[發明專利]用于弱磁的高靈敏度高穩定性低溫矢量原子磁力儀及方法

在審

• 申請號: 202211346218.3
• 申請日: 2022-10-31
• 公開（公告）號: CN115561682A
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 劉思奇;盛東
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗

1.一種用于弱磁的高靈敏度高穩定性低溫矢量原子磁力儀，包括：加熱單元、磁場單元、光電探測器、鎖相放大器、閉環反饋系統、裝配的3d打印平臺和金屬外殼封裝單元，其特征在于，還包括：含有兩對相互垂直的Herriott多反射腔的原子池；含有兩對相互垂直的Herriott多反射腔的原子池與加熱單元、磁場單元、3d打印平臺放置在五層坡莫合金制成的磁屏蔽桶中；

兩對相互垂直的Herriott多反射腔的中心高度差為12.2-12.5mm，確保兩對相互垂直的Herriott多反射腔中的前腔鏡和后腔鏡內的光斑最小距離大于3mm，減小在相干時間內，兩對相互垂直的Herriott多反射腔中的原子的擴散效應帶來的影響，避免磁力儀工作過程中上下層多反射腔之間發生測量互繞。

2.根據權利要求1所述的用于弱磁的高靈敏度高穩定性低溫矢量原子磁力儀，其特征在于：所述用于弱磁的高靈敏度高穩定性低溫矢量原子磁力儀中的低溫為75℃，具有145nT的動態測量范圍；高靈敏度指在0.1Hz處優于85fT/√Hz，在10Hz處優于45fT/√Hz；高穩定性指在3h測量時間內，不對激光做頻率鎖定和功率鎖定情況下，磁場測量穩定性均優于1pT。

3.根據權利要求1所述的用于弱磁的高靈敏度高穩定性低溫矢量原子磁力儀，其特征在于：所述兩對相互垂直的Herriott多反射腔中的前腔鏡和后腔鏡為曲率相同的柱面鏡，前腔鏡和后腔鏡通過陽極鍵合的方法固定在硅片上，通過陶瓷模具定位，確保兩對多反射腔相互垂直，原子池所用的玻璃罩含有正方形通孔，同樣利用陽極鍵合的方法，完成玻璃罩上下表面與兩個含Herriott多反射腔的硅片的密封，實現緊湊型原子池的制作；玻璃罩的側面含有一個通孔尾管，原子池內原子的充入則通過尾管實現的，原子池中充入同位素銣87原子，600Torr氮氣作為緩沖氣體；全部的原子沖入原子池后，最后通過火焰灼燒將原子池從真空系統上取下，含有兩對相互垂直的Herriott多反射腔的原子池制作完成。

4.根據權利要求1所述的用于弱磁的高靈敏度高穩定性低溫矢量原子磁力儀，其特征在于：所述加熱單元對含有兩對相互垂直Herriott多反射腔的原子池中的原子進行加熱；通過控制加熱溫度，使得原子池中的原子處于一個穩定的原子數密度下；所述加熱單元由兩片無磁加熱片串聯組成，通過高頻交流電對原子池加熱：兩片加熱片分別緊貼在原子池的上下表面，利用3d打印的框架盒子把原子池和加熱單元裝配在一起；在加熱的同時利用保溫材料將所述原子池部分包裹起來，以起到隔熱保溫的作用，同時減少磁力儀對加熱功率的需要；加熱單元工作在75℃，原子池內的原子處于氣態，并且在一個穩定的原子數密度下。

5.根據權利要求1所述的用于弱磁的高靈敏度高穩定性低溫矢量原子磁力儀，其特征在于：所述3d打印裝配平臺具有0.1mm的高制作精度，能夠精準實現對原子池、加熱單元、磁場單元和光電探測器的集成及固定，包含小型化的必需光學元件，實現磁力儀的集成化和小型化。

6.根據權利要求1所述的用于弱磁的高靈敏度高穩定性低溫矢量原子磁力儀，其特征在于：所述金屬外殼封裝由具有高電導率的鈦合金材料制作而成，降低了其產生的熱噪聲對磁力儀靈敏度的影響；金屬外殼封裝由底板和外罩兩部分組成，在實際應用中，避免磁力儀的內部結構受到外部機械應力的破壞以及防止電信號受到干擾。

7.一種基于權利要求1所述的用于弱磁的高靈敏度高穩定性低溫矢量原子磁力儀的測量方法，其特征在于：實現為：

含有兩對相互垂直的Herriott多反射腔的原子池、加熱單元以及磁場單元集成在3d打印平臺上，放置在五層磁屏蔽桶中，屏蔽桶屏蔽地磁場以及外界雜散磁場的干擾，為磁力儀提供一個弱磁的工作環境；其他的組織單元放置在實驗光學平臺上，實現采集和處理實驗數據；利用鎖相放大器和磁場單元，在與抽運光垂直方向加入高頻調制磁場，利用光電探測器將抽運光吸收信號轉換為電信號，再進一步被鎖相放大器以調制磁場作為參考信號解調處理，一倍頻率解調出的信號作為磁力儀的響應信號，大小正比于調制磁場方向的偏置磁場強度；磁力儀的吸收信號呈現洛倫茲線型，當偏置磁場為零時，與原子相互作用后的抽運光透射光強最大，對應磁力儀的最大信噪比；通過閉環反饋系統，實時補償偏置磁場，實現磁力儀持續工作在“零”磁場條件下，也是磁力儀具有最優靈敏度的工作點；采集閉環反饋系統中PI控制器的輸出信號，獲得磁力儀的磁場靈敏度，利用磁場標定轉換測量出外磁場大小。