高灵敏铷原子磁力计的研制

发布时间：2020-08-24 07:26

【摘要】：从战国时期仅能指明方向的司南,到近些年来最灵敏的超导量子干涉仪等,人们研制与发展超高灵敏度的磁力计的脚步从未停止。超灵敏原子磁力计是一种测量光泵后的碱金属原子蒸气在磁场中的拉莫尔进动来对微弱磁场进行测量的仪器装置。这种原子磁力计在灵敏度上可以与超导量子干涉仪相媲美,但无需超低温液体来维持仪器的超导状态,因此,碱金属原子磁力计具有超高灵敏度、低成本、可小型化等特点。本文设计并优化了泵浦-探测构型的Rb原子磁力计,实现了优于20 fT/Hz~(1/2)的灵敏度。本文成果如下:(1)设计和实现了主被动磁屏蔽系统。被动磁屏蔽是由高磁导率坡莫合金制作的高屏蔽系数的磁屏蔽罩,理论上磁屏蔽系数为10~8,实际内部剩余磁场低于1 nT;主动磁屏蔽为高均匀度的匀场线圈,轴向不均匀度低于千分之一。(2)设计与实现了泵浦-探测构型的光路系统和基于碱金属原子饱和吸收谱的锁频系统。(3)设计与加工了加热炉与磁屏蔽内部支撑,方形的Rb原子蒸气室放置于加热炉的中心,双绞的加热丝绕于加热炉的表面。利用高频交流电加热和PID反馈方式实现了加热和温度控制,控温精度0.1℃。(4)优化激光参数和工作温度,提高磁场信号的响应幅度和信噪比,优化磁力计灵敏度。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM936
【图文】：

环境磁场,人体,磁场,磁场测量

图 1-1 环境磁场和人体产生磁场的范围磁场测量是一种应用十分广泛的技术，据《古矿录》中记载，早在战国有利用天然磁铁制作的司南指示方向的记录。到了现代，磁场测量的最主要集中在地质研究[1]、考古[2]、天然气与石油的检测、铁磁性矿产勘查[3]等方面从17世纪开始，便有了利用磁性罗盘来探测铁磁性矿石的记录。1832年，

示意图,碱金属原子,超精细结构,第一激发态

因此该能级总电子角动量量子数具有精细结构 J，这里我们使用标准光谱表示法，上标表示自旋多重态 2S+1J。因此基态可以写作，第一激发态写作和。能级之间的跃迁分别称为 D1 跃迁和 D2 跃迁。金属原子同位素都有不同的核自旋 I，因此，电子自旋和原子用会产生超精细能级结构。碱金属原子的如图所示。根据 W角动量矢量 J 必须与总原子角动量矢量 F 平行，因此测量电上等于确定原子自旋向量的方向，反之亦然。和能F=I±1/2。例如，裂分成 F=I+1/2 和 F=I-1/2 两个能级， {I-3/2，I-1/2，I+1/2，I+3/2}四个能级。碱金属原子的基态和与超精细结构能级示意图如图所示。

碱金属蒸气,极化度,磁力计,塞曼效应

图 2-2 Rb 原子精细结构在磁场中的塞曼效应力计的信号幅度通常与碱金属蒸气的极化度正相关。因此，要非常大的原子极化度。在通常热平衡的状态下，原子的极12tanh( )s BtherBg BPk T 是电子的朗道 g 因子， t JT是玻尔磁矩，B 玻尔兹曼常数，T 为开尔文温度。举例来说，在室温下，地中的热极化度仅为，在 10 T 的磁场中热极化度仅为 0测到磁力计信号。通过光泵的方式，将光子的角动量转移给生约为 1 的极化度。

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