K原子磁力儀的發(fā)展

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(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院, 上海 200093)

引 言

磁場的檢測在軍事、考古、勘探、導(dǎo)航以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用,磁力計的研究與制作水平顯得非常關(guān)鍵。近半個世紀(jì)以來,各種磁力計不斷產(chǎn)生,在檢測范圍,靈敏度以及實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域也是各不相同。在原子磁力計產(chǎn)生之前,超導(dǎo)量子干涉磁力儀(SQUID)作為技術(shù)最成熟、檢測靈敏度最高的磁力儀,在生物磁場檢測方面得以廣泛應(yīng)用。其磁力檢測的靈敏度達(dá)到1 fT,測量量程達(dá)到1 fT～1 T[1]。但是,超導(dǎo)量子干涉磁力儀需要在超低溫的條件下工作,需要體積龐大的杜瓦瓶來維持低溫工作環(huán)境,成本非常高?；谶@樣的原因,原子磁力計得到了飛速的發(fā)展。尤其是堿金屬原子磁力儀,以堿金屬K、Cs、Se的塞曼效應(yīng)為基礎(chǔ),通過檢測電子自旋已被極化的堿金屬原子在磁場中的進(jìn)動及旋轉(zhuǎn)角,從而檢測出磁場強(qiáng)度,目前的實(shí)驗室靈敏度可以達(dá)到0.54 fT[2]。堿金屬原子磁力儀不僅在靈敏度上可以超越超導(dǎo)量子干涉磁力儀,而且可以在室溫條件下工作,不需要杜瓦瓶冷卻,成本低,體積小,便于集成,眾多優(yōu)勢使得堿金屬原子磁力儀成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其中,以K原子磁力儀的研究最為有成效,如圖1所示K原子磁力儀的檢測靈敏度和精度相比于其他堿金屬原子(Rb、Ce)磁力儀更具優(yōu)勢。

圖1 各種原子磁力儀對應(yīng)的靈敏度和精度Fig.1 Sensitivity and accuracy of different atomic magnetometers

K原子具有較為規(guī)則且更窄的電子自旋共振譜線寬,從而具有相對較高的拉莫進(jìn)動頻率(7 Hz/nT),所以可以具有更高的分辨率,測量時錯誤率更低。K原子磁力儀已有產(chǎn)品被應(yīng)用在導(dǎo)航、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域[3]。

本文主要介紹K原子磁力儀的基本原理,檢測方法,影響靈敏度的因素,以及目前國內(nèi)外關(guān)于K原子磁力儀的最新研究成果,指出研究的瓶頸和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域,并且展望了K原子磁力儀的發(fā)展趨勢。

1 K原子磁力儀的工作原理

堿金屬K原子最外層只有一個未耦合的電子,控制起來非常方便,因此在與光相互作用過程中,堿金屬原子可以近似地看作僅有原子核和一個價電子與外場發(fā)生作用,其他的電子與外場的作用可以忽略。堿金屬原子磁力儀的工作過程可以描述為:首先利用堿金屬原子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級結(jié)構(gòu)極化原子,然后通過檢測極化原子的拉莫旋進(jìn)實(shí)現(xiàn)對磁場的測量。如圖2[2]所示為一種基于K原子的堿金屬原子磁力儀的實(shí)驗裝置圖。其核心是一個充滿了混合有氣態(tài)K原子和緩沖氣體He的堿金屬原子氣室,當(dāng)用一束起光泵作用的高功率圓偏振激光照射氣室時,K原子最外層未配對的價電子就會吸收光泵激光能量,進(jìn)入自旋極化狀態(tài),且電子自旋指向圓偏振方向;此時用一束由單頻二極管激光器發(fā)出垂直于起光泵作用的圓偏振激光束的探測激光檢測在待測磁場中旋進(jìn)時的電子自旋的取向,且探測激光的頻率稍微偏離K原子的共振頻率,當(dāng)探測激光穿過極化氣態(tài)K時,激光的偏振角會發(fā)生轉(zhuǎn)動,且轉(zhuǎn)動的偏振角度與電子自旋指向探測激光的角度成比例[4]。將探測激光聚焦后投射到光電二極管陣列上,即可形成待測磁場的圖像。

根據(jù)量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)定理,堿金屬原子磁力儀的極限靈敏度可以表示為[5]:

(1)

式中:n為原子密度;γ為旋磁比;T2為自旋弛豫時間;V是堿金屬原子氣室的體積;t是測量時間。

由式(1)可知,影響原子磁力儀的檢測靈敏度的因素很多,在實(shí)際搭建磁力儀系統(tǒng)時必須考慮激光光源的選擇,磁屏蔽的處理,原子氣室的加熱處理,以及光電信號檢測的設(shè)計。

圖2 一種K原子磁力儀的實(shí)驗裝置Fig.2 Experimental setup of an K atomic magnetometer

激光光源應(yīng)該選擇能在K原子塞曼能級D1線或者D2線產(chǎn)生共振的770 nm或767 nm波長的半導(dǎo)體激光器[6],并且需要對激光的線寬、頻率的穩(wěn)定性、跳模范圍、功率都要作出嚴(yán)格的要求,盡量避免對靈敏度造成影響。

磁屏蔽的處理一般是通過使用高磁導(dǎo)率的材料做成多層屏蔽桶,將大部分磁力線屏蔽在磁力探頭以外,而材料周圍只存在非常微弱的剩余磁場,屏蔽系數(shù)可以達(dá)到106,通常使用的材料是坡莫合金[7]。

原子氣室的加熱處理主要有兩點(diǎn)要求:一是保證溫度穩(wěn)定性的控制,二是確保加熱過程中產(chǎn)生的磁場不會影響到磁力儀對磁場的測量[7]。另外,原子氣室里的K原子的密度,自旋弛豫時間也是必須考慮的因素,一般來說可以通過加入惰性氣體He,在氣室內(nèi)壁涂上石蠟等方式來提高靈敏度[8]。

光電信號主要檢測響應(yīng)速度,可重復(fù)性精度,信噪比大小。在原子磁力儀中通常使用分光束檢測法和法拉第調(diào)制技術(shù)來檢測探測光的偏轉(zhuǎn)角,前者可實(shí)現(xiàn)8×10-7rad的檢測精度,后者可實(shí)現(xiàn)10-8rad的小角度檢測,但是法拉第調(diào)制技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且響應(yīng)速度較慢,所以分光束檢測是較為理想的檢測方法[9-11]。

2 研究進(jìn)展

近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的提高,以及對原子磁力儀研究的深入,基于K原子的堿金屬原子磁力儀研究領(lǐng)域涌現(xiàn)出眾多新的研究方法和成果。國內(nèi)主要有云南大學(xué)等致力K原子磁力儀的研究。

圖3 實(shí)驗裝置Fig.3 Experiment setup

更有趣的是Savukov等[17]用K原子磁力儀做了關(guān)于水的核磁共振現(xiàn)象的研究,如圖7所示為利用原子磁力儀測量水的核磁共振現(xiàn)象的實(shí)驗裝置示意圖以及測量結(jié)果。自來水分子首先經(jīng)過一個1.4 kg的永久磁鐵進(jìn)行極化,然后流進(jìn)磁屏蔽室,通過測量K原子的拉莫旋進(jìn)來分析水的核磁共振現(xiàn)象。圖7中的K原子氣室直徑為3.8 cm,充滿了2.5×101.325 kPa的He,60×133.322 Pa的N2,以及微量的K原子。圖7(b)是核磁共振測量的信號,圖7(c)是核磁共振測量的信號通過快速傅里葉變換(FFT)之后的信號,得到了很好效果。同時,這樣的思路可以應(yīng)用在對惰性氣體的核磁共振現(xiàn)象的超靈敏測量以及多通道的核磁共振成像等領(lǐng)域。

圖5 測量聽覺刺激產(chǎn)生磁場的實(shí)驗裝置Fig.5 The setup of magnetic field stimulated by auditory

圖6 實(shí)驗裝置Fig.6 Setup of experiment

另外,Savukov等[18]還研究了塞曼共振頻率,共振頻率的展寬和磁場強(qiáng)度、堿金屬K原子含量、以及原子自旋極化旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系。利用非線性密度矩陣方程描述了在原子極化的情況下,自旋交換碰撞、旋磁比以及共振頻率寬度之間的關(guān)系。同時,通過如圖8所示的實(shí)驗裝置,實(shí)驗指出了K原子與其他堿金屬原子在磁場中的核自旋不同,相比于銣原子等其他堿金屬原子,K原子的共振頻率寬度更窄,旋磁比較高,有利于更高靈敏度的磁場檢測。

圖7 水的核磁共振的測量裝置Fig.7 Thesetup of water NMR detection

圖8 實(shí)驗裝置原理圖Fig.8 Experiment setup

在市場產(chǎn)品方面,目前GEM System.Inc公司的K原子磁力儀做得最好,該公司生產(chǎn)的GEM-GSMP 35型號的K原子磁力儀在1 Hz頻率處的測量靈敏度可以達(dá)到0.000 3 nT,采樣速率達(dá)到20 Hz,分辨率為0.000 1 nT,工作溫度為-40～+55 ℃,充一次電能持續(xù)工作16 h,產(chǎn)品圖片如圖9所示[19]。

圖9 GEM-GSMP 35型號K原子磁力儀Fig.9 GEM-GSMP 35 K atomic magnetometer

總體來說,K原子磁力的研究和發(fā)展仍在不斷深入,基于目前磁力儀尚存在的一些缺陷,我們提出了一些針對性的改造和創(chuàng)新。如圖10(a)所示為一種基于矢量漩渦光束的腦磁圖檢測裝置,包括柔性頭戴結(jié)構(gòu)1、原子磁力計探針2、信號傳輸線層3、信號總線4、分析控制部件5;圖10(b)為原子磁力計探針的內(nèi)部結(jié)構(gòu),包括堿金屬原子氣體室201、泵浦光源202、主分光鏡203、矢量漩渦光場光源204、探測分光鏡205、偏振分光鏡206、第一面陣光電探測器207、第二面陣光電探測器208、原子磁力計信號處理部件209。創(chuàng)新點(diǎn)在于:基于量子效應(yīng),結(jié)合矢量光場與漩渦光場特性,構(gòu)建面檢測原子磁力計探針,將探針陣列設(shè)置在柔性頭戴結(jié)構(gòu)中。腦磁場通過探針陣列檢測不同區(qū)域磁場,每個原子磁力計探針檢測本區(qū)域磁場空間分布,通過漩渦光場奇點(diǎn)進(jìn)行相對坐標(biāo)定位,通過矢量光場構(gòu)建非均勻局域偏振態(tài)分布探測光束,進(jìn)行高分辨率磁場空間分布檢測,腦磁場信息通過分析控制部件進(jìn)行總體信息拼接與融合,得到所需腦磁場分布及信息,使得腦磁圖檢測裝置具有無需低溫制冷系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、檢測信息量大、空間分辨率高、靈活性好、可實(shí)現(xiàn)小型化等特點(diǎn)。

圖10 基于矢量漩渦光束的腦磁圖檢測裝置Fig.10 Magnetoen cephalography detection device based on vector vortex beam

除此之外,我們還提出了如圖11所示的腦磁檢測方法:利用原子磁力傳感器構(gòu)成的全光原子磁力計201和全光原子磁梯度計202交錯分布在頭部,以快速精確地提取腦磁信息的檢測方法。首先,將由原子磁力傳感器構(gòu)成的全光原子磁力計和全光原子磁梯度計交錯分布在頭部,構(gòu)成全光原子磁力計陣列和全光原子磁梯度計陣列,并形成腦磁傳感層2,在腦磁傳感層2外部設(shè)置有噪聲屏蔽層3。全光原子磁力計陣列和全光原子磁梯度計陣列采集被測對象1的腦磁場信息;然后通過頭部磁場原始數(shù)據(jù)模塊收集,并傳輸給后續(xù)數(shù)據(jù)分析模塊,進(jìn)行多信息分析處理反演出不同維度的腦活動行為信息,再由腦活動信息合成模塊進(jìn)行信息融合,得到高空間時間分辨率腦活動信息三位圖像。這種方式具有諸多的優(yōu)點(diǎn):方法簡單、流程簡潔、便于實(shí)現(xiàn)、靈敏度高、實(shí)現(xiàn)成本低、實(shí)時性好、可靠性高、穩(wěn)定性高、需求空間小、信息量大、功能易于擴(kuò)充等。

圖11 一種全新的基于K原子磁力儀的腦磁場檢測方法原理圖Fig.11 Schematicof a new kind of method to detect brain magnetic field based on K atomic magnetometer

3 K原子磁力計的應(yīng)用前景

K原子磁力儀是集新型光電探測器技術(shù)、微弱信號檢測、信號處理技術(shù)、精密光學(xué)機(jī)械以及計算機(jī)信息處理技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)交叉儀器。由于K原子相比于其他堿金屬原子的優(yōu)勢,GEM System.Inc公司的K原子磁力儀已經(jīng)被應(yīng)用于航空導(dǎo)航、火山地質(zhì)測量、礦產(chǎn)資源勘探、以及水下反潛等軍事領(lǐng)域。另外,早在幾年前,美國海軍部門就已經(jīng)委托多個科研單位和公司致力于原子磁力儀的研究,并將其應(yīng)用于航空導(dǎo)航、無人水下航行器(UUV)探潛和水艇探潛。以美國為主的多國科學(xué)家也開始將K原子磁力儀代替目前臨床使用的SQUID,應(yīng)用于動物的心磁圖和腦磁圖的研究及診斷,并取得了很好的效果[20]。據(jù)調(diào)研,國內(nèi)在原子磁力儀的核心部件原子鐘的研制方面已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。隨著激光器性能的不斷提高,磁屏蔽技術(shù)的不斷改進(jìn),光機(jī)電集成技術(shù)的不斷發(fā)展、以及光電檢測技術(shù)的不斷探索改良,我國定將盡快開展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的K原子磁力儀的研制。另外,隨著微型化K原子磁力儀研究的深入以及產(chǎn)品化的實(shí)現(xiàn),它必將在軍事、地磁導(dǎo)航、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

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