磁場空間分布測量技術的發(fā)展

范曉婷， 何 嬌， 劉院省

（1.中國航天科技集團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

磁場空間分布測量技術歷史悠久，最早用來辨向和船舶導航，距今已有2000多年的歷史［1］。隨著生物學、醫(yī)學、電磁學、工業(yè)生產(chǎn)、國防軍事等領域快速發(fā)展的需求，精確測量毫米尺度空間磁場分布甚至細胞組織等微觀粒子中的磁場分布變得越來越重要［2］，這推動了磁傳感器向微小型化和高靈敏度方向發(fā)展。在導航領域，原子陀螺是新型高精度慣性儀表的重要發(fā)展方向，原子氣室作為原子陀螺的核心器件，精確測量其內部的磁場分布并進行磁場補償已經(jīng)成為提升原子陀螺性能的重要研究內容。伴隨近代量子物理學的發(fā)展和微加工技術的成熟，出現(xiàn)了許多基于量子理論的磁場測量技術［3］，如掃描超導量子干涉（Superconducting Quantum Interference Device， SQUID）測磁技術、金剛石色心測磁技術、Bose-Einstein凝聚（Bose-Einstein Condensation， BEC）測磁技術和光泵測磁技術等。此外，還發(fā)展了基于光場與磁場共振耦合的磁場顯微技術［4］等。

本文針對原子陀螺性能提升對磁場空間分布測量技術的迫切需求，從磁場測量技術的原理和性能特點出發(fā)，介紹和分析了磁場空間分布測量技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為小尺度空間磁場設計提供指導和參考。

1 磁場空間分布測量的方法及現(xiàn)狀

1.1 磁通門空間測磁技術

（1）概念

磁通門測磁技術利用被測磁場中高導磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場強度呈非線性關系的特性，將微弱的直流磁場轉變?yōu)榻涣麟妷狠敵鰜頊y量空間微弱磁場。目前，磁通門測磁技術是較為常用的磁場空間分布測量方法。

（2）工作原理

磁通門的關鍵元件為高磁導率、易飽和材料制成的鐵芯，鐵芯上纏繞激勵線圈和感應線圈，磁通門的基本結構如圖1所示。在交變磁場的飽和激勵和磁化作用下，磁芯達到周期性飽和，磁導率變化明顯。鐵芯上的感應線圈測出反應空間磁場的信號，信號中的偶次諧波含有空間磁場的最強信息，通過二次諧波檢測電路將其提取出來，從而達到測量空間磁場的目的。

（3）空間測磁特點

基于磁通門空間測磁原理設計的磁通門傳感器擁有較高的磁場靈敏度（可達10-10T量級），且比其它的固態(tài)型器件（如磁阻儀和Hall效應傳感器等）高出幾個數(shù)量級，可測量恒定或緩慢變化的磁場，并且沒有遲滯誤差［5］，線性度和穩(wěn)定性較好。測量磁場范圍廣，能夠直接測量磁場分量，適合在高速運動的系統(tǒng)中使用，但空間分辨率較掃描超導量子干涉（SQUID）測磁技術和磁顯微測磁技術有較大差距，適用于厘米及以上量級的空間磁場測量。

圖1 磁通門基本結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of the fluxgate basic structure

磁通門適用于空間磁場的矢量檢測，在航空航天、地質勘測等領域發(fā)揮著重要作用。在地磁檢測中，磁通門地磁臺站間距在200km左右，對空間分辨率要求較低，對時間分辨率要求較高。在生物醫(yī)學上，磁通門目前僅適用于肺部弱磁測量，尚未達到眼部、心臟和腦部對磁場測量空間分辨率的要求。圖2為一個三軸一體化球形磁通門傳感器反饋線圈的磁場測量實物圖，利用MAG03磁通門傳感器在反饋線圈模型中心軸線上測量磁場，空間分辨率可以達到厘米量級［6］。隨著微型磁通門的發(fā)展，其空間分辨率會逐步得到提高，但伴隨體積減小，磁場靈敏度會相應降低。

圖2 反饋線圈模型和測試時的探頭放置Fig.2 Diagram of feedback coil model and probe placement during the testing

（4）研究現(xiàn)狀

目前，運用數(shù)字鎖相放大原理測量低頻磁場的磁通門的分辨率可達到0.05nT，動態(tài)范圍為0.1nT～ 100nT， 并可以完成多探頭同時測量［7］。2010年，山西大學的陳寶明［7］在弱磁環(huán)境的分析中，利用磁通門磁力計在Helmholtz線圈中心軸方向上以2mm為間隔逐點測量磁場，測量精度為0.5nT。2016年，中科院地質與地球物理研究所的郎雪等［8］設計了一種小型化、低功耗的三軸磁通門磁強計，其尺寸為124.46mm×81.66mm，功耗為840mW，線性度較好，精度達到11.3nT。通過提升磁芯的軟磁性能，磁通門傳感器的分辨率可達到皮特（pT）量級。2017年，北京自動化控制設備研究所的王春娥等［9］采用磁通門對所加工線圈的磁場分布進行了測量。實驗中，將磁通門探頭沿磁屏蔽桶中心軸方向以0.5mm間隔逐點移動并分別測出磁場強度值，測量精度為0.1nT，磁場分布測量數(shù)據(jù)如圖 3 所示［9］。

圖3 磁場分布測量曲線Fig.3 Measurement curve of magnetic field distribution

1.2 掃描超導量子干涉（SQUID）測磁技術

（1）概念

SQUID測磁技術具有超高的磁場靈敏度和空間分辨率，在材料、生物、航空航天、無損檢測等方面得到了廣泛的應用。SQUID測磁技術通過測量相應的最大超導電流的變化，得到外界磁通量微小變化的有效信號，從而測量出外界磁場。在醫(yī)學研究領域，SQUID主要用于心磁和腦磁的測量。

（2）工作原理

SQUID測磁技術基于兩種效應：Josephson效應和超導電流回路的磁通量子化［10］。SQUID本質上是由兩個Josephson結組成的超導體環(huán)，其基本結構如圖4所示。Josephson結可以使只有遠小于超導體環(huán)導通臨界點的微弱電流才能通過該超導體環(huán)。在與超導體環(huán)垂直的方向上施加一個靜磁場，對應的磁通量就會在環(huán)路上產(chǎn)生相位偏移，進而生成環(huán)路電流，檢測環(huán)路電流即可檢測空間磁場。

圖4 雙結直流SQUID原理圖Fig.4 Schematic diagram of double-junction DC SQUID

（3）空間測磁特點

SQUID測磁技術具有較高的空間分辨率和磁場靈敏度，頻帶寬且量程大。探頭越小，位移精度越高，可以檢測越小尺度的空間磁場，其空間分辨率的提高仍受限于磁場靈敏度和溫度。探頭尺寸的減小會導致噪聲的增大，磁場靈敏度相對降低。SQUID可用作生物弱磁測量，最具代表性的是對人體心臟磁場和腦部磁場進行測量。圖5給出了基于SQUID的心磁測量系統(tǒng)結構示意圖。

目前，用于心臟組織中生物磁場成像的多回路低溫SQUID傳感器的磁場靈敏度已經(jīng)達到450fT·Hz-1／2，該傳感器的直徑為250μm，可以放置到距離室溫樣品的100μm范圍之內［11］。在利用SQUID技術測量心臟磁場時，為了提高空間分辨率，傳感器必須緊鄰室溫下的樣品。即使目前樣品到SQUID傳感器的最短距離只有15μm，但由于存在與生物電現(xiàn)象相關的分布源，測量弱磁場的靈敏度仍然較低。在生物弱磁測量中，磁信號相對于電信號具有許多優(yōu)越性，例如不受容積電流的影響、三維空間定位準確、不產(chǎn)生直接接觸等。但是，心磁和腦磁信號較弱，容易被環(huán)境噪聲淹沒。因此，消除信號中的噪聲也是SQUID測磁的關鍵技術。

圖5 基于SQUID的心磁測量結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of the cardiac magnetic measurement structure based on SQUID

（4）研究現(xiàn)狀

1995年，美國 IBM 公司的Kirtley等［12］利用微加工技術研制出了大小為10μm的掃描SQUID探頭。掃描SQUID顯微鏡原理如圖6所示，該SQUID探頭實現(xiàn)了約10μm的空間分辨率和0.1nT·Hz-1／2的磁場靈敏度。

圖6 掃描SQUID顯微鏡示意圖Fig.6 Schematic diagram of scanning SQUID microscope

2013年，以色列Weizmann科學院的Vasyukov等［13］采用微納加工技術，使用Pb制造出了尺寸為56nm的納米級SQUID探針，探針結構如圖7所示。該探針可以敏感到電子自旋量級的磁變化，達到了20nm的空間分辨率和50nT的磁場靈敏度。

2014年， 美國 Neosera公司的 Talanov等［14］利用射頻將SQUID測磁技術的磁場帶寬提高到了200MHz，達到了30μm的空間分辨率和 9pT·Hz-1／2的磁場靈敏度，實驗裝置如圖8所示。

圖7 納米級SQUID探針結構圖Fig.7 Structure diagram of Nanoscale SQUID probe

圖8 帶有室溫樣品的SQUID顯微鏡的示意圖Fig.8 Schematic diagram of a SQUID microscope with room temperature sample

1.3 磁顯微空間測磁技術

磁顯微空間測磁技術就是測量微小尺度下空間磁場分布的技術。依據(jù)測量原理，主要包括Bose-Einstein凝聚（BEC）磁顯微技術、金剛石色心磁顯微技術和光泵磁顯微技術等。

（1）Bose-Einstein 凝聚（BEC）磁顯微技術

BEC磁顯微技術基于BEC原理，當粒子的de Broglie波長大于粒子間的平均距離時，原子的分布會互相重疊。若玻色子之間傾向于處于同一個狀態(tài)時，玻色氣體將發(fā)生相變，這個現(xiàn)象就是“Bose-Einstein凝聚”，其特征是：在極低的溫度下，處于基態(tài)能級上的原子數(shù)目會隨著溫度的降低而逐漸增大。堿金屬原子常被用來制備Bose-Einstein凝聚，只有處于原子數(shù)目最大的磁子能級上的原子才能被靜磁場囚禁并形成凝聚。利用這一現(xiàn)象，可以實現(xiàn)微觀磁場的測量：一種方法是通過Faraday旋轉效應測量探測光的偏振角，得到磁場分布；另一種方法是基于靜磁場的強度會影響磁捕獲勢的形狀（勢阱深度），改變被捕獲的原子數(shù)，通過測量超冷堿金屬原子云的激光吸收，計算出捕獲原子數(shù)，進而得到靜磁場的空間分布。BEC磁顯微技術具有較高的靈敏度和對時間漂移的抵抗性，但由于超冷原子的產(chǎn)生及其長相干時間需要利用超高真空條件，故BEC磁顯微技術的應用場合受到較大制約。

Franke-Arnold 等［15］和 Labeyrie 等［16］分 別 采用7Li原子和85Rb原子開展了磁光阱中冷原子的線性Faraday旋轉研究。Franke-Arnold研究了旋轉信號的共振增強作用，并指出了其在磁場測量中的潛在應用，觀察到旋轉信號與時間的相關性體現(xiàn)了磁光阱中原子的損失。2005年，德國Heidelberg大學的Wildermuth等［17］利用BEC實現(xiàn)了一維磁場分布的測量，證明了在3μm空間分辨率下磁場靈敏度能夠達到4nT，一維BEC已用于微小尺度磁場的測量。2008年，美國的Terraciano等［18］利用冷原子云中速度選擇雙光子共振成像磁場測量技術，實現(xiàn)了在約250μm空間分辨率下約10nT的磁場靈敏度，實驗裝置如圖9所示。

圖9 磁場成像實驗裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of magnetic field imaging experiment device

（2）金剛石色心磁顯微技術

NV色心是由金剛石晶體中的氮原子和附近的空位組成。利用NV色心的亞穩(wěn)態(tài)躍遷自旋選擇特性，使用特定波長的激光泵浦NV色心，NV色心會發(fā)出熒光并可被光電探測器采集。同時，因為磁場會導致色心能級發(fā)生Zeeman分裂，熒光的頻率可以反映色心處磁場的大小。通過對色心的精確定位計算，可以得到金剛石表面附近小尺度空間磁場的分布。金剛石色心磁顯微技術在高空間分辨率的場合具有較大潛力，但其磁場測量動態(tài)范圍和帶寬不高。

2008年， 美國 Harvard大學的 Maze等［19］利用532nm的激光泵浦金剛石內的NV色心，NV色心釋放了650nm～750nm的熒光后回到基態(tài)，再利用光子計數(shù)器采集熒光數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了0.5μT·Hz-1／2的磁場靈敏度和30nm的空間分辨率。2013年，美國Harvard大學的Le Sage等［2］在金剛石晶體片的表面生成了一層NV色心層，使用532nm激光泵浦NV色心，NV色心釋放了638nm～800nm的熒光后回到基態(tài)，再用sCMOS相機檢測釋放的熒光，實現(xiàn)了0.1μT·Hz-1／2的磁場靈敏度和400nm的空間分辨率，實驗原理如圖10所示。

圖10 金剛石NV色心磁顯微原理示意圖Fig.10 Schematic diagram of diamond NV color center magnetic microscopy

2014年，美國California大學Berkeley分校的Jensen等［20］使用532nm的激光泵浦 NV色心，用1042nm的激光進行檢測。為了提高光子效率，用兩個球面反射鏡讓光線來回通過金剛石，實現(xiàn)了0.1μT·Hz-1／2的磁場靈敏度和90μm的空間分辨率。

（3）光泵磁顯微技術

光泵磁顯微技術的基本原理是：利用特定波長的激光將原子泵浦到特定能級使原子極化，極化后的原子在靜磁場中其原子磁矩會圍繞靜磁場產(chǎn)生Larmor進動，進動改變了原子對泵浦光的吸收程度和檢測光的旋光角，探測泵浦光強度或檢測光的旋光角即可得到原子進動信息，進而實現(xiàn)空間磁場的測量。光泵磁顯微技術具有較高的磁場靈敏度，可以直接測量磁場空間分布。

2003 年， 美國 Princeton 大學的 Kominis等［21］使用770nm的激光泵浦K原子，光電探測器線陣陣列探測垂直方向上線偏振光的出射光，實現(xiàn)了對探測光光強分布的檢測。利用Faraday旋光器調制探測光的旋光角，再通過鎖相放大器解調出旋光角變化信息，得到了2mm的空間分辨率和0.54fT·Hz-1／2的磁場靈敏度，光泵磁顯微結構如圖11所示。

圖11 光泵磁顯微結構示意圖Fig.11 Schematic diagram of the light-pumped magnetic microscopy structure

2016年，美國Los Alamos國家實驗室的Kim等［22］將厘米級尺寸的自旋交換無弛豫光泵磁力計（Optically Pumped Magnetometer， OPM）和磁通量導管（Flux Guides，F(xiàn)G）相結合，實現(xiàn)了超高靈敏度的FG-OPM磁顯微鏡，F(xiàn)G-OPM顯微鏡結構如圖12所示。FG用于將目標磁通量傳輸?shù)絆PM中，提高了對小型磁性物體的分辨率和靈敏度。通過實驗和數(shù)值方法研究了FG-OPM設備的性能，并證明了優(yōu)化的設備可以實現(xiàn)高分辨率（80μm）和高靈敏度（8.1pT·Hz-1／2）的目標。 此外， 還對 FG 中的磁場分布進行了數(shù)值計算，以估算源自FG材料中磁疇波動的磁噪聲。

圖12 FG-OPM顯微鏡示意圖Fig.12 Schematic diagram of FG-OPM microscope

2019年，北京航空航天大學的董海峰［4］等通過使用數(shù)字微鏡裝置（DMD）在空間和時間上對泵浦光進行調制，獲得了可分辨條紋寬度為13.7μm的氣室自旋圖像，比相應的138μm的無擴散串擾距離小得多，極大地提高了空間分辨率，圖13為實驗裝置示意圖。

圖13 原子氣室自旋成像實驗裝置示意圖Fig.13 Schematic diagram of atomic cell spin imaging experimental device

總的來看，BEC磁顯微技術已經(jīng)實現(xiàn)了在一維磁場分布的測量應用，在3μm空間分辨率下達到4nT的磁場靈敏度［17］，一維BEC已用于實現(xiàn)微觀磁場測量；金剛石色心磁顯微技術目前可以達到 0.1μT·Hz-1／2的磁場靈敏度和 90μm 的空間分辨率［2，20］； 光泵磁顯微技術目前可以實現(xiàn) 0.54fT·Hz-1／2的磁場靈敏度［21］和 13.7μm 的空間分辨率［4］，是微小型空間磁場測量的重要技術途徑。

2 空間磁場分布測量技術發(fā)展分析

磁通門空間測磁方法原理相對簡單，適合在高速運動系統(tǒng)中使用，但其性能仍受溫度和穩(wěn)定性的制約，并且由于探頭尺寸限制，使得磁通門空間測磁方法在實現(xiàn)高空間分辨率上還有待提高。微納技術的發(fā)展進步使得微型磁通門得以快速發(fā)展，有望提高空間分辨率。SQUID測磁技術發(fā)展較為成熟，具有較高的空間分辨率和磁場靈敏度，頻帶寬且量程大，但因其必須工作在極低溫度下，需要用到非常復雜的低溫冷卻裝置，制約了其使用范圍。此外，其空間分辨率的提高受限于磁場靈敏度和溫度，如何在保證高靈敏度的基礎上在室溫條件下獲得高空間分辨率是SQUID測磁技術今后研究的重點。

BEC磁顯微技術在空間分辨率和磁場靈敏度上具有優(yōu)勢，但超冷原子的長相干時間需要超高真空，為了保持該技術的高空間分辨率，場源和檢測樣品之間的距離必須在1μm～10μm，盡管在技術上存在挑戰(zhàn)，但制造能夠在大氣中維持的超薄真空窗的可行性已得到證明，并且在室溫電介質表面維持超冷原子態(tài)沒有不良影響［23］。

金剛石NV色心磁顯微技術具有磁場靈敏度和空間分辨率高、原子級尺寸、室溫工作等諸多優(yōu)勢，但其磁場測量動態(tài)范圍和帶寬等方面還有待改進。隨著微加工技術的進步，金剛石NV色心的小尺度空間磁場測量的性能仍有較大提升空間。

光泵磁顯微技術具有不需要低溫冷卻、測磁靈敏度高和空間分辨率高等特點，可以直接測量磁場空間分布，還可用于檢測其他的自旋相互作用，最新發(fā)展的全光矢量原子磁力儀能夠同時獲得磁場大小和方向信息。由于原子氣室中原子擴散效應的限制，如何克服原子擴散效應的影響，進一步提升磁場空間分辨率是其重要發(fā)展方向。

3 結論

磁場空間分布測量技術在推動新型儀表研制和生物醫(yī)學應用等方面發(fā)揮著越來越重要的作用?？臻g尺寸在10cm以上時，通常采用磁通門進行空間磁場測量。心磁和腦磁的空間測量通常采用SQUID技術，目前基于SERF磁力儀的醫(yī)學應用也在蓬勃發(fā)展之中。毫米尺度空間磁場測量仍是當前的技術難題，正在發(fā)展的磁顯微技術手段受限于較大實驗裝置，在實際應用中仍有諸多技術難題需要攻克。