K原子磁力仪的发展

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(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093)

引 言

磁场的检测在军事、考古、勘探、导航以及医学等领域都发挥着重要的作用,磁力计的研究与制作水平显得非常关键。近半个世纪以来,各种磁力计不断产生,在检测范围,灵敏度以及实际应用领域也是各不相同。在原子磁力计产生之前,超导量子干涉磁力仪(SQUID)作为技术最成熟、检测灵敏度最高的磁力仪,在生物磁场检测方面得以广泛应用。其磁力检测的灵敏度达到1 fT,测量量程达到1 fT～1 T[1]。但是,超导量子干涉磁力仪需要在超低温的条件下工作,需要体积庞大的杜瓦瓶来维持低温工作环境,成本非常高。基于这样的原因,原子磁力计得到了飞速的发展。尤其是碱金属原子磁力仪,以碱金属K、Cs、Se的塞曼效应为基础,通过检测电子自旋已被极化的碱金属原子在磁场中的进动及旋转角,从而检测出磁场强度,目前的实验室灵敏度可以达到0.54 fT[2]。碱金属原子磁力仪不仅在灵敏度上可以超越超导量子干涉磁力仪,而且可以在室温条件下工作,不需要杜瓦瓶冷却,成本低,体积小,便于集成,众多优势使得碱金属原子磁力仪成为了当前的研究热点。其中,以K原子磁力仪的研究最为有成效,如图1所示K原子磁力仪的检测灵敏度和精度相比于其他碱金属原子(Rb、Ce)磁力仪更具优势。

图1 各种原子磁力仪对应的灵敏度和精度Fig.1 Sensitivity and accuracy of different atomic magnetometers

K原子具有较为规则且更窄的电子自旋共振谱线宽,从而具有相对较高的拉莫进动频率(7 Hz/nT),所以可以具有更高的分辨率,测量时错误率更低。K原子磁力仪已有产品被应用在导航、地质勘探等领域[3]。

本文主要介绍K原子磁力仪的基本原理,检测方法,影响灵敏度的因素,以及目前国内外关于K原子磁力仪的最新研究成果,指出研究的瓶颈和实际应用领域,并且展望了K原子磁力仪的发展趋势。

1 K原子磁力仪的工作原理

碱金属K原子最外层只有一个未耦合的电子,控制起来非常方便,因此在与光相互作用过程中,碱金属原子可以近似地看作仅有原子核和一个价电子与外场发生作用,其他的电子与外场的作用可以忽略。碱金属原子磁力仪的工作过程可以描述为:首先利用碱金属原子的基态和激发态的能级结构极化原子,然后通过检测极化原子的拉莫旋进实现对磁场的测量。如图2[2]所示为一种基于K原子的碱金属原子磁力仪的实验装置图。其核心是一个充满了混合有气态K原子和缓冲气体He的碱金属原子气室,当用一束起光泵作用的高功率圆偏振激光照射气室时,K原子最外层未配对的价电子就会吸收光泵激光能量,进入自旋极化状态,且电子自旋指向圆偏振方向;此时用一束由单频二极管激光器发出垂直于起光泵作用的圆偏振激光束的探测激光检测在待测磁场中旋进时的电子自旋的取向,且探测激光的频率稍微偏离K原子的共振频率,当探测激光穿过极化气态K时,激光的偏振角会发生转动,且转动的偏振角度与电子自旋指向探测激光的角度成比例[4]。将探测激光聚焦后投射到光电二极管阵列上,即可形成待测磁场的图像。

根据量子力学中的测不准定理,碱金属原子磁力仪的极限灵敏度可以表示为[5]:

(1)

式中:n为原子密度;γ为旋磁比;T2为自旋弛豫时间;V是碱金属原子气室的体积;t是测量时间。

由式(1)可知,影响原子磁力仪的检测灵敏度的因素很多,在实际搭建磁力仪系统时必须考虑激光光源的选择,磁屏蔽的处理,原子气室的加热处理,以及光电信号检测的设计。

图2 一种K原子磁力仪的实验装置Fig.2 Experimental setup of an K atomic magnetometer

激光光源应该选择能在K原子塞曼能级D1线或者D2线产生共振的770 nm或767 nm波长的半导体激光器[6],并且需要对激光的线宽、频率的稳定性、跳模范围、功率都要作出严格的要求,尽量避免对灵敏度造成影响。

磁屏蔽的处理一般是通过使用高磁导率的材料做成多层屏蔽桶,将大部分磁力线屏蔽在磁力探头以外,而材料周围只存在非常微弱的剩余磁场,屏蔽系数可以达到106,通常使用的材料是坡莫合金[7]。

原子气室的加热处理主要有两点要求:一是保证温度稳定性的控制,二是确保加热过程中产生的磁场不会影响到磁力仪对磁场的测量[7]。另外,原子气室里的K原子的密度,自旋弛豫时间也是必须考虑的因素,一般来说可以通过加入惰性气体He,在气室内壁涂上石蜡等方式来提高灵敏度[8]。

光电信号主要检测响应速度,可重复性精度,信噪比大小。在原子磁力仪中通常使用分光束检测法和法拉第调制技术来检测探测光的偏转角,前者可实现8×10-7rad的检测精度,后者可实现10-8rad的小角度检测,但是法拉第调制技术结构复杂且响应速度较慢,所以分光束检测是较为理想的检测方法[9-11]。

2 研究进展

近年来,随着科学技术的提高,以及对原子磁力仪研究的深入,基于K原子的碱金属原子磁力仪研究领域涌现出众多新的研究方法和成果。国内主要有云南大学等致力K原子磁力仪的研究。

图3 实验装置Fig.3 Experiment setup

更有趣的是Savukov等[17]用K原子磁力仪做了关于水的核磁共振现象的研究,如图7所示为利用原子磁力仪测量水的核磁共振现象的实验装置示意图以及测量结果。自来水分子首先经过一个1.4 kg的永久磁铁进行极化,然后流进磁屏蔽室,通过测量K原子的拉莫旋进来分析水的核磁共振现象。图7中的K原子气室直径为3.8 cm,充满了2.5×101.325 kPa的He,60×133.322 Pa的N2,以及微量的K原子。图7(b)是核磁共振测量的信号,图7(c)是核磁共振测量的信号通过快速傅里叶变换(FFT)之后的信号,得到了很好效果。同时,这样的思路可以应用在对惰性气体的核磁共振现象的超灵敏测量以及多通道的核磁共振成像等领域。

图5 测量听觉刺激产生磁场的实验装置Fig.5 The setup of magnetic field stimulated by auditory

图6 实验装置Fig.6 Setup of experiment

另外,Savukov等[18]还研究了塞曼共振频率,共振频率的展宽和磁场强度、碱金属K原子含量、以及原子自旋极化旋转角度之间的关系。利用非线性密度矩阵方程描述了在原子极化的情况下,自旋交换碰撞、旋磁比以及共振频率宽度之间的关系。同时,通过如图8所示的实验装置,实验指出了K原子与其他碱金属原子在磁场中的核自旋不同,相比于铷原子等其他碱金属原子,K原子的共振频率宽度更窄,旋磁比较高,有利于更高灵敏度的磁场检测。

图7 水的核磁共振的测量装置Fig.7 Thesetup of water NMR detection

图8 实验装置原理图Fig.8 Experiment setup

在市场产品方面,目前GEM System.Inc公司的K原子磁力仪做得最好,该公司生产的GEM-GSMP 35型号的K原子磁力仪在1 Hz频率处的测量灵敏度可以达到0.000 3 nT,采样速率达到20 Hz,分辨率为0.000 1 nT,工作温度为-40～+55 ℃,充一次电能持续工作16 h,产品图片如图9所示[19]。

图9 GEM-GSMP 35型号K原子磁力仪Fig.9 GEM-GSMP 35 K atomic magnetometer

总体来说,K原子磁力的研究和发展仍在不断深入,基于目前磁力仪尚存在的一些缺陷,我们提出了一些针对性的改造和创新。如图10(a)所示为一种基于矢量漩涡光束的脑磁图检测装置,包括柔性头戴结构1、原子磁力计探针2、信号传输线层3、信号总线4、分析控制部件5;图10(b)为原子磁力计探针的内部结构,包括碱金属原子气体室201、泵浦光源202、主分光镜203、矢量漩涡光场光源204、探测分光镜205、偏振分光镜206、第一面阵光电探测器207、第二面阵光电探测器208、原子磁力计信号处理部件209。创新点在于:基于量子效应,结合矢量光场与漩涡光场特性,构建面检测原子磁力计探针,将探针阵列设置在柔性头戴结构中。脑磁场通过探针阵列检测不同区域磁场,每个原子磁力计探针检测本区域磁场空间分布,通过漩涡光场奇点进行相对坐标定位,通过矢量光场构建非均匀局域偏振态分布探测光束,进行高分辨率磁场空间分布检测,脑磁场信息通过分析控制部件进行总体信息拼接与融合,得到所需脑磁场分布及信息,使得脑磁图检测装置具有无需低温制冷系统,结构简单、灵敏度高、检测信息量大、空间分辨率高、灵活性好、可实现小型化等特点。

图10 基于矢量漩涡光束的脑磁图检测装置Fig.10 Magnetoen cephalography detection device based on vector vortex beam

除此之外,我们还提出了如图11所示的脑磁检测方法:利用原子磁力传感器构成的全光原子磁力计201和全光原子磁梯度计202交错分布在头部,以快速精确地提取脑磁信息的检测方法。首先,将由原子磁力传感器构成的全光原子磁力计和全光原子磁梯度计交错分布在头部,构成全光原子磁力计阵列和全光原子磁梯度计阵列,并形成脑磁传感层2,在脑磁传感层2外部设置有噪声屏蔽层3。全光原子磁力计阵列和全光原子磁梯度计阵列采集被测对象1的脑磁场信息;然后通过头部磁场原始数据模块收集,并传输给后续数据分析模块,进行多信息分析处理反演出不同维度的脑活动行为信息,再由脑活动信息合成模块进行信息融合,得到高空间时间分辨率脑活动信息三位图像。这种方式具有诸多的优点:方法简单、流程简洁、便于实现、灵敏度高、实现成本低、实时性好、可靠性高、稳定性高、需求空间小、信息量大、功能易于扩充等。

图11 一种全新的基于K原子磁力仪的脑磁场检测方法原理图Fig.11 Schematicof a new kind of method to detect brain magnetic field based on K atomic magnetometer

3 K原子磁力计的应用前景

K原子磁力仪是集新型光电探测器技术、微弱信号检测、信号处理技术、精密光学机械以及计算机信息处理技术于一体的综合性技术交叉仪器。由于K原子相比于其他碱金属原子的优势,GEM System.Inc公司的K原子磁力仪已经被应用于航空导航、火山地质测量、矿产资源勘探、以及水下反潜等军事领域。另外,早在几年前,美国海军部门就已经委托多个科研单位和公司致力于原子磁力仪的研究,并将其应用于航空导航、无人水下航行器(UUV)探潜和水艇探潜。以美国为主的多国科学家也开始将K原子磁力仪代替目前临床使用的SQUID,应用于动物的心磁图和脑磁图的研究及诊断,并取得了很好的效果[20]。据调研,国内在原子磁力仪的核心部件原子钟的研制方面已经达到了国际先进水平。随着激光器性能的不断提高,磁屏蔽技术的不断改进,光机电集成技术的不断发展、以及光电检测技术的不断探索改良,我国定将尽快开展具有自主知识产权的K原子磁力仪的研制。另外,随着微型化K原子磁力仪研究的深入以及产品化的实现,它必将在军事、地磁导航、地质勘探、生物医疗等应用领域发挥重要作用。

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