磁场调制技术在钾原子磁力仪中的应用研究

发布时间：2020-05-25 12:53

【摘要】：高灵敏度磁场测量在基础物理、磁异常探测及生物医学等领域有重要的应用。用于测量磁场的仪器叫做磁力仪。磁力仪种类繁多,其中,由于灵敏度高、使用维护方便等优势,原子磁力仪得到了广泛的应用。原子磁力仪是一种基于Zeeman效应来测量磁场的仪器,其工作过程中涉及到对原子自旋状态的操控。一种常用的用于操控原子自旋状态的技术是磁场调制技术,这种技术可以用于抑制原子磁力仪低频噪声、拓展现有原子磁力仪工作模式。磁共振磁力仪方案是一种常用的原子磁力仪方案。在这种方案中,施加的磁场包含静态偏置磁场以及与之垂直、在Larmor频率处振荡的驱动磁场。其中,原子极化矢量绕偏置磁场做Larmor进动。本文主要研究对上述偏置磁场进行磁场参量调制时的共振条件以及自旋进动的变化,并讨论这种调制方案潜在的应用价值。通过微扰求解Bloch方程以及在钾原子磁力仪中进行实验验证,我们发现当驱动磁场的频率与Larmor频率间的失谐量为参量调制频率的谐频时,系统也会发生共振。此外,在原子极化矢量的进动中可观测到一系列以驱动频率为中心,间隔为参量调制频率的频率边带,且通过改变参量调制幅度与频率的比值,能够控制这些频率边带的幅度。这些特性能应用于原子磁力仪信号频率搬移、矢量磁探测及磁场线圈频率响应标定等方面。
【图文】：

国防科技大学研究生院硕士学位论文磁共振效应可以实现地磁环境下（2 × 104 1 × 105n此它被广泛应用于矿藏探测、磁异常探测等方面。图理示意。通常的磁共振方案中包含一个幅度较大的缓较小的交变驱动磁场2Bacos (ωt)，，两磁场的方向相互原子系综首先会形成沿B0方向的极化矢量M′0；而后矢量有绕驱动磁场进动的趋势，但在弛豫效应以及偏到稳态时极化矢量与B0保持固定的夹角，并绕其以动磁场的频率等于原子磁矩在磁场B0下的 Larmor 进的角度达到最大，系统达到共振状态。由于共振时的幅度，因此利用这种效应，既可以在2Bacos (ωt) 受控0幅度的探测，形成标量磁力仪 [10]，又可以在 B0受rmor 频率附近震荡磁场的探测，形成射频场（RF）磁

用超导量子干涉仪组成的磁力仪阵列进行磁场探测，但近期原子磁力仪达到了与超导量子干涉仪相当的灵敏度，且使用更加方便，因此有望代替超导量子干涉仪。为了直观的对比超导量子干涉仪和原子磁力仪，图2.8和图2.9分别展现了超导量子干涉仪和原子磁力仪在脑磁图应用的使用场景，其中图2.8中患者头顶的大圆柱体内放置有超导量子干涉仪阵列，而图2.9中患者佩戴了用于固定原子磁力仪阵列的外壳，其中的红圈标记出了一个原子磁力仪探头。由于超导器件的工作需要维持在超低温环境下，涉及到对超低温冷却液体的存储、与患者的隔离等复杂的工程性问题，其探测器结构复杂、体积巨大且不便移动，限制了使用效率 [29]。相对而言，原子磁力仪不需要超低温冷却，使用方便且可穿戴 [49]，可以用于对患者状态的长期观察
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH823;TN761;O441.2

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本文编号：2680182