无自旋交换弛豫原子磁强计的主动磁补偿

发布时间：2020-02-15 03:31

【摘要】：由于外界磁场扰动会降低无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计的磁场测量灵敏度,本文根据SERF原子磁强计的测量原理,提出了一种基于原位磁测补偿外部磁场扰动的方法。该方法通过调制解调的方法对3个方向的磁场进行解耦,实现3个方向磁场信息的独立测量。然后,将3个方向磁场的测量信息作为反馈,调节电流源输出给线圈的电流,使线圈产生一个与外界扰动磁场大小相同方向相反的补偿磁场。最后,在现有的SERF原子磁强计实验平台上搭建了主动磁补偿系统,实现了对外部扰动磁场的补偿。与手动补偿方式相比,本文提出的主动磁补偿方法可将剩余磁场的平均值从0.317 8nT降低到0.040 4nT,同时将剩余磁场的均方差由0.348 1nT降低到0.024 7nT。得到的实验结果验证了本文所述方法的有效性。
【图文】：

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态。因此，，研究一种可以补偿磁场扰动的主动磁补偿系统，成为有效提高ＳＥＲＦ原子磁强计磁场测量灵敏度的关键技术之一。本文根据ＳＥＲＦ原子磁强计测量磁场的基本原理，提出了一种基于原位磁测的主动磁补偿方法，在此基础上基于ＬａｂＶＩＥＷ设计了可以补偿外界扰动磁场的主动磁补偿系统。最后结合ＳＥＲＦ原子磁强计实验平台进行了实验验证。２ＳＥＲＦ原子磁强计试验平台组成图１所示为原子磁强计试验平台示意图。主要由光抽运系统、光检测系统、磁屏蔽系统、碱金属气室和加热室等组成。图１ＳＥＲＦ原子磁强计试验平台构成示意图Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＳＥＲＦａｔｏｍｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐ光抽运系统由抽运激光器、起偏器和扩束镜组成。主要作用是驱动原子自旋，使其自旋方向一致。光检测系统由检测激光器、起偏器、检偏器和光电探测器组成。主要作用是检测碱金属原子的自旋指向［１９］。磁屏蔽系统分为磁屏蔽筒和主动磁补偿系统。磁屏蔽筒可将外界扰动磁场衰减到ｎＴ量级。但仍然会影响原子自旋的ＳＥＲＦ状态，因此还需要进行主动磁补偿。主动磁补偿系统由ＮＩ数据采集系统、电流源和三维主动磁补偿线圈组成。主要是根据数据采集系统所得的磁场信息，控制电流源输出给三维主动磁补偿线圈的电流，产生与扰动磁场方向相反大小相同的补偿磁场来补偿扰动。碱金属气室内装有需要被抽１８０９第７期梦中毅，等：无自旋交换弛豫原子磁强计的主动磁补偿

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＝１６ｐＴ；βｍｏｄｚ＝１６ｐＴ；ωｘ＝２πｒａｄ／ｓ；ωｚ＝０．２πｒａｄ／ｓ．在系统中加入均值为１．５ｎＴ，方差为１００ｐＴ的扰动磁场，系统输出如图２所示。图２ＳＥＲＦ原子磁强计主动磁补偿系统Ｓｉｍｕｌｉｎｋ系统输出Ｆｉｇ．２ＳｉｍｕｌｉｎｋｓｙｓｔｅｍｏｕｔｐｕｔｏｆａｃｔｉｖｅｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒＳＥＲＦａｔｏｍｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ由以上仿真结果可知，基于主动磁补偿方法的调节，经过２００ｓ将磁场补偿到２５ｐＴ，且始终保持稳定，不受外界磁场扰动影响。４ＳＥＲＦ原子磁强计主动磁补偿系统软件设计基于上述原理，在ＬａｂＶＩＥＷ平台上开发了ＳＥＲＦ原子磁强计的主动磁补偿系统软件，系统执行流程如图３所示。（１）首先对系统进行初始化，包括参数设定和电流源初始化命令等。（２）待系统信号稳定后，调制Ｚ轴方向的磁场，调制幅度为βｍｏｄｚ，调制频率为ωｚ。（３）根据锁相放大器的输出信号补偿Ｘ轴磁常（４）等待系统信号稳定后，调制Ｘ轴方向的磁场，调制幅度为βｍｏｄｘ，调制频率为ωｘ。（５）根据锁相放大器的输出信号补偿Ｚ轴磁常（６）判断是否达到了Ｘ、Ｚ轴的补偿极限，如果达到了补偿极限则转到步骤（７），若没有达到补偿极限则转到步骤（２）。（７）根据输出补偿Ｙ轴方向磁常（８）判断是否完成补偿，若完成补偿则停止，若没有完成补偿则转到步骤（２）。图３主动磁补偿系统程序流程图Ｆｉｇ．３Ｓｏｆｔｗａｒｅｆｌｏｗｏｆａｃｔｉｖｅ

【参考文献】