抽運-檢測型原子磁力儀對電流源噪聲的測量*

陳大勇 繆培賢 史彥超 崔敬忠 劉志棟 陳江 王寬

(蘭州空間技術物理研究所,真空技術與物理重點實驗室,蘭州 730000)

用于在寬量程范圍內標定原子磁力儀的靈敏度的復現磁場通常由精密電流源和標準線圈產生,電流源噪聲將直接影響原子磁力儀在寬量程范圍內標定的靈敏度.本文基于抽運-檢測型原子磁力儀首先提出抑制復現磁場漂移的磁補償方法,其次開展寬量程范圍內電流源的噪聲和原子磁力儀的靈敏度之間依賴關系的研究.研究結果表明,抽運-檢測型原子磁力儀的靈敏度主要由電流源噪聲決定,因此可用特定磁場下的靈敏度估算電流源在對應輸出電流條件下的電流噪聲.本文研究對弱磁傳感器靈敏度指標的標定、高精度電流源的研制、磁感應強度計量和電流計量的協同發(fā)展都具有參考價值.

1 引言

高靈敏度的弱磁傳感器在慣性導航[1,2]、生物醫(yī)學[3,4]、全球地磁數據獲取[5,6]、軍事磁異反潛[7]、基礎物理研究[8?11]等領域具有廣泛的應用.原子磁力儀是一種重要的弱磁傳感器,根據工作原理可分類為Mz和Mx模式的光泵原子磁力儀、相干布居囚禁(coherent population trapping,CPT)原子磁力儀、非線性磁光旋轉(nonlinear magnetooptical rotation,NMOR)原子磁力儀、無自旋交換弛豫(spin-exchange relaxation free,SERF)原子磁力儀等[12].一些期刊論文中用磁共振曲線的線寬與信噪比的比值來評估原子磁力儀的靈敏度指標[13,14],該方法標定的靈敏度被稱為本征靈敏度.一種抽運-檢測型原子磁力儀通過傅里葉變換自由弛豫的拉莫爾進動信號得到拉莫爾進動頻率[15],將時域的自由弛豫信號變換至頻域的磁共振曲線時獲得108量級的信噪比[16],用本征靈敏度方法評估該磁力儀的靈敏度指標顯然不合理[16].用于標定原子磁力儀靈敏度的復現磁場一般由恒定弱磁標準裝置[17]產生,或者由磁屏蔽筒中的載流磁場線圈產生,因此復現磁場中不可避免地引入由電流源噪聲傳遞的本底磁場噪聲.由于目前商業(yè)在售的精密電流源最高精度達到10–6量級,因此直接利用這種電流源和線圈產生10000 nT復現磁場時,理論上本底磁場噪聲在10 pT/Hz1/2量級.一些原子磁力儀受限于工作原理,無法準確測量本底磁場噪聲,例如Mz光泵磁力儀[18]和CPT原子磁力儀[19]都是基于PID反饋控制實現磁場跟蹤鎖定及測量功能,這兩種原子磁力儀測量并輸出的磁場值濾除了PID反饋控制帶寬外的高頻磁場噪聲.

近年來基于載流線圈、磁屏蔽筒和高靈敏度原子磁力儀的組合裝置開展電流測量或電流計量的相關研究成為值得關注的問題,例如Li等[20]基于Mz光泵磁力儀研制了電流傳感器,Shen等[21]基于Mx光泵磁力儀實現了電流源噪聲的抑制,如何推動磁感應強度計量和電流計量的協同發(fā)展是值得研究和探討的問題.2017年繆培賢等[15]報道的一種抽運-檢測型原子磁力儀可測量復現磁場中由精密電流源噪聲引入的本底磁場噪聲,該原子磁力儀直接傅里葉變換自由弛豫的拉莫爾進動信號得到與外磁場關聯的拉莫爾進動頻率,避免了由PID反饋控制引入的測量誤差,更準確地測量了本底磁場噪聲.本文在該抽運-檢測型原子磁力儀基礎上額外設計磁補償系統用于獲得穩(wěn)定的復現磁場,并研究了兩種電流源輸出的電流噪聲與原子磁力儀測量的磁場噪聲之間的對應關系.

2 實驗裝置

本文采用的抽運-檢測型原子磁力儀實驗裝置如圖1所示,尺寸為Ф25 mm × 50 mm的圓柱型銣原子氣室置于磁屏蔽筒和標準線圈組的中心位置,采用無磁加熱方式將銣原子氣室的溫度穩(wěn)定在100 ℃.鎖定至87Rb原子D1線躍遷的圓偏振抽運光與外磁場方向平行,用于實現原子系綜極化態(tài)的制備;紅失諧4 GHz的線偏振探測光與外磁場方向垂直,用于自由弛豫的拉莫爾進動信號的探測.圖1中虛線框內顯示了原子磁力儀的工作時序示意圖,本文中設定磁場測量周期T=100 ms,抽運光作用時長t1=30 ms,射頻激勵磁場作用時長t2=0.1 ms,磁場采樣率為10 Hz,抽運-檢測型原子磁力儀的時序和實測數據如圖2所示.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1.Schematic diagram of the experimental apparatus.

圖2 原子磁力儀的時序示意圖 (a) 10000 nT 磁場下的實測數據;(b) 圖(a)中部分曲線的放大Fig.2.The schematic diagram of timing sequence for atomic magnetometer:(a) The data measured in the magnetic field of 10000 nT;(b) expanded version of the curve in Fig.(a).

為了在磁屏蔽筒中獲得恒定的復現磁場,磁屏蔽筒內放置了兩組標準線圈,其中在標準線圈1中用精密電流源通入恒定電流,用于產生目標磁場;磁屏蔽筒剩磁的漂移和精密電流源輸出電流的漂移會導致磁屏蔽筒中目標磁場的緩慢漂移,在標準線圈2中動態(tài)地輸入補償小電流使抽運-檢測型原子磁力儀測量的磁場值穩(wěn)定在設定的目標磁場值.實驗中采用是德科技公司的精密電流源B2912A或直流電源分析儀N6705B向標準線圈1中輸入恒定電流,采用精密電流源B2912A向標準線圈2中動態(tài)地輸入補償小電流.精密電流源B2912A為雙通道輸出,通道1(CH1)在前面板,通道2(CH2)在后面板.B2912A電源后面板的USB接口與計算機相連,可用計算機中的LabVIEW程序控制B2912A的輸出電流.載流標準線圈產生的磁場B和通入電流I呈線性關系:

其中C為線圈系數.掃描通入標準線圈的電流I時采用抽運-檢測型原子磁力儀測得一系列的磁場值B,通過線性擬合可得標準線圈的線圈系數C.經標定,標準線圈1和2的線圈系數分別為C1=52.4265 nT/mA,C2=14.2905 nT/mA,標準 線圈1和2的電阻分別為3.8,2.5 Ω.

3 實驗系統及測量結果

靈敏度是衡量儀器性能的一個關鍵指標,在磁傳感器研制領域內較為普遍且科學的做法是采用功率譜密度方法(power spectral density,PSD),該方法能夠檢測出信號的隨機本底噪聲,而且使測量獨立于信號持續(xù)時間和采樣數量[15].本文選取5 min的測量磁場值分析其功率譜密度,并將1 Hz頻點附近21個幅值的平均值作為原子磁力儀的靈敏度.需額外說明的是,本文中自由弛豫信號的傅里葉變換采用矩形窗,在不同磁場條件下截取自由弛豫信號的時長不同,例如在10000 nT截取5 ms時長的數據,在100 nT截取20 ms時長的數據,PCI-5922數據采集卡的采樣率為5 M/s.傅里葉變換中采用矩形窗的優(yōu)勢是在穩(wěn)定磁場條件下得到的頻率的穩(wěn)定度高,有利于評估電流源的噪聲,但帶來的劣勢是頻率準確度差;假如需要提高測量磁場的準確度,自由弛豫信號應按照整數倍周期截取,但這種情況下實驗中無法評估電流源的噪聲,與自由弛豫信號數據處理方法相關的內容在本文中不展開討論.接下來首先基于實驗結果分析磁補償設計以及電流源的電流噪聲對抽運-檢測型原子磁力儀的靈敏度的影響,在此基礎上討論磁感應強度計量和電流計量協同發(fā)展的重要性.

3.1 磁補償設計對抽運-檢測型原子磁力儀的靈敏度的影響

實驗中通過LabVIEW程序實現磁補償設計,具體步驟如下:首先在LabVIEW程序中設定需要達到的目標磁場,例如目標磁場為10000 nT;其次采用精密電流源B2912A的通道1向標準線圈1中輸入恒定電流,該電流值使銣原子氣室位置的磁場約為10000 nT,抽運-檢測型原子磁力儀實際測量的磁場值在10000 nT附近;然后在LabVIEW程序中實時計算設定值和實測值的差值,并設計負反饋回路,實時調整精密電流源B2912A的通道2(CH2)向標準線圈2中輸入的補償小電流,使原子氣室區(qū)域的磁場穩(wěn)定在目標值.

磁補償設計對抽運-檢測型原子磁力儀實測靈敏度的影響結果如圖3所示.圖3(a)顯示了無磁補償時原子磁力儀記錄的磁場值,精密電流源B2912A的通道1向標準線圈1中輸入電流設定為190.5 mA,500 s內復現磁場由10000.1 nT漂移至10000.6 nT,復現磁場的漂移主要源于電流源輸出電流的漂移和磁屏蔽材料磁化狀態(tài)的緩變.圖3(b),(c)分別顯示了有磁補償時原子磁力儀記錄的磁場值和精密電流源輸出的補償電流,B2912A向標準線圈1輸入的電流依然設定為190.5 mA,而向標準線圈2輸入的補償電流動態(tài)地由–0.034 mA變化至–0.076 mA,抽運-檢測型原子磁力儀實際測量的磁場值由10000.7 nT補償至10000.0 nT,磁場穩(wěn)定后峰峰值約為240 pT.圖3(d)給出圖3(a),(b)中5 min穩(wěn)定磁場值的功率譜密度,在小于0.1 Hz的低頻部分,有磁補償條件下的功率譜密度幅值小于無磁補償條件下的功率譜密度幅值.抽運-檢測型原子磁力儀的靈敏度在無磁補償條件下為18.95 pT/Hz1/2,在有磁補償條件下為15.94 pT/Hz1/2.精密電流源B2912A是一款數字化電流源,從其說明書中可知,當輸出電流為190.5 mA,其電流分辨率為1 μA,補償電流從–0.034 mA變至–0.076 mA時電流分辨率都為100 pA,補償電流的電流分辨率比穩(wěn)定電流的電流分辨率小4個數量級,因此補償電流幾乎不會額外引入電流噪聲.上述實驗結果表明,磁補償設計顯著抑制了測量磁場的漂移,在功率譜密度譜中消除了低頻部分的1/f噪聲,對高頻部分幾乎沒有影響.

圖3 磁補償設計對抽運-檢測型原子磁力儀實測靈敏度的影響 (a) 無磁補償時實測磁場值;(b) 有磁補償時實測磁場值;(c) 磁補償時精密電流源輸出的補償電流;(d) 圖(a)和(b)中5 min穩(wěn)定磁場值的功率譜密度Fig.3.The influence of the design of magnetic compensation on the sensitivity of pump-probe atomic magnetometer:(a) Magnetic field values without magnetic compensation;(b) magnetic field values with magnetic compensation;(c) compensation current in the process of the magnetic compensation;(d) the power spectral density of the magnetic field values in (a) and (b).

3.2 不同電流源的電流噪聲對抽運-檢測型原子磁力儀的靈敏度的影響

在有磁補償條件下,分別用精密電流源B2912A和直流電源分析儀N6705B向標準線圈1中輸入恒定電流來產生寬量程范圍內的目標磁場,抽運-檢測型原子磁力儀的靈敏度與外磁場的依賴關系如圖4所示.精密電流源B2912A的精度可達10–6,隨著輸出電流的增加可自動切換量程,該儀表說明書中指出:當電流源輸出的量程值分別為1 mA,10 mA,100 mA,1 A時,分別對應著1 nA,10 nA,100 nA,1 μA的電流分辨率.當I>100 mA時,磁力儀靈敏度約為15 pT/Hz1/2,對應電流分辨率為1 μA;當10 mA

圖4分別用兩種電流源產生的外磁場與原子磁力儀的靈敏度的依賴關系Fig.4.The relationship between the sensitivity of atomic magnetometer and the external magnetic field generated by two current sources respectively.

分別用兩種電源產生5000 nT和6000 nT磁場時,抽運-檢測型原子磁力儀測量的磁場值如圖5所示,此時電流設定值由94.8 mA增加至113.9 mA.當選用精密電流源B2912A產生磁場時,由于電流源輸出的量程值由100 mA自動切換至1 A,導致電流輸出的分辨率由100 nA增加至1 μA,圖5(a)中5000 nT的磁場波動峰峰值約為23 pT,圖5(b)中5000 nT的磁場波動峰峰值約為230 pT,與圖3(b)中10000 nT的磁場波動峰峰值240 pT相近.當選用直流電源分析儀N6705B產生磁場時,圖5(c)中5000 nT的磁場波動峰峰值約為300 pT,圖5(d)中6000 nT的磁場波動峰峰值也約為300 pT,表明直流電源分析儀N6705B產生5000 nT和6000 nT磁場時電流輸出的分辨率(或噪聲)基本相同.圖4和圖5的實驗結果表明,電流源輸出電流的噪聲水平直接決定了抽運-檢測型原子磁力儀的靈敏度.

3.3 實驗結果分析

圖5分別用兩種電源產生5000 nT和6000 nT磁場時抽運-檢測型原子磁力儀測量的磁場值Fig.5.The magnetic field values measured by pump-probe atomic magnetometer when the magnetic field of 5000 nT and 6000 nT is generated by two current sources respectively.

上述實驗分析了磁補償設計和不同電流源的電流噪聲對抽運-檢測型原子磁力儀的靈敏度的影響,實際上更本質地來說,上述實驗是用抽運-檢測型原子磁力儀測量了電流源輸出電流的噪聲.從圖4可知,抽運-檢測型銣原子磁力儀的靈敏度受限于精密電流源噪聲引入的磁場噪聲,尤其在地磁場量級的復現磁場中由精密電流源噪聲引入的本底磁場噪聲超過10 pT/Hz1/2.如果在地磁場下需要將原子磁力儀的靈敏度提高到0.2 pT/Hz1/2,精密電流源的精度至少需提高至10–8,然而目前國際上沒有8位精度的精密電流源在售.(1)式中磁感應強度和電流呈正比,比例系數為線圈系數.用圖5(a)中的磁場數據得到原子磁力儀的靈敏度為1.19 pT/Hz1/2,用該值除以線圈系數C1,可得精密電流源B2912A輸出94.8 mA電流時的電流噪聲為22.70 nA/Hz1/2,該數值為電流分辨率100 nA的數值的22.7%.用圖5(c)中的磁場數據得到原子磁力儀的靈敏度為20.63 pT/Hz1/2,用該值除以線圈系數C1,可得直流電源分析儀N6705B輸出94.8 mA電流時的電流噪聲為0.39 μA/Hz1/2,該數值為電流分辨率2 μA的數值的19.5%.對上述電流源噪聲在數值上是電流分辨率數值約20%的結論,未來需綜合數據處理過程和電流計量的定標細節(jié)給出更合理的解釋.從上述實驗結果分析可知,磁感應強度計量和電流計量的協同發(fā)展十分重要,國內工業(yè)界應考慮基于高靈敏度原子磁力儀來實現電流的計量,推動高精度電流源的研制,反過來推動高靈敏度磁傳感器的研制.實際科學研究或工程應用中應避免不科學地追求磁傳感器高靈敏度指標的做法,因為選用不科學的標定方法或設計不合理的PID反饋控制會導致磁傳感器靈敏度遠優(yōu)于復現磁場中由電流源噪聲引入的本底磁場噪聲,然而這種磁傳感器實際上沒有測量出最本征的復現磁場,反而變得不靈敏了.

4 結論

本實驗通過抽運-檢測型原子磁力儀監(jiān)測了電流源輸出電流的噪聲,得出結論如下:用功率譜密度標定的原子磁力儀的靈敏度指標主要取決于電流源的電流噪聲水平,并且用特定磁場下的靈敏度指標可估算電流源在對應輸出電流條件下的電流噪聲;設計的磁補償反饋回路對抑制復現磁場的漂移有很好的效果,消除了低頻1/f噪聲,但并不抑制電流源輸出電流的高頻噪聲.本實驗和結論提供了一種電流噪聲的測量方法,未來可基于抽運-檢測型原子磁力儀設計專門用于測量電流噪聲的實驗裝置,推動高精度電流源的研制,反過來推動高性能弱磁傳感器的研制,因此本實驗和結論對磁感應強度計量和電流計量的協同發(fā)展具有重要的參考價值.本實驗中自由弛豫信號的傅里葉變換采用矩形窗處理,是以犧牲測量磁場的準確度為代價去測量電流源的噪聲;如需提高測量磁場的準確度,自由弛豫信號應按照整數倍周期截取.未來我們將進一步分析自由弛豫信號的數據處理方法對磁力儀輸出磁場的穩(wěn)定度和準確度的影響.