基于光纖耦合金剛石NV 色心系綜磁強(qiáng)計(jì)的電路診斷方法

高 揚(yáng)，徐超群Δ，黃 魁Δ，高羽婷，劉超波，王 斌，武南開，劉明君，張 超，肖 琦，孟立飛，易 忠*

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2. 中國空間技術(shù)研究院：北京 100094）

0 引言

金剛石NV 色心系綜磁強(qiáng)計(jì)是一種基于量子技術(shù)的新型磁場(chǎng)測(cè)量裝置，相比于需要液氦制冷的超導(dǎo)量子干涉儀具有室溫磁測(cè)的優(yōu)勢(shì)，相比于光泵磁強(qiáng)計(jì)具地磁場(chǎng)環(huán)境下的磁測(cè)能力和極高的空間分辨率，相比于磁通門磁強(qiáng)計(jì)具有非常高的磁場(chǎng)靈敏度，同時(shí)還具有低溫下靈敏度高、可進(jìn)行溫度測(cè)量、可用于活體測(cè)磁等諸多優(yōu)點(diǎn)。這使得金剛石NV 色心系綜磁強(qiáng)計(jì)成為熱門磁測(cè)設(shè)備，在物理學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

磁科學(xué)在航空航天領(lǐng)域有諸多應(yīng)用，如航天器姿態(tài)調(diào)整、飛行器磁矩設(shè)計(jì)、磁陀螺等。其中，通過磁場(chǎng)反演不僅可以獲得航天器及其內(nèi)部元件的磁矩信息，還可以利用電子電磁感應(yīng)原理得到內(nèi)部電流信號(hào)，進(jìn)一步獲得元件的工作電流信息。但這些應(yīng)用要求磁強(qiáng)計(jì)具有較高的磁場(chǎng)靈敏度和空間分辨率，傳統(tǒng)磁通門磁強(qiáng)計(jì)、光泵磁強(qiáng)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)，而光纖耦合金剛石NV 色心系綜磁強(qiáng)計(jì)是一種可用于電路診斷的理想磁強(qiáng)計(jì)，可在保障磁場(chǎng)靈敏度的同時(shí)提供較高的空間分辨率。

在電路診斷中，電流分辨率決定了對(duì)同一元件不同狀態(tài)的分辨能力，空間分辨率決定了對(duì)不同位置元件的區(qū)分能力。為獲取磁強(qiáng)計(jì)的電流分辨率和空間分辨率參數(shù)，需要在不同電流強(qiáng)度和空間距離下測(cè)定導(dǎo)線的磁場(chǎng)信號(hào)。本文對(duì)磁強(qiáng)計(jì)沿NV 色心某一軸向的信號(hào)進(jìn)行分析，系統(tǒng)研究不同電流強(qiáng)度和空間距離下導(dǎo)線的磁信號(hào)，獲得電流分辨率、空間分辨率的底限，以便為后續(xù)實(shí)際診斷和設(shè)備優(yōu)化提供參考。

1 原理

金剛石具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示，沿[11ˉ1ˉ]晶向的1 個(gè)氮原子和臨近的空穴組成一種點(diǎn)缺陷，即NV 色心。NV 色心的電子具有C對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圖1(b)為其能級(jí)結(jié)構(gòu)，基態(tài)能級(jí)和激發(fā)態(tài)為電子自旋投影=±1 和=0 的自旋三重態(tài)，和為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。

當(dāng)不存在外磁場(chǎng)時(shí)，基態(tài)能級(jí)的=±1，處于兼并狀態(tài)。如圖1(b)右側(cè)所示，對(duì)處于基態(tài)能級(jí)的=0 基態(tài)電子施加532 nm 泵浦激光后可以將電子泵浦至激發(fā)態(tài)并保持=0，電子退激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)出637 nm 熒光并回到能級(jí)的=0。若對(duì)NV 色心施加頻率為2.87 GHz 的微波場(chǎng)，可以將基態(tài)電子從=0 激發(fā)至=±1；再用532 nm 激光泵浦處于能級(jí)=±1 的基態(tài)電子，電子將被泵浦至激發(fā)態(tài)并保持=±1。能級(jí)=±1 的激發(fā)態(tài)電子有光學(xué)退激發(fā)和系間竄越（intersystem crossing，ISC）過程退激發(fā)2 種退激發(fā)模式，少量電子經(jīng)過光學(xué)退激發(fā)會(huì)發(fā)出637 nm熒光并回到能級(jí)=±1，而大部分電子經(jīng)過ISC 過程不發(fā)出熒光光子即退激發(fā)至亞穩(wěn)態(tài)，發(fā)出1042 nm 光子后最終退激發(fā)至能級(jí)=0。相較于不施加微波場(chǎng)，施加微波場(chǎng)后部分電子經(jīng)過不發(fā)光的ISC 過程退激發(fā)，因此金剛石NV 色心的熒光發(fā)射效率明顯降低。當(dāng)然，微波場(chǎng)頻率與NV 色心電子所需頻率不匹配時(shí)，無法將基態(tài)電子從=0 激發(fā)至=±1，也就無法觀察到這一現(xiàn)象。因此，當(dāng)掃描微波頻率時(shí)可得到圖2(a)所示的ESR（電子回旋共振）譜線，其中心頻點(diǎn)為=2.87 GHz。

圖1 金剛石NV 色心及其能級(jí)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Diamond NV color center and its energy level structure

當(dāng)存在外磁場(chǎng)時(shí)，根據(jù)塞曼效應(yīng)譜線的裂距公式以及NV 色心電子哈密頓量可以得到共振頻率

其中：≈2.003，是NV 色心的電子參數(shù)； μ是玻爾磁子；是普朗克常量；是外磁場(chǎng)強(qiáng)度。因此，如圖2(b)所示，當(dāng)施加一個(gè)外磁場(chǎng)后，掃描微波頻率可以觀測(cè)到2 個(gè)共振峰，通過2 個(gè)共振峰的峰位差值即可獲得外磁場(chǎng)大小。而根據(jù)圖1(a)所示，金剛石NV 色心具有4 個(gè)軸向，因此當(dāng)外磁場(chǎng)在金剛石4 個(gè)晶格軸向均有分量且大小不同時(shí)，可以清晰觀測(cè)到4 對(duì)峰（8 峰），其中每對(duì)峰的峰位差對(duì)應(yīng)某一軸向方向的磁場(chǎng)投影大小，通過4 個(gè)軸向峰位差即可合成反演出外磁場(chǎng)的矢量值。繼而可根據(jù)畢薩定律，通過外磁場(chǎng)的信號(hào)變化得到外界待測(cè)電路信號(hào)的變化。

圖2 不同外磁場(chǎng)條件下金剛石NV 色心ESR 譜線Fig. 2 ESR spectra of diamond NV center in different external magnetic fields

2 實(shí)驗(yàn)

圖3 展示了本實(shí)驗(yàn)的基本原理，連續(xù)激光器產(chǎn)生532 nm 激光，經(jīng)過多模光纖傳輸形成極小光斑（理論上，光斑越小空間分辨率越高）直接入射至金剛石表面。本系統(tǒng)對(duì)光纖和金剛石耦合進(jìn)行了重點(diǎn)優(yōu)化，不再使用金剛石顆粒粘貼光纖的方式，而是采用大片金剛石與光纖直接固定，大大簡(jiǎn)化了耦合難度，提高了耦合穩(wěn)定性，更加適合小型化設(shè)備使用。微波源提供實(shí)驗(yàn)所需的微波，微波經(jīng)由微波天線近場(chǎng)輻射至金剛石表面。將微波天線置于金剛石與待測(cè)直導(dǎo)線之間，一方面可以保障光纖中的激光發(fā)射至金剛石，另一方面還可使受激發(fā)的金剛石距離待測(cè)直導(dǎo)線盡量近。直流源提供實(shí)驗(yàn)所需低噪聲電流，經(jīng)過待測(cè)直導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)信號(hào)。直導(dǎo)線固定在三維平移臺(tái)表面，與金剛石垂直距離0.5 mm左右，利用三維平移臺(tái)可以調(diào)節(jié)金剛石和直導(dǎo)線之間的距離。

圖3 光纖耦合金剛石NV 色心系綜磁強(qiáng)計(jì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理示意Fig. 3 Schematic diagram of experiment system of fiber coupled diamond NV center ensemble magnetometer

實(shí)驗(yàn)測(cè)試光纖耦合金剛石NV 色心系綜磁強(qiáng)計(jì)的性能：

1）ESR 譜測(cè)量。在直導(dǎo)線無電流條件下，對(duì)金剛石施加約2.5 mT 的預(yù)偏磁場(chǎng)，測(cè)量其ESR 譜。為了便于觀測(cè)多峰結(jié)構(gòu)，對(duì)原始數(shù)據(jù)歸一化后提取出峰值信號(hào)，得到如圖4 所示的信號(hào)圖像。從圖中可以看出，2750～2980 MHz 微波頻率區(qū)間內(nèi)具有非常清晰的8 峰結(jié)構(gòu)，外加預(yù)偏磁場(chǎng)在金剛石4 個(gè)軸向的磁場(chǎng)投影大小不同且差值均勻，非常適合開展進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行洛倫茲擬合可以發(fā)現(xiàn)，擬合信號(hào)和測(cè)量信號(hào)峰型匹配度好，峰位清晰可見，與其他研究小組結(jié)果相近。

圖4 外加預(yù)偏磁場(chǎng)時(shí)金剛石NV 色心磁強(qiáng)計(jì)的ESR 譜Fig. 4 ESR spectra of diamond NV center magnetometer with pre-biased magnetic field

2）磁強(qiáng)計(jì)電流信號(hào)的靈敏度測(cè)量。采用電流源為直導(dǎo)線輸出0 mA、50 mA、100 mA 電流。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沿第1 個(gè)峰、第8 個(gè)峰軸向的信號(hào)變化最大，本文為簡(jiǎn)便起見僅討論該兩峰的信號(hào)變化。0 mA、50 mA、100 mA 所對(duì)應(yīng)峰位差值為159.45 MHz、158.96 MHz、158.08 MHz。將0 mA 對(duì)應(yīng)值認(rèn)為無外磁場(chǎng)，得到不同電流強(qiáng)度下外磁場(chǎng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，其中磁信號(hào)負(fù)值說明電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與預(yù)加外磁場(chǎng)方向相反。由圖5 可見：隨電流增大，NV 色心感受到的整體磁場(chǎng)減小，本系統(tǒng)磁場(chǎng)分辨率的底限為13 μT，這與其他小組的研究結(jié)果相吻合；電流大小和磁信號(hào)強(qiáng)度基本滿足線性關(guān)系，符合畢薩定律，且3 種電流強(qiáng)度下信號(hào)清晰可區(qū)分，故可認(rèn)為本系統(tǒng)的電流分辨率優(yōu)于50 mA。目前各種航天器關(guān)鍵部件的特征電流在幾百mA量級(jí)，50 mA 的電流分辨率基本可以滿足關(guān)鍵部件的損壞性診斷和可靠性降低診斷的需求，若要求滿足各類元件的診斷需求還應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化電流分辨率至10 mA 量級(jí)。

圖5 不同特征電流下磁強(qiáng)計(jì)信號(hào)變化Fig. 5 Variations of magnetometer signal in different characteristic currents

第三，磁強(qiáng)計(jì)空間分辨率測(cè)量。保持直導(dǎo)線電流為100 mA 不變，利用三維平移臺(tái)沿垂直于直導(dǎo)線方向移動(dòng)改變NV 色心與直導(dǎo)線相對(duì)距離，同時(shí)測(cè)量第1 個(gè)峰、第8 個(gè)峰的峰位差值，結(jié)果如圖6所示。

圖6 磁強(qiáng)計(jì)空間分辨率測(cè)量結(jié)果Fig. 6 Measurement result of spatial resolution of the magnetometer

從圖6(a)可以看出明顯的臺(tái)階信號(hào)，此時(shí)磁強(qiáng)計(jì)探頭位于直導(dǎo)線正上方，距離最近、磁場(chǎng)信號(hào)最大。根據(jù)瑞麗判據(jù)，兩直導(dǎo)線磁信號(hào)疊加50%時(shí)即認(rèn)為兩信號(hào)不可區(qū)分，此時(shí)兩直導(dǎo)線的距離為磁信號(hào)的半高全寬0.4 mm，本距離即為磁強(qiáng)計(jì)的空間分辨。圖6(a)中峰值左側(cè)有翹邊，這是由于三維平移臺(tái)移動(dòng)過程中并不能保證絕對(duì)的水平且垂直于直導(dǎo)線方向，外加長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量引起的誤差積累。由于改變距離時(shí)磁強(qiáng)計(jì)要垂直于導(dǎo)線移動(dòng)，圖6(b)中的直導(dǎo)線與金剛石NV 色心距離是經(jīng)過計(jì)算給出的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，直導(dǎo)線與金剛石NV 色心距離增大時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度呈反比下降，衰減符合畢薩定律。

3 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)說明，利用光纖耦合金剛石NV 色心系綜磁強(qiáng)計(jì)優(yōu)異的空間分辨率和磁場(chǎng)靈敏度可以對(duì)電路進(jìn)行診斷，通過磁場(chǎng)信息反演電路內(nèi)部信息。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，磁強(qiáng)計(jì)對(duì)電流信號(hào)測(cè)量的靈敏度優(yōu)于50 mA，空間分辨率優(yōu)于0.4 mm，這對(duì)于特定場(chǎng)景下的電路診斷和微小區(qū)域的磁場(chǎng)測(cè)量具有重要意義。

實(shí)驗(yàn)中也還存在一些不足：首先，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，未能給出該系統(tǒng)對(duì)電流分辨率和空間分辨率的準(zhǔn)確下限，且在空間分辨率實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)翹邊現(xiàn)象，須在后續(xù)工作中予以解決；另外，本實(shí)驗(yàn)僅針對(duì)直導(dǎo)線進(jìn)行診斷，而實(shí)際電路更加復(fù)雜多樣，不僅包括大量的電容、電感等元件，還存在多層電路等情況，下一步應(yīng)根據(jù)實(shí)際電路環(huán)境開展深入研究。