[發(fā)明專利]一種基于原子自旋效應(yīng)的多通道梯度磁場測量裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010731080.3
• 申請日: 2020-07-27
• 公開（公告）號: CN111929622B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周斌權(quán);尹凱峰;柳治;王婧;閆業(yè)廣;尚慧寧
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01R33/022
• 分類號: G01R33/022
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11129
• 代理人: 吳小燦;張濤

一種基于原子自旋效應(yīng)的多通道梯度磁場測量裝置，其要解決的技術(shù)問題是：克服已有磁梯度測量技術(shù)靈活性差、靈敏度低、不利于小型化等缺點，基于原子自旋效應(yīng)，利用單束探測光即可實現(xiàn)空間磁場測量，同時裝置內(nèi)部具有多路平行探測光束，可同時探測空間多位置處的磁場，通過不同位置處磁場進(jìn)行梯度差分，實現(xiàn)空間梯度磁場測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及原子磁強(qiáng)計/梯度計技術(shù)，特別是一種基于原子自旋效應(yīng)的多通道梯度磁場測量裝置。

背景技術(shù)

隨著量子技術(shù)、激光技術(shù)的不斷發(fā)展，基于量子自旋系綜操控的磁場測量技術(shù)發(fā)展迅速并且在各個領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，包括：深空深地磁異常探測、礦產(chǎn)勘探、生物極弱磁測量等領(lǐng)域。其中，生物極弱磁測量如心腦磁測量、肌肉磁測量、細(xì)胞測量等，具有重大研究意義。心腦磁測量具有極其重要的經(jīng)濟(jì)、社會、科學(xué)價值：心磁測量可幫助進(jìn)行胸痛快速診斷、冠心病的早期篩查、胎兒心磁異常測量等；腦磁測量可用于難治性癲癇病灶定位、腦功能區(qū)研究，促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展等。心腦磁的測量手段不斷進(jìn)步，從早先的SQUID(Superconducting Quantum Interference Devices，超導(dǎo)量子干涉裝置)測量系統(tǒng)，到目前靈活方便的原子磁強(qiáng)計測量系統(tǒng)，靈活性、成本以及成像能力得到了長足進(jìn)步。隨著生物極弱磁測量研究的不斷深入，人們開始向更寬的研究領(lǐng)域擴(kuò)展，但受環(huán)境電磁干擾現(xiàn)有的單通道磁場測量技術(shù)面臨測量瓶頸，無法提供準(zhǔn)確可靠的信息。而基于原子自旋效應(yīng)的多通道梯度磁場測量，通過梯度磁場測量技術(shù)可進(jìn)一步降低環(huán)境共模噪聲干擾，提高極弱磁探測能力，在靈敏度、信噪比、成像空間分辨率等方面具有較大優(yōu)勢，為極弱心腦磁測量提供有力的工具。已有的磁梯度測量技術(shù)通常利用SQUID原理、電磁感應(yīng)原理等手段開展測量，但是存在體積大、靈活性差、探測靈敏度低的問題，不易于小型化集成，在實際使用場景中受限較大。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于原子自旋效應(yīng)的多通道梯度磁場測量裝置，其要解決的技術(shù)問題是：克服已有磁梯度測量技術(shù)靈活性差、靈敏度低、不利于小型化等缺點，基于原子自旋效應(yīng)，利用單束探測光即可實現(xiàn)空間磁場測量，同時裝置內(nèi)部具有多路平行探測光束，可同時探測空間多位置處的磁場，通過不同位置處磁場進(jìn)行梯度差分，實現(xiàn)空間梯度磁場測量。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：

一種基于原子自旋效應(yīng)的多通道梯度磁場測量裝置，其特征在于：包括沿x軸方向從堿金屬原子氣室一側(cè)穿越到另一側(cè)的多路平行探測光束以同時探測所述堿金屬原子氣室中不同空間位置處的磁場，所述多路平行探測光束來自于一一對應(yīng)的多個偏振分光器，所述多個偏振分光器沿z軸方向級聯(lián)設(shè)置，所述多個偏振分光器中只有一個偏振分光器連接激光光源以獲取單束探測光，所述多路平行探測光束出射至一一對應(yīng)的多個偏振分光組合棱鏡，所述多個偏振分光組合棱鏡以一對一方式連接多個平衡光電探測器。

所述多路平行探測光束均為橢圓偏振光，所述激光光源發(fā)射的所述單束探測光為任意偏振態(tài)激光。

所述多路平行探測光束具有相同的光強(qiáng)。

所述堿金屬原子氣室的外圍設(shè)置有無磁電加熱器，所述無磁電加熱器的外圍設(shè)置有磁場線圈，所述磁場線圈的外部設(shè)置有磁屏蔽裝置，所述多個平衡光電探測器分別連接鎖相放大器，所述鎖相放大器連接信號發(fā)生器，所述信號發(fā)生器連接所述磁場線圈。

所述信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波或方波電壓信號作用于所述磁場線圈，進(jìn)而對所述堿金屬原子氣室中的堿金屬原子自旋進(jìn)行調(diào)制，被調(diào)制后的原子自旋信號因受到環(huán)境磁場影響，環(huán)境磁場變化引起光束旋光角產(chǎn)生變化，反映在平衡光電探測器探測到的電流信息中，所述平衡光電探測器輸出的電流信號經(jīng)過跨阻放大器進(jìn)行信號放大后輸入所述鎖相放大器。