本發(fā)明涉及量子精密測量儀器，特別是一種集成磁通導(dǎo)引-聚集器的serf原子磁強(qiáng)計測量裝置。

背景技術(shù)：

1、serf(spin-exchange-relaxation-free，無自旋交換弛豫)原子磁強(qiáng)計通過極化原子實現(xiàn)磁場測量，是測量靈敏度最高的原子磁強(qiáng)計。小型化serf原子磁強(qiáng)計具有結(jié)構(gòu)緊湊、測量靈敏度高的優(yōu)勢，在心腦磁測量、肌肉磁測量以及磁成像等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。常規(guī)的小型化serf原子磁強(qiáng)計探頭尺寸在厘米級，這將磁強(qiáng)計的空間分辨率限制在了厘米級，此外，磁強(qiáng)計的敏感元件原子氣室一般處于探測頭的中心，距離待測磁源具有一定的距離，這導(dǎo)致磁源產(chǎn)生的磁場在傳至原子氣室的過程中，隨著距離的平方快速衰減，使待測信號減弱。這限制了常規(guī)小型化serf原子磁強(qiáng)計在心磁、腦磁、磁成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。目前可以利用磁通導(dǎo)引器或磁通聚集器解決上述問題，但由于二者的幾何特性限制，只能單獨實現(xiàn)待測磁場放大或提高serf原子磁強(qiáng)計空間分辨率，導(dǎo)致空間分辨率和信號強(qiáng)度無法兼得，從而限制了serf原子磁強(qiáng)計在巖石測量、物質(zhì)材料磁性測試等領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合考慮了空間分辨率提高和磁場信號放大的幾何特性，實現(xiàn)了空間分辨率和信號強(qiáng)度的同時放大。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的問題是：提供一種集成磁通導(dǎo)引-聚集器的serf原子磁強(qiáng)計測量裝置，設(shè)計一種可以對待測磁場進(jìn)行匯聚的磁通導(dǎo)引-聚集器，將磁通導(dǎo)引-聚集器放置于serf原子磁強(qiáng)計前端，可以實現(xiàn)對遠(yuǎn)端弱磁場的放大作用，將放大后的磁場導(dǎo)引通過serf原子磁強(qiáng)計的氣室，可以提高原子磁強(qiáng)計的響應(yīng)信號，從而提高磁測量裝置的信噪比；另一方面，通過對接觸磁場表面的形狀設(shè)計，可實現(xiàn)磁通聚集器對特定范圍內(nèi)的待測磁場放大，從而實現(xiàn)空間分辨率的提高。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

3、一種集成磁通導(dǎo)引-聚集器的serf原子磁強(qiáng)計測量裝置，其特征在于，包括在磁強(qiáng)計探頭的磁場輸入界面上設(shè)置磁通導(dǎo)引-聚集器，所述磁通導(dǎo)引-聚集器與所述磁強(qiáng)計探頭的組合構(gòu)成具備亞毫米空間分辨率的磁強(qiáng)計表頭，所述磁強(qiáng)計表頭通過連接桿連接三維位移臺。

4、所述磁通導(dǎo)引-聚集器包括其細(xì)端用于與待測磁樣品相抵近的磁場采集器，從所述磁場采集器的粗端軸向延伸的磁場傳遞器，以及從所述磁場傳遞器的端面一邊軸向延伸一邊徑向收縮的磁場放大器，所述磁場放大器的細(xì)端粘接在所述磁強(qiáng)計探頭的磁場輸入界面上，所述磁場放大器的細(xì)端的端面尺度與所述磁強(qiáng)計探頭中堿金屬原子氣室的端面尺度相匹配。

5、所述磁通導(dǎo)引-聚集器是采用軟磁鐵氧體形成的一體化結(jié)構(gòu)，所述磁場采集器的細(xì)端的端面尺度是亞毫米量級，所述磁通導(dǎo)引-聚集器的磁場匯聚放大效果具有以下表達(dá)式：

6、

7、式中a是放大倍數(shù)，n為退磁因子，是與長度l1、l2和l3相關(guān)的物理量，l1是磁場放大器的長度，l2是磁場傳遞器的長度，l3是磁場采集器的長度，μr為軟磁鐵氧體材料的相對磁導(dǎo)率，φ1是磁場放大器的細(xì)端直徑；φ3是磁場采集器的細(xì)端直徑。

8、所述磁強(qiáng)計探頭包括殼體，所述殼體內(nèi)設(shè)置有氣室電加熱模塊，所述堿金屬原子氣室位于所述氣室電加熱模塊內(nèi)。

9、所述磁強(qiáng)計表頭位于磁屏蔽裝置內(nèi)，所述磁強(qiáng)計探頭通過各自的保偏光纖分別連接光電測控系統(tǒng)中的抽運激光模塊和檢測激光模塊，所述磁強(qiáng)計探頭通過數(shù)據(jù)傳輸線連接光電測控系統(tǒng)中的信號采集處理模塊，所述磁強(qiáng)計探頭連接上位機(jī)。

10、包括以下公式：

11、

12、其中vb是信號采集處理模塊輸出的磁強(qiáng)計輸出信號，a是放大倍數(shù)，g為光電探測器的轉(zhuǎn)換系數(shù)，e為自然常數(shù)，od為光學(xué)深度，c為光速，r為經(jīng)典電子半徑，f為堿金屬d1線共振強(qiáng)度，n為原子數(shù)密度，l為原子氣室長度，ipr是入射氣室的檢測光光強(qiáng)，η表示氣室玻璃對檢測光光強(qiáng)的衰減系數(shù)，γe表示旋磁比，v為激光的頻率，v0為堿金屬d1線共振頻率，г為原子氣室壓力展寬，rop為抽運率，rrel為橫向弛豫率，bz為待測磁場大小。

13、所述磁場放大器的細(xì)端通過紫外膠緊貼在所述磁強(qiáng)計探頭的磁場輸入界面上。

14、所述磁場采集器的細(xì)端表面與待測磁樣品的表面之間保持間距在1mm至1.5mm。

15、所述氣室電加熱模塊對堿金屬原子氣室進(jìn)行加熱，使堿金屬蒸汽的原子數(shù)密度達(dá)到1013～1014個/cm3量級。

16、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

17、(1)常規(guī)的serf原子磁強(qiáng)計由原子氣室自身體積限制，通?？臻g分辨率為毫米至厘米量級。本發(fā)明通過設(shè)計磁通導(dǎo)引-聚集器的結(jié)構(gòu)，對待測磁場實現(xiàn)匯聚，提高整個serf原子磁強(qiáng)計磁測量裝置的空間分辨率至亞毫米量級。

18、(2)常規(guī)的serf原子磁強(qiáng)計具有較高的靈敏度，但由于磁場大小隨距離存在二次方的衰減，因此，遠(yuǎn)端弱磁場信息損失較大。本發(fā)明通過磁通導(dǎo)引-聚集器將待測磁場導(dǎo)引至serf原子磁強(qiáng)計敏感器件附近，并在導(dǎo)引過程中對待測磁場實現(xiàn)了放大。

19、(3)常規(guī)磁通導(dǎo)引-聚集器只能實現(xiàn)磁場的導(dǎo)引放大作用或者空間分辨率提高的效果。本發(fā)明通過對磁通導(dǎo)引-聚集器結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)了對遠(yuǎn)端磁場的放大以及空間分辨率的提高。磁通導(dǎo)引-聚集器接觸待測磁場部分的截面積較小，限制了放大磁場范圍，從而提高了空間分辨率；結(jié)合serf原子磁強(qiáng)計中氣室尺寸，通過對磁場輸出截面大小設(shè)計，實現(xiàn)了對待測磁場的放大，從而實現(xiàn)對遠(yuǎn)端磁場測量的信噪比的提高。

技術(shù)特征：

1.一種集成磁通導(dǎo)引-聚集器的serf原子磁強(qiáng)計測量裝置，其特征在于，包括在磁強(qiáng)計探頭的磁場輸入界面上設(shè)置磁通導(dǎo)引-聚集器，所述磁通導(dǎo)引-聚集器與所述磁強(qiáng)計探頭的組合構(gòu)成具備亞毫米空間分辨率的磁強(qiáng)計表頭，所述磁強(qiáng)計表頭通過連接桿連接三維位移臺。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成磁通導(dǎo)引-聚集器的serf原子磁強(qiáng)計測量裝置，其特征在于，所述磁通導(dǎo)引-聚集器包括其細(xì)端用于與待測磁樣品相抵近的磁場采集器，從所述磁場采集器的粗端軸向延伸的磁場傳遞器，以及從所述磁場傳遞器的端面一邊軸向延伸一邊徑向收縮的磁場放大器，所述磁場放大器的細(xì)端粘接在所述磁強(qiáng)計探頭的磁場輸入界面上，所述磁場放大器的細(xì)端的端面尺度與所述磁強(qiáng)計探頭中堿金屬原子氣室的端面尺度相匹配。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成磁通導(dǎo)引-聚集器的serf原子磁強(qiáng)計測量裝置，其特征在于，所述磁通導(dǎo)引-聚集器是采用軟磁鐵氧體形成的一體化結(jié)構(gòu)，所述磁場采集器的細(xì)端的端面尺度是亞毫米量級，所述磁通導(dǎo)引-聚集器的磁場匯聚放大效果具有以下表達(dá)式：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成磁通導(dǎo)引-聚集器的serf原子磁強(qiáng)計測量裝置，其特征在于，所述磁強(qiáng)計探頭包括殼體，所述殼體內(nèi)設(shè)置有氣室電加熱模塊，所述堿金屬原子氣室位于所述氣室電加熱模塊內(nèi)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成磁通導(dǎo)引-聚集器的serf原子磁強(qiáng)計測量裝置，其特征在于，所述磁強(qiáng)計表頭位于磁屏蔽裝置內(nèi)，所述磁強(qiáng)計探頭通過各自的保偏光纖分別連接光電測控系統(tǒng)中的抽運激光模塊和檢測激光模塊，所述磁強(qiáng)計探頭通過數(shù)據(jù)傳輸線連接光電測控系統(tǒng)中的信號采集處理模塊，所述磁強(qiáng)計探頭連接上位機(jī)。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成磁通導(dǎo)引-聚集器的serf原子磁強(qiáng)計測量裝置，其特征在于，包括以下公式：

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成磁通導(dǎo)引-聚集器的serf原子磁強(qiáng)計測量裝置，其特征在于，所述磁場放大器的細(xì)端通過紫外膠緊貼在所述磁強(qiáng)計探頭的磁場輸入界面上。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成磁通導(dǎo)引-聚集器的serf原子磁強(qiáng)計測量裝置，其特征在于，所述磁場采集器的細(xì)端表面與待測磁樣品的表面之間保持間距在1mm至1.5mm。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的集成磁通導(dǎo)引-聚集器的serf原子磁強(qiáng)計測量裝置，其特征在于，所述氣室電加熱模塊對堿金屬原子氣室進(jìn)行加熱，使堿金屬蒸汽的原子數(shù)密度達(dá)到1013～1014個/cm3量級。

技術(shù)總結(jié)
一種集成磁通導(dǎo)引?聚集器的SERF原子磁強(qiáng)計測量裝置，將磁通導(dǎo)引?聚集器放置于SERF原子磁強(qiáng)計前端，可以實現(xiàn)對遠(yuǎn)端弱磁場的放大作用，將放大后的磁場導(dǎo)引通過SERF原子磁強(qiáng)計的氣室，可以提高原子磁強(qiáng)計的響應(yīng)信號，從而提高磁測量裝置的信噪比；另一方面，通過對接觸磁場表面的形狀設(shè)計，可實現(xiàn)磁通聚集磁對特定范圍內(nèi)的待測磁場放大，從而實現(xiàn)空間分辨率的提高，其特征在于，包括在磁強(qiáng)計探頭的磁場輸入界面上設(shè)置磁通導(dǎo)引?聚集器，所述磁通導(dǎo)引?聚集器與所述磁強(qiáng)計探頭的組合構(gòu)成具備亞毫米空間分辨率的磁強(qiáng)計表頭，所述磁強(qiáng)計表頭通過連接桿連接三維位移臺。

技術(shù)研發(fā)人員：陸吉璽,吳岳松,房建成,閆一凡,丁曉舒,周陳儀
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9