原子磁力儀的空間應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

寇 軍， 康海霞， 楊 然， 桑建芝， 王學(xué)鋒

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司量子工程研究中心，北京100094；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

從發(fā)射第一個(gè)探空火箭到最近的行星際探測(cè)器,在人類開(kāi)展太空探索的各個(gè)階段,磁傳感器都發(fā)揮著重要的作用。我們可以從空間測(cè)量出行星的磁場(chǎng),并以此推斷行星的內(nèi)部性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)信息[1]。幾乎所有肩負(fù)著空間探索任務(wù)的飛行器都搭載了高精度磁力儀,而空間磁場(chǎng)測(cè)量的需求又反過(guò)來(lái)推動(dòng)了過(guò)去50年來(lái)磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的高速發(fā)展。

在太空探索中,很多有意義的科學(xué)發(fā)現(xiàn)建立在磁場(chǎng)測(cè)量的基礎(chǔ)之上。探空火箭攜帶的磁力儀首次證明了地球的電離層存在電流,以及電流對(duì)地磁場(chǎng)日變的影響[2]。這些數(shù)據(jù)不僅揭示了太陽(yáng)風(fēng)和地球之間的相互作用,還促進(jìn)了針對(duì)Van Allen輻射帶的研究[3],從而為載人航天技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路。應(yīng)用空間磁力儀可以獲得行星及衛(wèi)星的磁場(chǎng),以木衛(wèi)二和木衛(wèi)四為例,它們的磁場(chǎng)信息有力地證明了地表冰層下存在液態(tài)水[4-5],這些液態(tài)水表明太陽(yáng)系可能存在其他生命形態(tài)。上述探索發(fā)現(xiàn)已經(jīng)成為未來(lái)進(jìn)一步空間磁場(chǎng)探測(cè)的巨大動(dòng)力。

與地面應(yīng)用不同,空間應(yīng)用除了對(duì)磁力儀的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度等指標(biāo)提出基本要求外,還需要磁力儀能夠滿足功耗、體積、工作溫度、空間輻照等約束條件。針對(duì)航天器在軌運(yùn)行過(guò)程中的姿態(tài)變化,轉(zhuǎn)向差和帶寬指標(biāo)更高的標(biāo)量磁力儀和矢量磁力儀被研發(fā)出來(lái),以確保磁力儀能夠測(cè)量相對(duì)方向快速變化的空間磁場(chǎng)。為了滿足在軌工作的大溫度范圍的要求,人們一直在探索采用穩(wěn)定性較高的標(biāo)量原子磁力儀校準(zhǔn)三分量矢量磁力儀,從而解決矢量磁力儀長(zhǎng)期漂移的問(wèn)題。目前,在大多數(shù)航天任務(wù)中,航天器自身的剩磁限制了磁測(cè)量結(jié)果的精度[6],一般通過(guò)發(fā)射任務(wù)前的地面測(cè)試建模和補(bǔ)償算法,將這一影響從在軌測(cè)量的數(shù)據(jù)中消除[7]。

空間用原子磁力儀通常用于測(cè)量磁場(chǎng)的低頻分量,以及校準(zhǔn)磁通門(mén)磁力儀的測(cè)量結(jié)果。按照工作原理,原子磁力儀可分為光泵磁力儀和CPT磁力儀。按照工作介質(zhì),原子磁力儀可分為氦原子磁力儀和堿金屬原子(包括銣原子和銫原子)磁力儀。按照工作模式,原子磁力儀可分為標(biāo)量磁力儀和矢量磁力儀。

1 原子磁力儀的工作原理

1.1 光泵磁力儀

光泵磁力儀利用原子的自旋進(jìn)動(dòng)反演待測(cè)磁場(chǎng)。所謂光泵就是利用光子改變?cè)庸鈱W(xué)能級(jí)之間的布居狀態(tài),而這種改變后的分布狀態(tài)是有別于正常的Boltzmann分布的。如圖1所示,利用光的作用使各磁子能級(jí)的原子完全集中到某一個(gè)磁子能級(jí)上,從而實(shí)現(xiàn)了原子的極化。驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生交變射頻磁場(chǎng),與原子發(fā)生磁共振作用。此時(shí),亞穩(wěn)態(tài)原子需要重新吸收探測(cè)光。探測(cè)光透過(guò)氣室的光會(huì)變?nèi)?透過(guò)氣室的光強(qiáng)最弱時(shí)對(duì)應(yīng)的射頻場(chǎng)頻率f即為磁共振頻率,進(jìn)而可推算出被測(cè)磁場(chǎng)B0。在19世紀(jì)60年代,光泵磁力儀的主流方案包括Mz型磁力儀、Mx型磁力儀(常采用自激振蕩模型)和雙氣室自激振蕩Mx型磁力儀[8]。

1.2 CPT磁力儀

如圖2所示,CPT(Coherent Population Trapping,相干布居俘獲)磁力儀利用激光光場(chǎng)與原子之間的相互作用使原子被俘獲在基態(tài)能級(jí)上,通過(guò)檢測(cè)光場(chǎng)透射譜線的變化實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量。原子的磁子能級(jí)在外磁場(chǎng)中發(fā)生Zeeman分裂,相鄰磁子能級(jí)的能量差與外界磁場(chǎng)的強(qiáng)度成正比。通過(guò)對(duì)反映磁場(chǎng)信息的CPT信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,就可得到外界磁場(chǎng)強(qiáng)度[9-10]。CPT磁力儀具有小體積、無(wú)盲區(qū)、高靈敏度等特點(diǎn),已成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)方向之一。

2 原子磁力儀的空間應(yīng)用

2.1 光泵磁力儀的空間應(yīng)用

(1)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化監(jiān)測(cè)

20世紀(jì)60年代末,美國(guó)發(fā)射了一系列磁測(cè)衛(wèi)星(POGO-2、POGO-4、POGO-6),這些衛(wèi)星搭載了測(cè)量精度為6nT的銣光泵磁力儀。3個(gè)POGO任務(wù)返回?cái)?shù)據(jù)證明了赤道電集流[11]的存在,可提供地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的測(cè)量結(jié)果[12]。最重要的是,這些空間磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果為建立第1個(gè)國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF)模型[13-14]和繪制全球磁異常圖[15]提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

(2)高分辨率地磁場(chǎng)測(cè)量

在完成全球磁場(chǎng)測(cè)量之后,1979年,美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和美國(guó)航空航天局(NASA)合作研制的“地磁衛(wèi)星(MagSat)”成功發(fā)射,其目標(biāo)是完成更高分辨率的地磁場(chǎng)總場(chǎng)測(cè)量和三分量測(cè)量,并且修正由地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化引起的IGRF模型誤差。

MagSat衛(wèi)星選擇銫光泵磁力儀實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)總場(chǎng)測(cè)量并用于校準(zhǔn)磁通門(mén)磁力儀。由于銫原子與銣原子相比具有更小的非線性Zeeman頻移[16],可以減小測(cè)量轉(zhuǎn)向差?？蒲腥藛T基于MagSat衛(wèi)星測(cè)得的數(shù)據(jù)構(gòu)造了目前最精確的地磁參考場(chǎng),地磁場(chǎng)模型球諧函數(shù)模型拓展到了第23階項(xiàng)。在探測(cè)任務(wù)結(jié)束后,科研人員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)十余年的數(shù)據(jù)處理,繪制出了精確的地磁異常圖[17-19]。

(3)木星磁場(chǎng)測(cè)量

由美國(guó)宇航局主導(dǎo)的 “先驅(qū)者10號(hào)”于1972年發(fā)射,成為第1個(gè)探訪木星的探測(cè)器[20]。如圖3所示,執(zhí)行木星磁場(chǎng)測(cè)量任務(wù)的有效載荷是矢量氦光泵磁力儀,磁力儀的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到±140000nT。

(4)研究地核和地幔的物理性質(zhì)

如圖4所示,阿根廷國(guó)家空間活動(dòng)委員會(huì)(CONAE)和美國(guó)宇航局合作于2000年發(fā)射了SAC-C衛(wèi)星,其有效載荷包括標(biāo)量氦光泵磁力儀,測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍為20000nT～70000nT,精度優(yōu)于1nT,帶寬為0Hz～1Hz。標(biāo)量氦光泵磁力儀使用單一的氦氣燈作為光源,泵浦2個(gè)垂直排布的氦原子氣室,其獲得的磁場(chǎng)總場(chǎng)值被用于校準(zhǔn)矢量磁通門(mén)磁力儀的測(cè)量結(jié)果[21]。衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定控制方式,使磁力儀能夠在高度傾斜的極地軌道實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量。磁測(cè)量的目的是獲得地球磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化的數(shù)據(jù),研究地核和地幔的物理性質(zhì),以及地球磁場(chǎng)與太陽(yáng)風(fēng)之間的相互作用機(jī)理。

(5)地磁場(chǎng)磁源分析

“空間氣象先進(jìn)研究任務(wù)”衛(wèi)星星座由3顆小衛(wèi)星組成,是歐洲航天局的首個(gè)用于測(cè)量地球核心、地幔、地殼、海洋和電離層磁場(chǎng)信息的地磁探測(cè)衛(wèi)星星座,其主要科學(xué)目標(biāo)是提高地磁場(chǎng)測(cè)量精度(多點(diǎn)測(cè)量)及研究地磁場(chǎng)隨時(shí)間、空間的變化規(guī)律,使人們對(duì)地球內(nèi)部、大氣與氣候和氣象有關(guān)的變化過(guò)程,以及空間氣象和輻射危害有了新的認(rèn)識(shí)。

“空間氣象先進(jìn)研究任務(wù)”的主要磁測(cè)載荷包括氦光泵磁力儀[22]和磁通門(mén)磁力儀,氦光泵磁力儀的絕對(duì)精度優(yōu)于0.3nT,分辨率在全量程范圍(15000nT～65000nT)內(nèi)優(yōu)于0.1nT,可用來(lái)對(duì)磁通門(mén)磁力儀進(jìn)行校準(zhǔn),以長(zhǎng)期維持地磁場(chǎng)測(cè)量的絕對(duì)精度,如圖5所示。

2.2 CPT磁力儀的空間應(yīng)用

圖6為奧地利科學(xué)院空間研究所研制的基于CPT原理的暗態(tài)耦合磁力儀(Coupled Dark State Magnetometer,CDSM)[23],它采用多個(gè)CPT峰測(cè)量磁場(chǎng)值,可消除單個(gè)CPT峰測(cè)量時(shí)系統(tǒng)誤差的影響,靈敏度為30pT/Hz1/2@1Hz,最大測(cè)量范圍為100000nT,并已搭載中國(guó)ZH一號(hào)01星,用于監(jiān)測(cè)與地震相關(guān)的空間電離層電磁異常。

3 發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力,原子磁力儀在空間磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。我國(guó)在空間磁測(cè)方面已經(jīng)規(guī)劃了電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃[24],致力于研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁測(cè)衛(wèi)星和高精度原子磁力儀。原子磁力儀的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)高靈敏度

原子磁力儀是目前最為靈敏的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器之一,但隨著探測(cè)需求的提高,應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,實(shí)際應(yīng)用過(guò)程對(duì)磁力儀靈敏度的要求也逐步提高。因此,更高的靈敏度始終是原子磁力儀技術(shù)前進(jìn)的目標(biāo)。

(2)大動(dòng)態(tài)范圍

空間地磁場(chǎng)的強(qiáng)度能夠達(dá)到70000nT,而行星際磁場(chǎng)的強(qiáng)度通常小于10nT,空間磁場(chǎng)測(cè)量要求原子磁力儀在保持超高靈敏度的前提下,磁場(chǎng)測(cè)量范圍更寬。因此,拓寬原子磁力儀的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍也是一個(gè)重要的研究方向。

(3)微小型化

近年來(lái),微納衛(wèi)星的迅速發(fā)展,為空間磁場(chǎng)測(cè)量提供了應(yīng)用平臺(tái)。同時(shí),也要求原子磁力儀進(jìn)一步減小體積、降低功耗,以滿足微納衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)載荷的要求。

(4)矢量磁場(chǎng)測(cè)量

磁場(chǎng)三分量測(cè)量功能是磁場(chǎng)測(cè)量應(yīng)用的重要方向,也是未來(lái)原子磁力儀的發(fā)展方向之一。目前,國(guó)內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)已開(kāi)展了針對(duì)新型原子磁力儀的研發(fā),其控制單元也可在2種工作模式之間切換,使磁力儀具備三軸矢量測(cè)磁和標(biāo)量測(cè)磁2種工作模式,能夠滿足更多的應(yīng)用需求。

4 結(jié)論

磁場(chǎng)是地球及類地行星的重要物理場(chǎng)之一,原子磁力儀在空間磁場(chǎng)測(cè)量中發(fā)揮著不可替代的作用。在國(guó)外,已有多種類的原子磁力儀實(shí)現(xiàn)了空間應(yīng)用。而在國(guó)內(nèi),原子磁力儀仍處于衛(wèi)星載荷研究階段,在提高測(cè)量靈敏度、拓展測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍、微小型化及矢量磁場(chǎng)測(cè)量等方面仍有諸多難題需要深入研究,亟需開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),以研制出小型高靈敏度原子磁力儀,滿足我國(guó)地球物理研究和空間探索快速發(fā)展的需要。