SERF原子磁力儀關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

李建軍， 王學(xué)鋒， 王 巍， 鄧意成

（1.中國航天科技集團(tuán)有限公司量子工程研究中心,北京100094;2.中國航天科技集團(tuán)有限公司,北京100048;3.北京航天控制儀器研究所,北京100039）

0 引言

無自旋交換弛豫（Spin-exchange Relaxation-free,SERF）磁力儀是基于原子自旋SERF態(tài)效應(yīng)利用光探測磁共振方法實(shí)現(xiàn)弱磁場精密測量的磁傳感器,SERF態(tài)效應(yīng)為壓窄原子磁共振線寬實(shí)現(xiàn)超高靈敏度原子磁力儀提供了一種新途徑。1973年,美國哥倫比亞大學(xué)教授Happer和Tang在實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)了高原子數(shù)密度和低磁場環(huán)境下的原子系統(tǒng)SERF態(tài)效應(yīng)[1]。 1977年,Happer和Tam從理論上解釋了SERF態(tài)的物理機(jī)理[2]。SERF原子磁力儀具有的超高靈敏度、小體積和低功耗等優(yōu)點(diǎn)使其在空間磁場探測[3]、 基礎(chǔ)物理研究[4]和生物醫(yī)學(xué)[5-6]等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。2010年,SERF原子磁力儀已實(shí)現(xiàn)0.16fT/Hz1/2的測量靈敏度,超越了超導(dǎo)量子干涉儀（Superconducting Quantum Interference Device,SQUID）,是目前世界上靈敏度最高的磁力儀[7]。近二十年來,SERF原子磁力儀吸引了國內(nèi)外諸多研究小組的廣泛關(guān)注,已成為精密磁場測量研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

1 基本原理

原子自旋交換是指兩個(gè)堿金屬原子在碰撞過程中由于電子強(qiáng)耦合作用導(dǎo)致原子在超精細(xì)能級(jí)布居數(shù)的變化,是影響原子自旋弛豫最為關(guān)鍵的因素[8]。然而,在高原子數(shù)密度和低磁場條件下,堿金屬原子的自旋交換碰撞頻率遠(yuǎn)大于原子的Larmor進(jìn)動(dòng)頻率時(shí),原子的自旋分布會(huì)維持穩(wěn)定狀態(tài),保證了原子系統(tǒng)的相干性,系統(tǒng)進(jìn)入SERF態(tài)。

經(jīng)典SERF原子磁力儀的原理裝置如圖1所示,其核心是充有堿金屬原子和緩沖氣體（He、N2）的原子氣室。一束與堿金屬原子D1線共振的泵浦激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡和1/4波片將線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光,用于極化堿金屬原子自旋。當(dāng)存在外磁場By時(shí),原子磁矩繞著磁場做Larmor進(jìn)動(dòng)。一束與泵浦激光方向垂直的線偏振探測光通過原子氣室,經(jīng)過偏振分束棱鏡分為s光和p光,分別由光電探測器接收。然后,通過差分放大電路檢測探測光偏振面的偏轉(zhuǎn)角度,實(shí)現(xiàn)磁場的精密測量。另外,無磁電加熱片用于提高原子氣室溫度,增加原子數(shù)密度；三維磁場線圈用于補(bǔ)償原子磁力儀環(huán)境剩余磁場,磁屏蔽筒用于屏蔽外界地磁場對(duì)原子自旋的影響。

圖1 SERF原子磁力儀原理裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of SERF atomic magnetometer

考慮原子系統(tǒng)激光泵浦極化、磁致進(jìn)動(dòng)和自旋弛豫三種物理過程,可以利用Bloch方程描述SERF態(tài)原子自旋演化過程[9]

由量子力學(xué)測不準(zhǔn)原理,SERF原子磁力儀的極限靈敏度為

式（3）中,n為堿金屬原子數(shù)密度,γ為原子旋磁比,T2為橫向弛豫時(shí)間,V為原子氣室體積,t為測量時(shí)間[10]。如采用體積為7cm3、工作溫度為190℃的鉀原子氣室,SERF原子磁力儀的理論極限靈敏度可達(dá)到 2×10－18T/Hz1/2[11]。

2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 國外研究進(jìn)展

2002年,美國普林斯頓大學(xué)的Romalis等首次將SERF態(tài)效應(yīng)應(yīng)用于光學(xué)原子磁力儀,達(dá)到了在高原子數(shù)密度條件下的原子自旋極化信號(hào)增強(qiáng),而磁共振線寬不增加的效果實(shí)現(xiàn)了靈敏度為10fT/Hz1/2的SERF原子磁力儀[11]。圖2為美國普林斯頓大學(xué)的SERF原子磁力儀實(shí)驗(yàn)裝置。2010年,該小組將鉀原子氣室溫度加熱至200℃,其靈敏度提升至0.16fT/Hz1/2,達(dá)到世界領(lǐng)先水平[7]。此外,為了擺脫磁屏蔽筒帶來的約束,Romalis等通過零交叉磁場調(diào)制主動(dòng)補(bǔ)償控制技術(shù)有效壓制了環(huán)境剩余磁場,在無磁屏蔽筒環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了靈敏度達(dá)到1pT/Hz1/2的三軸矢量SERF原子磁力儀[12]。

圖2 美國普林斯頓大學(xué)的SERF原子磁力儀實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experiment platform of SERF atomic magnetometer developed by Princeton University

2008年,美國加州大學(xué)伯克利分校的Budker等研制成功了基于銫原子的SERF磁力儀,靈敏度達(dá)到40fT/Hz1/2,并在理論上進(jìn)一步指出通過優(yōu)化其靈敏度可達(dá)到 0.2fT/Hz1/2[13]。 2010年, 美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院利用微機(jī)電（MEMS）系統(tǒng)技術(shù)研制了雙腔原子氣室,實(shí)現(xiàn)了靈敏度為5fT/Hz1/2的SERF原子磁力儀[14]。此外,該小組還致力于SERF原子磁力儀的小型化和低功耗研究[15-16]。

近年來,SERF原子磁力儀已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,如美國的QuSpin公司和Twinleaf公司已經(jīng)開始出售高性能的SERF原子磁力儀。2017年和2018年,QuSpin公司分別研制出靈敏度優(yōu)于15fT/Hz1/2的第一代和靈敏度為7fT/Hz1/2～10fT/Hz1/2的第二代SERF原子磁力儀產(chǎn)品,其中第二代探頭體積為12.4mm×16.6mm×24.4mm,如圖3所示。

圖3 美國QuSpin公司的第一代和第二代SERF原子磁力儀產(chǎn)品Fig.3 First and second generation product of SERF atomic magnetometer developed by QuSpin Company

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

在國內(nèi),SERF原子磁力儀的研究起步較晚。2020年,北京航空航天大學(xué)突破了高壓抗弛豫堿金屬氣室、高性能低噪聲磁屏蔽與磁補(bǔ)償、原子自旋精密極化與檢測等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了基于鉀原子自旋SERF效應(yīng)的超高靈敏度磁場測量平臺(tái),磁場靈敏度達(dá)到 0.089fT/Hz1/2（30Hz ～39Hz）, 測量平臺(tái)如圖4所示[17]。

圖4 北京航空航天大學(xué)的SERF原子磁力儀研究平臺(tái)Fig.4 Research platform of SERF atomic magnetometer developed by Beijing University of Aeronautics and Astronautics

2016年,中國科學(xué)院物理研究所成功搭建了基于鉀原子的SERF原子磁力儀裝置,靈敏度為8fT/Hz1/2[18]。 2019年, 該單位利用熱管導(dǎo)熱方式加熱鉀原子氣室,實(shí)現(xiàn)了靈敏度優(yōu)于6fT/Hz1/2的小型化四通道SERF原子磁力儀,如圖5所示[19]。

圖5 中科院物理所的小型化四通道SERF原子磁力儀探頭Fig.5 Diagram of SERF atomic magnetometer sensor head developed by Institute of Physics,CAS

2017年,北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所基于銫原子氣室,利用泵浦光-探測光垂直結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了探頭體積為2.5cm×2.7cm×15cm、靈敏度為10fT/Hz1/2的小型化SERF原子磁力儀,如圖6所示[20]。

圖6 北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所的SERF原子磁力儀探頭Fig.6 Diagram of SERF atomic magnetometer sensor head developed by Beijing Automation Control Equipment Institute

2019年,北京航天控制儀器研究所突破了長弛豫時(shí)間原子氣室、高精密磁補(bǔ)償、原子氣室無磁加熱以及小型化探頭無磁封裝等關(guān)鍵技術(shù),成功研制出了探頭體積為55cm3、靈敏度為50fT/Hz1/2的SERF原子磁力儀原理樣機(jī),如圖7所示。

圖7 北京航天控制儀器研究所SERF原子磁力儀原理樣機(jī)Fig.7 Diagram of SERF atomic magnetometer principle prototype developed by Beijing Institute of Aerospace Control Devices

3 關(guān)鍵技術(shù)

制約SERF原子磁力儀靈敏度的主要因素包括堿金屬原子弛豫時(shí)間和環(huán)境磁場等,關(guān)鍵技術(shù)主要包括長弛豫時(shí)間原子氣室制備、原子氣室無磁加熱和高精密動(dòng)態(tài)磁補(bǔ)償?shù)取?/p>

3.1 長弛豫時(shí)間原子氣室制備技術(shù)

原子氣室是原子自旋極化、自旋弛豫和磁致進(jìn)動(dòng)等物理過程的發(fā)生場所,是SERF原子磁力儀的核心部件。原子自旋弛豫時(shí)間直接決定SERF原子磁力儀的靈敏度等指標(biāo),提高氣室中原子自旋弛豫時(shí)間的常用方法有兩種:充入緩沖氣體和氣室內(nèi)壁鍍膜[21]。緩沖氣體能夠降低原子與氣室內(nèi)壁的碰撞,提升原子自旋弛豫時(shí)間。同時(shí),堿金屬原子也會(huì)與緩沖氣體產(chǎn)生自旋碰撞等弛豫過程。所以,原子氣室的精確充制是氣室制備中的一項(xiàng)技術(shù)難題。原子氣室鍍膜可以有效減緩原子與內(nèi)壁的碰撞,抑制極化原子的退極化過程,并且不會(huì)造成氣壓增大而產(chǎn)生的原子吸收譜線展寬,有利于低光功率下實(shí)現(xiàn)原子的高效極化,鍍膜材料和鍍膜工藝是長時(shí)間弛豫時(shí)間原子氣室制備的研究重點(diǎn)。此外,原子氣室材料與堿金屬原子會(huì)產(chǎn)生一定的物理、化學(xué)作用,其耐堿性是影響原子氣室長期性能穩(wěn)定性的重要因素。

3.2 原子氣室無磁加熱技術(shù)

為消除原子自旋交換碰撞弛豫機(jī)制,需將原子氣室加熱至100℃以上獲得高密度堿金屬蒸氣,保證原子自旋交換速率遠(yuǎn)大于原子自旋Larmor進(jìn)動(dòng)頻率。在SERF原子磁力儀研究初期,熱氣流加熱[13,22]和間斷式電加熱[14]是普遍使用的無磁加熱方式。但是,熱氣流加熱存在功耗高、加熱速度慢、溫度控制精度低以及間斷式電加熱存在溫度穩(wěn)定性差、易產(chǎn)生溫度梯度等缺點(diǎn),不符合小型化超高靈敏度SERF原子磁力儀的發(fā)展趨勢。而連續(xù)電加熱結(jié)構(gòu)簡單、體積小,但是加熱過程中會(huì)引入磁場噪音。通過設(shè)計(jì)對(duì)稱結(jié)構(gòu),加熱片可以顯著降低加熱磁場對(duì)原子自旋磁矩進(jìn)動(dòng)的影響。同時(shí),由于原子自旋進(jìn)動(dòng)頻率在百赫茲量級(jí),高頻加熱信號(hào)對(duì)其幾乎沒有影響。因此,利用電熱絲對(duì)稱形式設(shè)計(jì)小型無磁加熱片、采用高頻連續(xù)加熱方法實(shí)現(xiàn)原子氣室溫度穩(wěn)定控制是SERF原子磁力儀的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.3 高精密動(dòng)態(tài)磁補(bǔ)償技術(shù)

零磁場環(huán)境是原子系統(tǒng)進(jìn)入SERF態(tài)的另一個(gè)關(guān)鍵因素。環(huán)境剩余磁場和梯度磁場直接影響原子自旋弛豫時(shí)間,影響SERF原子磁力儀的靈敏度。通常,采用坡莫合金（鎳含量在35%～90%的鐵鎳合金）對(duì)地磁場進(jìn)行被動(dòng)屏蔽,將磁屏蔽筒剩磁降低至10nT左右,通過設(shè)計(jì)高精密電源和制備正交線圈對(duì)磁屏蔽筒內(nèi)的剩磁進(jìn)一步主動(dòng)補(bǔ)償。此外,為擺脫原子磁力儀在非屏蔽環(huán)境下的使用限制,需采用磁場反饋補(bǔ)償方式,利用外加磁場抵消環(huán)境磁場,使原子氣室工作于零磁場附近,實(shí)現(xiàn)三軸磁場的閉環(huán)輸出[23]。2004年,美國普林斯頓大學(xué)基于高精密磁場補(bǔ)償反饋技術(shù)在X-Z方向產(chǎn)生交叉調(diào)制磁場,實(shí)現(xiàn)了非屏蔽環(huán)境下的三軸矢量SERF原子磁力儀[12]。

4 發(fā)展趨勢

作為國內(nèi)外磁場精密測量技術(shù)的研究熱點(diǎn),近二十年來,SERF原子磁力儀取得了長足的發(fā)展,其發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1）在工作介質(zhì)方面,SERF原子磁力儀向基于堿金屬鉀原子的超靈敏度SERF磁力儀發(fā)展。相比于其他堿金屬原子（銣和銫）,鉀原子與緩沖氣體（He或N2）的自旋破壞碰撞截面小1～2個(gè)數(shù)量級(jí),具有更窄的原子磁共振線寬,在靈敏度和測量精度上更具優(yōu)勢[24]。

2）在工程應(yīng)用方面,SERF原子磁力儀向非磁屏蔽環(huán)境下的三軸SERF原子磁力儀發(fā)展。考慮原子工作在SERF態(tài)時(shí)需滿足極弱磁環(huán)境條件,通過磁場閉環(huán)控制技術(shù),利用外加磁場抵消環(huán)境磁場,保證原子氣室處于零磁場附近,同時(shí)通過反饋信號(hào)測量外界磁場三軸分量[23]。非磁屏蔽環(huán)境下的原子磁力儀研制突破了零磁場局限,能夠滿足空間磁場探測需求。

3）SERF原子磁力儀正朝著小型化、超高靈敏方向發(fā)展。目前,國內(nèi)的SERF原子磁力儀還處于原理樣機(jī)研制階段,探頭工作壽命和穩(wěn)定性是面臨的主要問題,需要從根本上解決微型長弛豫時(shí)間原子氣室制備、激光穩(wěn)頻控制、磁補(bǔ)償精密控制以及探頭小型化無磁封裝等技術(shù)難題。

5 應(yīng)用前景

SERF原子磁力儀在生物醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)物理研究、空間磁場探測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

SERF原子磁力儀成本低、靈敏度高、體積小、功耗低以及便于維護(hù),有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)SQUID腦磁圖儀為研究大腦工作原理提供豐富的信息,是腦機(jī)接口和人工智能研究領(lǐng)域最有潛力的技術(shù)手段。2018年,英國諾丁漢大學(xué)研制成功了基于SERF原子磁力儀的可穿戴式腦磁圖原型機(jī),能實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)腦磁信號(hào)探測,如圖8所示[6]。

圖8 英國諾丁漢大學(xué)基于SERF原子磁力儀的腦磁圖原型機(jī)Fig.8 Diagram of magnetoencephalogram prototype based on SERF atomic magnetometer developed by University of Nottingham

其次,三軸矢量SERF原子磁力儀有望應(yīng)用于地磁臺(tái)站監(jiān)測和空間磁探測[25]。相比于磁通門三軸矢量磁力儀,矢量原子磁力儀具有更好的穩(wěn)定性和精確度,并具有三軸測量位置重合等優(yōu)點(diǎn)。后續(xù),通過對(duì)半導(dǎo)體激光二極管和微型原子腔等技術(shù)的集成應(yīng)用,有望實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于磁通門的三軸矢量SERF原子磁力儀。

6 結(jié)論

SERF原子磁力儀是一種能兼顧超高靈敏度和小體積的磁場精密測量儀器。本文介紹了SERF原子磁力儀的基本原理和國內(nèi)外研究進(jìn)展,重點(diǎn)歸納和討論了長弛豫時(shí)間原子氣室、原子氣室無磁加熱和高動(dòng)態(tài)磁補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù),并從工作介質(zhì)和工程應(yīng)用等方面對(duì)其發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析,最后對(duì)SERF原子磁力儀在生物醫(yī)學(xué)和空間磁探測等領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。