超高灵敏度K-SERF原子磁强计研发

发布时间：2017-07-04 16:28

  本文关键词：超高灵敏度K-SERF原子磁强计研发

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【摘要】：磁场探测有着很长的历史。弱磁探测是磁场探测中的重要分支,被广泛应用于医学、军事、工业生产、矿产开采以及基础物理研究领域。近年来,超导量子干涉仪(Supercon-ducting quantum interfere device,SQUID)灵敏度能够达到1 fT/Hz-1/2,使其成为最灵敏的弱磁探测器。然而,SQUID磁强计需要在超导状态下工作,而超导装态的获得需要昂贵的制冷设备,这导致其无法广泛使用。本文主要研究了基于无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation-free,SERF)理论搭建的新型原子磁强计,无需使用高昂的制冷设备即可以低成本获得超高灵敏度,理论灵敏度可达0.01 fT/Hz-1/2。目前最高单通道灵敏度是美国普林斯顿大学Romalis小组实现的1 fT/Hz-1/2.最终本文实现原子磁强计单通道灵敏度8fT/Hz-1/2,属于目前国内最高灵敏度。本文成果如下：一、探测光大失谐情况下的频率稳定直接影响最终信号的强度和稳定。通过在Lab-VIEW系统搭建虚拟PID进行激光锁频,最终实现激光锁频精度为100 MHz(受限于波长计)。二、在无磁和高温的环境下,气室的固定是很棘手的问题。最终采用氮化硼和四氟乙烯作为制作材料,实现了温度和光路的稳定。三、由于原子磁强计需在无磁环境下工作。最终实现了实测剩磁1 nT的无磁环境,其屏蔽效能达105。四、利用PID反馈实现了温度精确控制,温度控制精度达0.01℃(受限于测温计)。并且,基于LabVIEW实现了温度可视化。五、早期实验系统手动控制过多造成实验不便。本文采用LabVIEW平台实现了实验测量和数据采集的自动化。六、验证了SERF机制和非SERF机制的拉莫尔进动频率的关系,并且给出SERF机制下原子磁强计的灵敏度。
【关键词】：拉莫尔进动 无自旋交换弛豫 虚拟仪器
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM936
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 引言7-13
• 1.1 绪论7-8
• 1.2 磁强计的研究现状8-12
• 1.2.1 磁通门磁力仪8-9
• 1.2.2 质子旋进磁力仪9-10
• 1.2.3 He-3与He-4磁强计10
• 1.2.4 SQUID磁强计10-11
• 1.2.5 碱金属(铷、铯和钾)磁强计11-12
• 1.3 超高灵敏度K-SERF原子磁强计的研究12-13
• 第二章 SERF理论13-27
• 2.1 原子磁强计13-16
• 2.1.1 光学原子磁强计13-14
• 2.1.2 自旋交换碰撞和SERF机制14-16
• 2.2 SERF原子磁强计16-23
• 2.2.1 光学泵浦18-19
• 2.2.2 由于混合气体和探测吸收造成的自旋弛豫19-20
• 2.2.3 扩散20-21
• 2.2.4 拉莫尔进动21
• 2.2.5 布洛赫方程和稳态响应21-22
• 2.2.6 探测法拉第旋角22-23
• 2.3 激光参数的空间独立性23-27
• 2.3.1 高斯光束的空间传播24
• 2.3.2 探测光的纵向传播24-25
• 2.3.3 泵浦光的纵向传播25-27
• 第三章 原子磁强计的实验装置27-41
• 3.1 实验光路与对激光器的要求27-30
• 3.2 原子磁探头30-32
• 3.3 磁屏蔽32-34
• 3.4 温控系统34-37
• 3.5 自动化实验记录系统37-41
• 第四章 数据收集和分析41-47
• 4.1 磁强计工作与DC模式41-42
• 4.2 消除剩余磁场42
• 4.3 实验观测SERF机制和标定原子磁计灵敏度42-47
• 4.3.1 实验观测SERF机制42-45
• 4.3.2 标定原子磁强计灵敏度45-47
• 第五章 总结与展望47-49
• 参考文献49-55
• 攻读硕士学位期间完成的科研成果55-57
• 致谢57

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本文编号：518533