銫光泵原子磁強(qiáng)計研制進(jìn)展

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(成都天奧電子股份有限公司，成都 611731)

銫光泵原子磁強(qiáng)計研制進(jìn)展

孫兵鋒，安芳芳，王植彬，杜倫宇，曹遠(yuǎn)洪，楊林

(成都天奧電子股份有限公司，成都611731)

銫光泵原子磁強(qiáng)計利用極化銫原子自旋拉莫爾相干進(jìn)動探測和測量磁場，具有精度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)。圍繞銫光泵原子磁強(qiáng)計的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了其工作原理及研制工作，實現(xiàn)了一款銫光泵原子磁強(qiáng)計整機(jī)。測試結(jié)果表明，該款磁強(qiáng)計磁場測量范圍為20000～100000nT，峰-峰噪聲值為0.0017nT，能滿足磁異常探測對高精度磁強(qiáng)計的需求。

銫光泵原子磁強(qiáng)計；拉莫爾相干進(jìn)動；磁場測量范圍；峰-峰噪聲

0 引言

高精度弱磁探測是采用測量地球磁場或者磁性目標(biāo)磁場的方式，將磁信息變化量轉(zhuǎn)變成電信號輸出，通過信號處理與分析獲取有效信息，實現(xiàn)目標(biāo)磁場的有效探測。高精度弱磁探測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空反潛、地磁匹配導(dǎo)航、資源勘探、醫(yī)學(xué)檢測、科學(xué)研究等領(lǐng)域，其核心部件就是高精度磁強(qiáng)計[1-3]。

高精度磁強(qiáng)計按其功能和操作原理可分為矢量磁強(qiáng)計和標(biāo)量磁強(qiáng)計。矢量磁強(qiáng)計能測量外界磁場三維空間的大小和方向，標(biāo)量磁強(qiáng)計能測量磁場絕對值大小但不能測量磁場方向。已工程化應(yīng)用的矢量磁強(qiáng)計有磁通門磁強(qiáng)計、超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID )等。磁通門磁強(qiáng)計最好精度僅為0.1nT左右，很難滿足高精度磁探測需求。超導(dǎo)量子干涉儀探測精度可達(dá)幾十fT，但裝置復(fù)雜，體積笨重，需要液氦冷卻，工作環(huán)境要求和維護(hù)成本較高[4]。

量子磁強(qiáng)計(除超導(dǎo)量子干涉儀外)一般屬于標(biāo)量磁強(qiáng)計，主要包括質(zhì)子磁強(qiáng)計、(氦、銣、銫、鉀)光泵原子磁強(qiáng)計等，這類磁強(qiáng)計探測精度較高，可達(dá)幾pT水平。質(zhì)子磁強(qiáng)計因其工作機(jī)理的原因，不能進(jìn)行持續(xù)的磁場測量，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。氦、銫、鉀光泵原子磁強(qiáng)計是當(dāng)今工程化應(yīng)用最廣的三種磁強(qiáng)計，但氦、鉀光泵原子磁強(qiáng)計一般采用鎖定跟蹤式方案，系統(tǒng)響應(yīng)時間較慢。銫光泵原子磁強(qiáng)計一般采用自激型振蕩方案，系統(tǒng)響應(yīng)時間極快，特別適合搭載于快速移動平臺，因此也成為國外眾多研究機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)，紛紛推出了系列產(chǎn)品，例如加拿大Scintrex公司生產(chǎn)的CS-3型銫光泵原子磁強(qiáng)計[5]、美國Geometrics公司生產(chǎn)的G-822A、G-858型航空銫光泵原子磁強(qiáng)計、G-882海洋銫光泵原子磁強(qiáng)計，探測精度均可達(dá)幾pT[6]。這些產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于反潛和資源勘探等領(lǐng)域，但這種高精度磁強(qiáng)計對我國是完全禁運(yùn)的。

成都天奧電子股份有限公司針對我國航空反潛和資源探測對高精度原子磁強(qiáng)計的迫切需求，開展了銫光泵原子磁強(qiáng)計研制工作，已取得了較大的進(jìn)展，部分產(chǎn)品已開始提交用戶試用。

1 工作原理

堿金屬原子(鉀、銣、銫)蒸氣處于微弱環(huán)境磁場中時會產(chǎn)生Zeeman分裂，由Breit-Rabi方程中與磁場相關(guān)的線性項可知，磁矩為零的兩相鄰Zeeman子能級間的躍遷頻率大小與外磁場大小呈線性關(guān)系。因此，對外界磁場的測量可轉(zhuǎn)換為對原子相鄰Zeeman能級躍遷頻率的測量，這就是堿金屬原子磁強(qiáng)計的基本原理。

當(dāng)原子能級布居數(shù)遵從Boltzmann分布時，原子能級間躍遷信號極低，無法實現(xiàn)對原子Zeeman頻率的測量。利用光抽運(yùn)可實現(xiàn)原子基態(tài)Zeeman能級粒子數(shù)布居最大偏極化，提高原子能級間信號躍遷強(qiáng)度，與光檢測相結(jié)合能提高信號檢測效率，實現(xiàn)高信噪比。

銫原子在光譜燈振蕩線圈激勵下發(fā)出D1(894nm)和D2(852nm)近紅外光譜譜線。據(jù)文獻(xiàn)報道[7]，采用D2譜線抽運(yùn)，吸收泡中銫原子偏極化率僅為采用D1譜線抽運(yùn)率的一半，這樣D2譜線就須采用濾光片進(jìn)行濾除。當(dāng)吸收泡中銫原子處于恒定弱磁場條件下，基態(tài)F=4能級上原子磁矩會發(fā)生空間量子化取向而產(chǎn)生9條Zeeman子能級。圖1所示為銫原子D1譜線894nm以左旋圓偏振(σ+)光抽運(yùn)時的能級躍遷圖，單色性較好的D1光在吸收泡中與銫蒸氣原子相互作用，將銫原子抽運(yùn)到|F=4，mF=4>能級上，實現(xiàn)最大原子偏極化。極化的原子在相鄰子能級間躍遷即為Zeeman躍遷，躍遷頻率為原子磁矩繞外界磁場相干進(jìn)動的Larmor頻率ωL，在忽略Breit-Rabi方程高階項時，ωL正比于外界磁場B，即

ωL=γB

(1)

式(1)中，γ為旋磁比。這樣，通過測量銫原子躍遷頻率即可實現(xiàn)外界磁場測量。

圖1 銫原子光抽運(yùn)能級躍遷結(jié)構(gòu)Fig.1 Energy transitions of an cesium atom with optical pumping

2 銫光泵原子磁強(qiáng)計研制

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

銫光泵原子磁強(qiáng)計主要是由銫光譜燈、光學(xué)鏡片、原子吸收泡、射頻線圈、光電池及電子線路構(gòu)成。本系統(tǒng)采用的是單束光抽運(yùn)自激振蕩Mx模式，方案設(shè)計如圖2所示[8]。

圖2 自激型銫原子磁強(qiáng)計示意圖Fig.2 Schematic diagram of a self-oscillating magnetometer with cesium vapor

銫光譜燈在振蕩線圈激勵下發(fā)出D1、D2光譜線，經(jīng)第一個透鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束后變?yōu)槠叫泄馐?；干涉濾光片濾除D2線，只讓D1譜線通過，D1譜線經(jīng)偏振片變成線偏振光，再經(jīng)1/4玻片變成圓偏振光入射到原子吸收泡中與銫蒸氣原子相互作用，并產(chǎn)生光-磁共振效應(yīng)。共振信息經(jīng)第二個透鏡后入射到光電探測器，經(jīng)信號提取電路放大處理和-90°移相器移相后反饋到射頻線圈形成持續(xù)振蕩。

2.2 量子探頭設(shè)計

量子探頭是銫光泵原子磁強(qiáng)計的核心，是探測外界環(huán)境磁場的敏感部位，決定了原子磁強(qiáng)計的測量精度。其中，銫光譜燈和銫原子吸收泡又是量子探頭的2個關(guān)鍵部件，銫光譜燈設(shè)計必須實現(xiàn)最大光抽運(yùn)效率，銫原子吸收泡設(shè)計必須提高銫原子弛豫率，實現(xiàn)窄線寬共振譜線。下面分別對兩關(guān)鍵部件的設(shè)計進(jìn)行介紹。

2.2.1 銫光譜燈

銫光譜燈是銫光泵原子磁強(qiáng)計的選態(tài)光源，其作用是通過光抽運(yùn)將銫蒸氣原子抽運(yùn)到基態(tài)磁量子數(shù)最大的子能級上。銫光譜燈是一種無極放電燈[9]，利用了一定功率的射頻信號激勵燈泡中起輝氣體電離，產(chǎn)生電子和離子。高速運(yùn)動的電子和離子通過碰撞將起輝氣體分子激發(fā)到激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的起輝氣體分子通過碰撞將燈泡中銫蒸氣原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)銫原子自發(fā)輻射回到基態(tài)時發(fā)出熒光。

銫光譜燈主要是由銫發(fā)光泡、射頻激勵和加熱恒溫電路組成。銫發(fā)光泡材料必須是抗堿性好的玻璃，可有效避免銫金屬原子與玻璃含堿雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高發(fā)光泡使用壽命；射頻激勵電路保證光譜燈短時間內(nèi)正常起輝和輸出光強(qiáng)穩(wěn)定；恒溫加熱保證燈室內(nèi)部溫度穩(wěn)定，降低環(huán)境溫度影響，同樣也實現(xiàn)光強(qiáng)穩(wěn)定輸出。

當(dāng)發(fā)光泡處于環(huán)模狀態(tài)時光抽運(yùn)效率最高，環(huán)模發(fā)光特點(diǎn)是銫原子發(fā)光泡呈現(xiàn)紫紅色，且泡壁邊緣有一明亮的光圈，該模式下主要是銫原子被電離發(fā)光，緩沖氣體發(fā)光基本被抑制。銫光譜燈環(huán)模發(fā)光特征如圖3所示。

圖3 銫光譜燈環(huán)模發(fā)光特征Fig.3 The ring mode characteristics of cesium spectrum lamp

2.2.2 銫原子吸收泡

銫原子吸收泡是光抽運(yùn)躍遷與射頻磁共振的場所。吸收泡研制重點(diǎn)就是如何提高銫原子相干弛豫時間，實現(xiàn)窄線寬吸收譜線，提高信噪比。因此，要設(shè)計出完全合格的原子吸收泡，必須從制作吸收泡的玻璃材料，以及充制工藝方面開展研究。

吸收泡須要采用光透過率高的無堿玻璃材料。光透過率高會提高光抽運(yùn)效率，玻璃泡抗堿性好會降低銫金屬原子消耗量，提高吸收泡使用壽命。

吸收泡充制工藝主要是從銫金屬充入量、緩沖氣體的種類、配比、氣壓大小等幾方面予以考慮。銫金屬充制要適量，充入量過多，剩余銫金屬會凝結(jié)在吸收泡端面而影響透光性；充入量過少，原子蒸氣密度不夠，會降低信噪比。另外，銫蒸氣原子與泡壁碰撞會降低原子弛豫時間，緩沖氣體的充入是將銫原子囚禁在小范圍內(nèi)運(yùn)動，大大減小銫原子與玻璃泡壁碰撞幾率，是提高銫蒸氣原子弛豫時間的重要手段之一。圖4所示為堿金屬原子與緩沖氣體作用過程示意圖。另外，緩沖氣體的充入也會帶來銫蒸氣原子與緩沖氣體碰撞、銫原子間自旋交換率增大導(dǎo)致弛豫時間縮短的負(fù)面現(xiàn)象。因此，緩沖氣體種類、配比、氣壓大小的研究與分析是銫原子吸收泡研制的重要環(huán)節(jié)。

圖4 堿金屬原子與緩沖氣體作用過程示意圖Fig.4 Schematic diagram interaction of alkali-metal atomic with buffer gas

經(jīng)多次試驗驗證，向吸收泡內(nèi)充制一定量的銫金屬和特定種類、特定比例和氣壓的緩沖氣體，能明顯提高原子弛豫時間，可以將吸收泡原子共振譜線壓窄到百Hz量級，滿足系統(tǒng)高精度弱磁探測需求。

2.3 電路系統(tǒng)設(shè)計

電路系統(tǒng)設(shè)計是銫光泵原子磁強(qiáng)計又一重要點(diǎn)，主要由燈振蕩電路、Larmor信號提取電路、南北半球轉(zhuǎn)換電路、溫控電路、電源電路組成，如圖5所示。

圖5 銫光泵原子磁強(qiáng)計電路系統(tǒng)組成Fig.5 The construction of circuit system for cesium optically pumped magnetometer

銫光譜燈振蕩電路采用的是一種穩(wěn)定性好的電感三點(diǎn)式高頻振蕩電路，振蕩頻率大約為165MHz，用于激勵泡內(nèi)的銫蒸氣原子發(fā)光。Larmor信號提取電路是將帶有磁場信息的共振信號有效提取、放大。南北半球轉(zhuǎn)換電路用于使磁強(qiáng)計在0°～360°轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)均能正常工作。溫控電路用于燈溫控制和吸收泡溫度控制，研究表明，燈溫控制到約80℃可獲得足夠和穩(wěn)定的抽運(yùn)光強(qiáng)，吸收泡溫度控制到55℃能實現(xiàn)合適的原子蒸氣密度，對提高信噪比有利。

為方便調(diào)試，設(shè)計時將元器件全部放在PCB電路板正面位置。為降低干擾，關(guān)鍵信號線在走線時盡量保證路徑簡短，Larmor 信號提取與放大反饋布線應(yīng)嚴(yán)格按照信號流向予以布線。

2.4 整機(jī)設(shè)計

銫光泵原子磁強(qiáng)計作為感知外界環(huán)境磁場的敏感元件，為克服自身靜態(tài)磁場干擾的影響。在整機(jī)設(shè)計時，采用了量子探頭和電子線路分離的辦法，兩部分采用了3～5m長無磁屏蔽線纜進(jìn)行電氣連接，所有電子線路都放置于金屬筒中進(jìn)行屏蔽。量子探頭外殼采用無磁塑料材料進(jìn)行封裝。另外，銫光譜燈、各光學(xué)鏡片、原子吸收泡、光電池均是采用剛性無磁非金屬連接和固定。為方便裝配，量子探頭、電路系統(tǒng)外形采用的是圓柱形結(jié)構(gòu)。研制出的銫光泵原子磁強(qiáng)計如圖6所示。

圖6 銫光泵原子磁強(qiáng)計實物圖Fig.6 Photograph of the optically pumped cesium atomic magnetometer

3 測試方案及結(jié)果

3.1 測試方案

利用研制出的銫光泵原子磁強(qiáng)計進(jìn)行指標(biāo)測試，測試方案如圖7所示[10]。

圖7 銫光泵原子磁強(qiáng)計測試方案Fig.7 Measurement scheme for cesium optically pumped magnetometer

按圖7連接好銫光泵磁強(qiáng)計和外界各設(shè)備，采用+28VDC供電，預(yù)熱30min以上。 由恒定弱磁場復(fù)現(xiàn)裝置復(fù)現(xiàn)待測磁場，然后開啟磁場補(bǔ)償系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)現(xiàn)裝置內(nèi)部磁場穩(wěn)定。保持磁場穩(wěn)定不變，在恒定弱磁場復(fù)現(xiàn)裝置的磁場均勻區(qū)內(nèi)放置被測銫光泵磁強(qiáng)計和標(biāo)準(zhǔn)銫光泵磁強(qiáng)計。為防止兩磁強(qiáng)計量子探頭相互串?dāng)_，兩量子探頭間垂直相距0.3～0.4m，且位置平行并相對擺放，為使量子探頭所測磁場均勻區(qū)內(nèi)信噪比最大，兩量子探頭擺放方向與均勻區(qū)內(nèi)磁敏感(地磁場方向)軸成45°角。

3.2 測試結(jié)果

磁場測量范圍和峰-峰噪聲是評價磁強(qiáng)計性能的2個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。測量范圍越寬，磁強(qiáng)計應(yīng)用領(lǐng)域越廣泛；峰-峰噪聲是磁強(qiáng)計自身本底噪聲，該噪聲越小，系統(tǒng)探測精度就越高，應(yīng)用領(lǐng)域也越廣泛。

3.2.1 磁場測量范圍

恒定弱磁場復(fù)現(xiàn)裝置分別復(fù)現(xiàn)出20000nT、50000nT、100000nT的三點(diǎn)磁場值，開啟磁場補(bǔ)償系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)現(xiàn)裝置內(nèi)部磁場穩(wěn)定。經(jīng)測試，待測銫光泵原子磁強(qiáng)計同樣能分別穩(wěn)定響應(yīng)20000nT、50000nT、100000nT磁場值，表明該磁強(qiáng)計能實現(xiàn)范圍20000～100000nT的磁場測量。

3.2.2 峰-峰噪聲

采用PC機(jī)通過頻率計數(shù)器采集銫光泵磁強(qiáng)計的Larmor頻率信號。每次頻率信號采集時，設(shè)置頻率計數(shù)器采樣率為1Hz， PC機(jī)則連續(xù)記錄頻率計數(shù)器采集的頻率值，記錄數(shù)據(jù)不少于11個。按式(2)計算以峰-峰值形式表現(xiàn)的磁場噪聲。

max{fi}|i=1-n-min{fi}|i=1-n=3.498572ΔBN

(2)

式中：ΔBN為 磁場噪聲，單位nT；fi為 被測磁傳感器的第i個頻率讀數(shù)，i=1， 2，…n；n為被測磁傳感器的頻率讀數(shù)個數(shù)。

根據(jù)式(2)計算磁場噪聲值ΔBN。

經(jīng)計算統(tǒng)計，銫光泵原子磁強(qiáng)計在磁場范圍20000～100000nT的磁場條件下，噪聲峰-峰值結(jié)果為0.0017nT。

4 結(jié)論

詳細(xì)介紹了銫光泵原子磁強(qiáng)計的工作原理，采用單束光抽運(yùn)自激振蕩方案，實現(xiàn)了一款高精度磁強(qiáng)計整機(jī)。研究表明，提高銫原子極化率是實現(xiàn)該磁強(qiáng)計高精度探測的關(guān)鍵技術(shù)途徑，極化率越高信噪比會越高。提高銫原子極化率有三種途徑，一是使發(fā)光泡處于光抽運(yùn)效率最高的環(huán)模狀態(tài)；二是增大吸收泡內(nèi)銫原子弛豫時間，壓窄共振譜線線寬；三是降低電路系統(tǒng)噪聲，采用無磁技術(shù)設(shè)計，減小量子探頭自身靜態(tài)磁場干擾。

對設(shè)計出的磁強(qiáng)計進(jìn)行指標(biāo)測試，磁場測量范圍為20000～100000nT，峰-峰噪聲值為0.0017nT，指標(biāo)略高于國外同類產(chǎn)品,能滿足目前磁異常探測對高精度磁強(qiáng)計的需求。

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DevelopmentofanOpticallyPumpedCesiumAtomicMagnetometer

SUNBing-feng,ANFang-fang,WANGZhi-bin,DULun-yu,CAOYuan-hong,YANGLin

(ChengduSpaceonElectronicCo.,Ltd.,Chengdu611731,China)

The optically pumped cesium atomic magnetometer detects and measures magnetic fields by using the Larmor coherent precession of polarized cesium atomic spins, which features high sensitivity, fast response.Due to its technical features, the principle of operation and the development work is mainly introduced, then a cesium atomic magnetometer prototype is realized.The test results showed that its operating range is from20000nT to100000nT, and noise of peak-to-peak is0.0017nT, which can be applied to a high performance magnetometer, and meet the demand for magnetic-anomaly detection.

Optically pumped cesium atomic magnetometer; Larmor coherent precession; Measurement range of the magnetic field; Noise of peak-to-peak

2017-06-05；

：2017-07-12

：孫兵鋒(1978-)，男，博士，高級工程師，主要從事量子頻標(biāo)、量子傳感技術(shù)方面的研究。E-mail:sbf337508@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.05.011

U666.12

：A

：2095-8110(2017)05-0065-05