3He原子磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)

萬(wàn)雙愛(ài)，秦 杰，汪世林，孫曉光

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074)

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3He原子磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)

萬(wàn)雙愛(ài)，秦 杰，汪世林，孫曉光

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074)

3He原子磁強(qiáng)計(jì)利用3He核自旋的拉莫爾進(jìn)動(dòng)測(cè)量磁場(chǎng)，具有高精度、小體積等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)化磁異常探測(cè)對(duì)高性能磁強(qiáng)計(jì)的需求。圍繞3He原子磁強(qiáng)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了該磁強(qiáng)計(jì)的基本工作原理及其硬件組成，分析了其理論靈敏度，給出了該磁強(qiáng)計(jì)的國(guó)內(nèi)外研究情況，最后對(duì)該磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

3He磁強(qiáng)計(jì)；原子磁強(qiáng)計(jì)；磁強(qiáng)計(jì)；磁異常探測(cè)

0 引言

磁異常探測(cè)是通過(guò)測(cè)量磁性物體引起的地球磁力線(xiàn)擾動(dòng)，利用磁異常信息探測(cè)和識(shí)別磁性物體的一種技術(shù)；具有定位精度高、純被動(dòng)探測(cè)、環(huán)境適應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)；已廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)、潛艇、水雷、地雷的探測(cè)定位等軍事和民用領(lǐng)域[1-3]。

磁異常探測(cè)技術(shù)主要通過(guò)磁強(qiáng)計(jì)來(lái)獲取磁異常強(qiáng)度等信息。由于磁性目標(biāo)的磁異常強(qiáng)度一般隨距離呈3次方衰減，若使探測(cè)距離提高1倍，則相應(yīng)的磁強(qiáng)計(jì)靈敏度需增加到原來(lái)的8倍[4]。另一方面，磁異常信號(hào)的頻帶與探測(cè)距離、探測(cè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)，距離越遠(yuǎn)、運(yùn)動(dòng)速度越低，則信號(hào)頻帶越低。以航空磁異常探潛為例，由于探測(cè)距離較遠(yuǎn)、航空探測(cè)平臺(tái)的飛行速度有限，使得探測(cè)系統(tǒng)獲得的潛艇磁異常信號(hào)一般處于0.04～0.4Hz之間的較低頻帶范圍[4]。因此，磁異常探測(cè)用的磁強(qiáng)計(jì)，需要高靈敏與低頻高穩(wěn)定性的統(tǒng)一。近年來(lái)，美國(guó)海軍提出無(wú)人機(jī)組網(wǎng)、水面投擲陣列等網(wǎng)絡(luò)化磁異常探測(cè)新模式。采用多架無(wú)人機(jī)編隊(duì)縮短一片海域的水下磁性目標(biāo)搜索時(shí)間；同時(shí)，針對(duì)傳統(tǒng)全張量矢量梯度探測(cè)受制于基線(xiàn)長(zhǎng)度過(guò)短的難題，通過(guò)無(wú)人機(jī)編隊(duì)構(gòu)造長(zhǎng)基線(xiàn)，無(wú)需越頂即可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下磁性目標(biāo)的高精度定位，從而大幅提高探測(cè)效能。美國(guó)新一代反潛機(jī)P-8A即采用這一思路，未在飛機(jī)尾部裝備傳統(tǒng)的磁異常探潛系統(tǒng)，而是大力發(fā)展可發(fā)射/投擲的無(wú)人機(jī)編隊(duì)、水面陣列磁異常探潛新裝備。與傳統(tǒng)的磁異常探測(cè)相比，這些網(wǎng)絡(luò)化磁異常探測(cè)新手段不僅需要高精度的磁強(qiáng)計(jì)，而且由于編隊(duì)無(wú)人機(jī)的體積與能源有限，要求磁強(qiáng)計(jì)兼具小體積、低功耗等特點(diǎn)[5-8]。因此，網(wǎng)絡(luò)化磁異常探測(cè)迫切需要高精度、小體積的磁強(qiáng)計(jì)。

原子磁強(qiáng)計(jì)是高精度、小體積磁強(qiáng)計(jì)的突出代表，利用電子自旋或核自旋在磁場(chǎng)中的拉莫爾進(jìn)動(dòng)測(cè)量磁場(chǎng)，主要分為電子順磁共振磁強(qiáng)計(jì)與核磁共振磁強(qiáng)計(jì)[9-10]，其性能對(duì)比如表1所示。

電子自旋的旋磁比相比核自旋的一般高3個(gè)量級(jí)，使得電子自旋對(duì)微弱磁場(chǎng)的變化更為敏感。因此，電子順磁共振磁強(qiáng)計(jì)相比核磁共振磁強(qiáng)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度。但是，電子自旋的弛豫時(shí)間較短，一般在毫秒量級(jí)，制約了其低頻穩(wěn)定性的提高；核自旋的弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，一般在秒至小時(shí)量級(jí)，其低頻穩(wěn)定性較好，易于實(shí)現(xiàn)高精度。因此，核磁共振磁強(qiáng)計(jì)具有高精度、小體積的發(fā)展?jié)摿?。核磁共振磁?qiáng)計(jì)根據(jù)其使用的不同核自旋及極化方式的不同，可分為質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)、歐弗豪澤(Overhauser)磁強(qiáng)計(jì)和氦3(3He)原子磁強(qiáng)計(jì)。3He原子磁強(qiáng)計(jì)利用3He的核磁矩在外磁場(chǎng)中的拉莫爾進(jìn)動(dòng)來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。3He核自旋的橫向弛豫時(shí)間很長(zhǎng)，可達(dá)到小時(shí)甚至幾十小時(shí)量級(jí)[16]，是上述三類(lèi)核磁共振磁強(qiáng)計(jì)中核自旋弛豫時(shí)間最長(zhǎng)的磁強(qiáng)計(jì)。因此，3He原子磁強(qiáng)計(jì)理論精度更高，有望為網(wǎng)絡(luò)化磁異常探測(cè)的實(shí)現(xiàn)提供重要的技術(shù)途徑。

以下重點(diǎn)介紹3He原子磁強(qiáng)計(jì)的基本工作原理及其硬件構(gòu)成，分析其理論靈敏度與關(guān)鍵技術(shù)，介紹3He原子磁強(qiáng)計(jì)的目前研究情況，最后對(duì)3He原子磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 工作原理

3He核自旋具有磁矩，會(huì)圍繞外磁場(chǎng)進(jìn)行拉莫爾進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)頻率ω與3He核自旋旋磁比γ、外磁場(chǎng)的強(qiáng)度B滿(mǎn)足ω=γ·B。其中，旋磁比γ為物理常量，通過(guò)測(cè)量進(jìn)動(dòng)頻率ω，即可測(cè)定磁場(chǎng)。3He原子磁強(qiáng)計(jì)的工作原理如圖1所示。

圖1 3He原子磁強(qiáng)計(jì)的工作原理示意圖Fig.1 Theprinciple of atomic magnetometer based on 3He

3He核自旋的指向在自然狀態(tài)下雜亂無(wú)章，首先由一定頻率的驅(qū)動(dòng)激光照射于氣態(tài)3He原子上，使3He原子的核自旋產(chǎn)生極化，具備宏觀指向。待測(cè)的外磁場(chǎng)能夠使極化的3He核自旋產(chǎn)生拉莫爾進(jìn)動(dòng)，可以通過(guò)采用檢測(cè)線(xiàn)圈來(lái)測(cè)量這一進(jìn)動(dòng)。其原理是在進(jìn)動(dòng)過(guò)程中，3He核自旋磁矩會(huì)切割線(xiàn)圈，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，采用測(cè)頻裝置測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的頻率，即可求得待測(cè)磁場(chǎng)。

根據(jù)上述工作原理，典型的3He原子磁強(qiáng)計(jì)的硬件構(gòu)成由以下幾部分，各個(gè)部件的功能說(shuō)明如下：1)原子氣室：位于整個(gè)3He原子磁強(qiáng)計(jì)的中心，內(nèi)部包含用于敏感磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的3He原子以及其他輔助功能氣體原子等，是3He原子磁強(qiáng)計(jì)的核心敏感單元。2)驅(qū)動(dòng)激光：通過(guò)激光極化3He核自旋，賦予核自旋以宏觀指向，是3He原子磁強(qiáng)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一般采用圓偏振光。3)檢測(cè)線(xiàn)圈：在核自旋進(jìn)動(dòng)過(guò)程中，3He核自旋磁矩會(huì)切割線(xiàn)圈，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，從而獲取核自旋的進(jìn)動(dòng)狀態(tài)，是3He原子磁強(qiáng)計(jì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)。4)主場(chǎng)線(xiàn)圈：配合驅(qū)動(dòng)激光極化3He核自旋，賦予核自旋以宏觀方向。5)光電元件：包括光學(xué)元件、光電元件等，對(duì)驅(qū)動(dòng)激光等功能部件進(jìn)行精密調(diào)節(jié)與檢測(cè)。6)信號(hào)處理單元：包括前置放大單元、測(cè)頻單元，3He核自旋磁矩切割檢測(cè)線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通常在微伏量級(jí)，為提高測(cè)量精度，需要采用前置放大單元將其放大后進(jìn)行頻率測(cè)量。

總體來(lái)看，3He原子磁強(qiáng)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其內(nèi)部部件一般能夠進(jìn)行小型化加工制造，為3He原子磁強(qiáng)計(jì)的小型化提供了條件。

2 靈敏度分析

根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理，3He原子磁強(qiáng)計(jì)的理論靈敏度為[17]

(1)

式中，γ為3He核自旋的旋磁比，具體數(shù)值為3.24×10-2Hz/nT；T2為3He核自旋/的橫向弛豫時(shí)間，SNR為系統(tǒng)的信噪比。

3He核自旋的橫向弛豫時(shí)間T2可以表達(dá)為[18]

(2)

在3He原子磁強(qiáng)計(jì)中，系統(tǒng)的信噪比SNR可以表達(dá)為

(3)

式中，Vnoise為前置放大器的本底噪聲、線(xiàn)圈熱噪聲等，Vpu為檢測(cè)線(xiàn)圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

核自旋在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生拉莫爾進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)磁場(chǎng)，檢測(cè)線(xiàn)圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可描述為[19]

(4)

由式(1)可知，提高3He核自旋的弛豫時(shí)間和系統(tǒng)的信噪比，可以提高3He原子磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度。根據(jù)式(1)繪制了3He原子磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度理論計(jì)算曲線(xiàn)，如圖2所示。如當(dāng)3He核自旋橫向弛豫時(shí)間T2=1000s，系統(tǒng)信噪比SNR=1000時(shí)，利用以上參數(shù)在圖2中查找，對(duì)應(yīng)3He原子磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度接近0.03pT/Hz1/2。由圖2可知，當(dāng)3He核自旋的橫向弛豫時(shí)間T2達(dá)到小時(shí)甚至幾十小時(shí)量級(jí)時(shí)，3He原子磁強(qiáng)計(jì)的理論靈敏度甚至可達(dá)到fT量級(jí)。

圖2 3He原子磁強(qiáng)計(jì)磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度理論計(jì)算曲線(xiàn)Fig.2 The theoretical sensitivity of 3He atomic magnetometer

3 國(guó)內(nèi)外研究情況

氦的兩種同位素原子3He和4He，都是制作原子磁強(qiáng)計(jì)的工作物質(zhì)，4He沒(méi)有孤立的核磁矩，主要用來(lái)構(gòu)造電子順磁共振磁強(qiáng)計(jì)，采用光泵的方法使電子極化，通常也稱(chēng)為氦光泵磁強(qiáng)計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)外在以氦元素作為敏感介質(zhì)的磁強(qiáng)計(jì)中，研制生產(chǎn)較多的產(chǎn)品主要是光泵磁強(qiáng)計(jì)，如美國(guó)Polatomic公司研制的氦光泵磁強(qiáng)計(jì)P-2000，靈敏度優(yōu)于0.1pT。P-2000氦光泵磁強(qiáng)計(jì)是Polatomic公司為美國(guó)海軍打造的用于反潛作戰(zhàn)的高靈敏度磁測(cè)設(shè)備，其目前已裝備應(yīng)用到以P3-C為代表的多型反潛機(jī)，代表了目前世界上氦光泵磁強(qiáng)計(jì)的先進(jìn)水平[20-21]。美國(guó)Polatomic公司同樣研制生產(chǎn)了3He原子磁強(qiáng)計(jì)，靈敏度達(dá)到1pT/Hz1/2，與氦光泵磁強(qiáng)計(jì)相比，主要應(yīng)用于0.001～0.1Hz的低頻段[14]。美國(guó)RaytheonSystems公司在DARPA項(xiàng)目的支持下，同樣實(shí)現(xiàn)1pT/Hz1/2的靈敏度[23]。法國(guó)Herve′Gilles小組在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了20pT/Hz1/2的靈敏度[22]。目前，3He原子磁強(qiáng)計(jì)主要能應(yīng)用于磁異常探潛，放置在飛機(jī)尾部或投擲入水面；少量的3He原子磁強(qiáng)計(jì)放置在臺(tái)站上，作科學(xué)研究之用。隨著量子調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外研究學(xué)者采用3He原子磁強(qiáng)計(jì)，用于電子的電偶極矩測(cè)量、電荷共軛-宇稱(chēng)-時(shí)間反演是否守恒等前沿基礎(chǔ)物理研究，發(fā)揮3He原子磁強(qiáng)計(jì)低頻段高靈敏的突出優(yōu)勢(shì)[24-27]。

近年來(lái)，在高性能磁異常探測(cè)的需求牽引下，國(guó)內(nèi)多家單位開(kāi)展了3He原子磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)研究。其中，北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所、北京大學(xué)等單位針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化磁異常探測(cè)對(duì)高精度、小體積磁強(qiáng)計(jì)的需求，開(kāi)展了3He原子磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)探索的研究。北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所已經(jīng)研制了3He原子磁強(qiáng)計(jì)的原理實(shí)驗(yàn)裝置(如圖3所示)，走通了3He核自旋的極化、感應(yīng)線(xiàn)圈的檢測(cè)等技術(shù)，采用直徑10mm、肖特8252玻璃自主研制了3He原子氣室，實(shí)現(xiàn)了3He原子磁強(qiáng)計(jì)的原理驗(yàn)證。目前，正在進(jìn)行原理樣機(jī)的研制。

圖3 研制的3He原子磁強(qiáng)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experiment platform for 3He atomic magnetometer

綜上所述，在量子操控等技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，3He原子磁強(qiáng)計(jì)以其從原理上具有高精度、小體積的突出優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)再次成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究對(duì)象。

4 發(fā)展展望

3He核自旋的橫向弛豫時(shí)間很長(zhǎng)，可達(dá)到小時(shí)甚至幾十小時(shí)量級(jí)，理論精度高，有望為網(wǎng)絡(luò)化磁異常探測(cè)的實(shí)現(xiàn)提供重要的技術(shù)途徑。但3He核自旋的橫向弛豫時(shí)間易受磁場(chǎng)梯度影響，因此，3He原子磁強(qiáng)計(jì)的主場(chǎng)線(xiàn)圈均勻區(qū)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，直接影響3He原子磁強(qiáng)計(jì)的精度。另一方面，隨著電子的電偶極矩測(cè)量、電荷共軛-宇稱(chēng)-時(shí)間反演是否守恒等前沿基礎(chǔ)物理研究對(duì)高精度、小體積3He原子磁強(qiáng)計(jì)的需求，一些新的原子操控技術(shù)如自旋光抽運(yùn)技術(shù)應(yīng)用于3He原子磁強(qiáng)計(jì)中，有望大幅度提高3He原子磁強(qiáng)計(jì)的精度。

我國(guó)的3He原子磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)目前仍處于起步研究階段，與國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用相比，差距較大。主要表現(xiàn)為缺乏3He核自旋系綜的弛豫機(jī)理與操控方法認(rèn)識(shí)，以及高性能的核心部件等，需要我國(guó)在上述技術(shù)難點(diǎn)方面加強(qiáng)相關(guān)研究工作，服務(wù)于未來(lái)網(wǎng)絡(luò)化磁異常探測(cè)的應(yīng)用需求。

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Technology and Progress of Atomic Magnetometer Based on3He

WAN Shuang-ai, QIN Jie, WANG Shi-lin, SUN Xiao-guang

(Beijing Automation Control Equipment Institute，Beijing 100074，China)

With the rapid progresses of frontier technologies such as quantum manipulation, atomic magnetometer based on3He nuclear, which features high precision, compact size, has becoming one of the main technologies of developing magnetic anomaly detection in the future. The basic operation principle and typical hardware structure of the atomic magnetometer based on3He are introduced firstly; the theoretical sensitivity is analyzed secondly; the recent progress of the atomic magnetometer based on3He are summarized thirdly; the development of the atomic magnetometer based on3He in the near future are prospected finally.

3He magnetometer; Atomic magnetometer; Magnetometer; Magnetic anomaly detection

2015-04-03；

2015-04-20。

萬(wàn)雙愛(ài)(1984-)，女，博士，工程師，主要從事量子傳感技術(shù)方面的研究。

E-mail: wsajishe@163.com

TN249

A

2095-8110(2015)03-0085-05