场降低测量1/f噪声、实现矢量化测量,是原子磁力仪中常用的方法。根据调制磁场频率与弛豫率的相对大小,可以分为低频调制和高频调制两大类。本文对高频调制原子磁力仪进行了总结和分类,按照调制磁场方向与抽运光方向的相对位置分为平行调制与垂直调制两大类,之后再按照主磁场方向细分为七类不同的配置。详细分析了其中四类较为常见的配置,分别是垂直调制X型、垂直调制零场型、平行调制Z型和平行调制零场型。从Bloch方程出发,推导了这4类配置的测量解析模型,除了梳理和验证现有文献的理论分析之外,也得到一些现有文献没有提及的测量模型。采用MATLAB Simulink模块进行了数值仿真,验证了解析模型推导过程一些简化处理的合理性。给出了Bloch方程的通用Simulink模型,可用于任意配置原子磁力仪的数值仿真。     

单光束 SERF 磁强计三轴磁场解耦磁补偿校准方法

针对单光束SERF原子磁强计磁补偿过程中的三轴磁场耦合问题,提出了一种对磁强计三轴顺序补偿值进行反向校准的方法,用于减小三轴补偿过程中产生的耦合磁场。首先,构建了三轴磁场耦合数学模型,即一个3×3的耦合系数矩阵,来描述三轴之间的磁场耦合关系,并对实验室磁强计样机进行了三轴耦合系数测试。然后,提出了一种应用三轴耦合系数对三轴顺序补偿值进行反向校准的方法;最后,对比了校准前后的磁补偿效果。实验表明,经三轴顺序补偿反向校准后,磁强计的响应线宽平均变窄2～10 Hz,灵敏度提高3～5 fTHz^1/2,验证了该方法的有效性,为进一步优化磁补偿技术奠定了基础。     

Spatial Nonuniformity of the Sensitivity and the Errors of Induction Magnetometers

Errors arising in the process of studying the magnetic and resistive properties of materials with the use of pulsed induction magnetometers as a result of a local nonuniformity of the magnetometer sensitivity are considered. It is shown that significant nonuniformity leads to distorted current–voltage characteristics of conducting samples and to errors in determining the critical currents of superconductors, which are not eliminated by the standard calibration procedure of magnetometers. Various designs of pickup probes for magnetometers are analyzed from the point of view of the spatial uniformity of their sensitivity, and some recommendations are given for their improvement.     

三轴磁通门磁梯度仪转向差校正方法研究

三轴磁通门传感器应用广泛,但其自身固有的零偏误差、灵敏度误差以及三轴非正交误差对其磁场测量精度有着较大的影响。针对磁通门梯度仪中磁传感器自身的性能参数和摆放方位不一致问题,提出了转向差的校正方法:分别建立了磁通门传感器误差的自校准和互校准数学模型,并采用神经网络算法和最小二乘算法对模型参数进行求解。仿真和试验结果表明,整个校正过程简单可行,在不需要三轴无磁转台以及恒定磁场标准装置等复杂试验设备情况下,利用磁通门梯度仪在稳定的地磁场环境下采集多组磁场数据,能有效降低磁梯度仪转向差引起的测量误差。     

基于原子磁力仪的高精度电流传感器

高精度电流测量对产生核磁共振陀螺中稳恒磁场具有重要意义,基于光泵原子磁测量方式的新型电流传感器实现了对电流的精确测量,可应用在各种高精度设备的校准及其他精密探测领域。这种新型的电流传感器,具有极高的线性度,通过实验表明,基于光泵原子磁力仪的电流传感器线性度最高可达0.000 01%,性能优于其他电流传感器,解决了线性度低的问题。对基于光泵原子磁力仪电流传感器的研究结合实验的研究内容,展望了基于光泵原子磁力仪的电流传感器在电流精密测量领域的应用前景。     

GMR array uniform eddy current probe for defect detection in conductive specimens

The usage of eddy current probes (ECP) with a single magnetic field sensor represents a common solution for defect detection in conductive specimens but it is a time consuming procedure that requires huge amount of scanning steps when large surface specimens are to be inspected. In order to speed-up the nondestructive testing procedure, eddy current probes including a single excitation coil and an array of sensing coils present a good solution. The solution investigated in this paper replaces the sensing coils for giant magneto-resistors (GMRs), due to their high sensitivity and frequency broadband response. Thus, the ECP excitation coil can be driven at lower frequencies than the traditional ones allowing defects to be detected in thicker structures.In this work an optimized uniform eddy current probe architecture including two planar excitation coils, a rectangular magnetic field biasing coil and a GMR magnetometer sensor array is presented. An ac current is applied to the planar spiral rectangular coil of the probe, while a set of GMR magnetometer sensors detects the induced magnetic field in the specimens under test. The rectangular coil provides the DC uniform magnetic field, assuring appropriate biasing of the GMR magnetometers of the probe, setting-up the functioning point on the linear region and at the same branch of the GMR static characteristics. The differences on the images obtained for the same specimen for each GMR are reduced if all sensors are biased on the same working point. Elements of the automated measurement system used to inspect the plate under test using the proposed eddy current probe, including a validation procedure based on a 2D template matching algorithm and the corresponding experimental results are included in the paper.     

Calibration of three-axis fluxgate magnetometers with nonlinear least square method

The accuracy of three-axis magnetometers is limited by different scales, bias of each axis and nonorthogonality between axes, which is usually lower than that of scalar magnetometers. In this paper, the nonlinear least square method is proposed to calibrate three-axis magnetometers. The validity of this method was proved by simulation, in which the estimated parameters of the error model are close to prearranged parameters. In experiment, a three-axis fluxgate magnetometer (DM-050), a two dimensional nonmagnetic rotation equipment and a proton magnetometer (GSM-19T) were used. The scalar value of magnetic field was obtained by proton magnetometer and considered to be the true value. The calibration performance of unscented Kalman filter (UKF), two-step algorithm and nonlinear least square were compared. Experimental results show that the error average and standard deviation of nonlinear least square are the least among the three methods. After calibration, the average of scalar error is reduced from −76.2 nT to −0.00093 nT and the standard deviation is reduced from 10.832 nT to 4.298 nT. The results suggest an effective way for the calibration of three-axis fluxgate magnetometers.