[發明專利]一種超低磁場噪聲的分級分流鎖定磁場穩定系統

有效

• 申請號: 202110608912.7
• 申請日: 2021-06-01
• 公開（公告）號: CN113447865B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 劉雪梅;武海斌;張亮;芮揚;武躍龍
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G01R33/07
• 分類號: G01R33/07;G01R23/16
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明公開了一種超低磁場噪聲的分級分流鎖定磁場穩定系統，通過無接觸探測、分級分流抑制空間體積內磁場特定方向噪聲。基于線圈電流噪聲對空間體積內磁場的影響，設計第一級反饋分流鎖定回路，穩定線圈上低頻電流噪聲和大部分50Hz及其諧波的電流噪聲，將電流噪聲穩定至輸出電流的10^?5；基于環境磁場噪聲對空間體積內磁場噪聲的貢獻，設計第二級反饋分流鎖定回路，用磁場探測器間接探測空間體積磁場特定方向噪聲，在線圈電流中加入與磁場噪聲反相的電流擾動，抵消環境磁場噪聲，壓制空間體積內磁場噪聲至幾十微高斯，實現超低磁場噪聲。該系統提高了磁場鎖定的精度；通過調整參數可適配不同電流源和亥姆霍茲線圈組合，應用于不同的磁場環境。

技術領域

本發明涉及磁場檢測領域，特別是涉及一種超低磁場噪聲的分級分流鎖定磁場穩定系統。

背景技術

超低的磁場噪聲對于許多前沿科學研究都有重要意義。例如：對原子干涉、微重力的測量，電子顯微鏡，核磁共振，磁測距和原子鐘實驗都受益于磁場穩定的進展。

磁場的噪聲主要是來自產生磁場的線圈的電流起伏和周圍環境引入的磁場噪聲等。其中線圈的電流起伏主要來自于供給線圈的電源本身輸出的噪聲以及電源與線圈的耦合產生的諧振效應；而環境中的磁噪聲主要來自地磁場產生的直流磁場的波動、市電電網發射50Hz噪聲以及周圍實驗儀器產生的噪聲。其中地磁場噪聲大約為幾百微高斯，市電電網發射的磁場強度覆蓋了從小于1毫高斯到幾十毫高斯范圍。

為了獲得穩定的磁場，可以從磁場噪聲的來源入手，一方面直接換用低噪聲的電流源，但是大部分的電流源的輸出電流波動在千分之一，甚至是百分之一，也有部分紋波噪聲可達到輸出電流的十萬分之一的電源，但是其價格高昂，難以普及。但是電流的紋波噪聲低并不代表磁場噪聲低，還需要考慮環境中引入的磁場噪聲，磁屏蔽通常用于降低環境中雜散磁場的噪聲，但在實際中，往往由于目標空間體積內附近的一些結構設計，通常很難實現將整個系統屏蔽起來。并且如果需要穩定的是一個幾十到幾百高斯大小的磁場，這很容易使磁屏蔽箱達到磁飽和，從而影響磁場屏蔽效果，很多時候其結構也會被既有的實驗裝置的設計所限制。

因此如何設計一套可以與已有的設計兼容，適用各種磁場環境，最終通過低成本的磁場穩定系統形成超低磁場噪聲環境，已經成為亟待解決的問題。

發明內容

鑒于以上所述的問題，本發明的目的是提供一種可以匹配多種磁場環境、無接觸探測空間體積內中心磁場、利用分級分流鎖定使中心磁場穩定的系統。先利用第一級分流穩定電流噪聲，但電流噪聲低并不代表磁場穩定，所以利用第二級分流穩定磁場噪聲。最終將待穩定的空間體積內磁場的噪聲抑制至幾十微高斯。

實現本發明目的的具體技術方案如下：

一種超低磁場噪聲的分級分流鎖定磁場穩定系統，該系統包括待穩定的空間體積、供電電流源、磁場的產生線圈、磁通門電流傳感器、第一磁場探測器、第二磁場探測器、一級電路、第一級NPN型功率晶體管、I_shunt1支路監測電阻、二級電路、第二級NPN型功率晶體管、I_shunt2支路監測電阻，其中：

待穩定的空間體積，一個無法直接探測的、需要穩定磁場特定方向的空間體積；

供電電流源，用于為產生磁場的線圈提供電流，采用恒流輸出模式；

磁場的產生線圈，一對亥姆霍茲線圈，線圈的兩端與電源輸出端連接，對稱放置于待穩定的空間體積兩側，線圈放置時，線圈的軸向為需要產生的磁場的方向，用于產生待穩定的磁場；

磁通門電流傳感器，置于從供電電流源電流流出端口至磁場的產生線圈之間，用于探測電流流入線圈前，I_shunt2支路和I_coil支路的電流之和；

兩個磁場探測器，對稱設置于空間體積中心位置旁，方向與磁場方向相同，用于間接探測待穩定的空間體積內中心處沿著線圈軸向方向的磁場；