SERF超高靈敏磁場測量裝置磁噪聲抑制方法與實驗研究.pdf

1、磁場廣泛存在于自然界中，對于極弱磁場的精確測量可以促使各領(lǐng)域的研究人員探索新發(fā)現(xiàn)。極弱磁場的精確探測需要超高靈敏的磁場測量裝置，隨著量子調(diào)控技術(shù)與光電檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，利用原子自旋效應(yīng)測量微弱磁場已成為新興研究方向，其中，尤以基于無自旋交換弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF)原理的超高靈敏磁場測量備受矚目。目前，已實現(xiàn)0.16 fT/Hz1/2的磁場測量靈敏度，這是人類已獲得的最高磁場測量靈敏度

2、。本文以SERF超高靈敏磁場裝置為研究對象，以提升磁場測量靈敏度為研究目標(biāo)，開展了SERF超高靈敏磁場測量裝置磁噪聲抑制方法與實驗研究，主要包括高屏蔽因子磁屏蔽桶優(yōu)化模型的建立與實驗研究、三軸磁線圈參數(shù)的標(biāo)定與實驗研究、堿金屬原子密度數(shù)原位高精度實時監(jiān)測等方法與實驗研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對SERF超高靈敏磁場測量裝置當(dāng)前靈敏度受限于磁噪聲問題，建立了SERF超高靈敏磁場測量裝置輸出信號方程，基于此方程分析了磁噪聲來源

3、。本方程為抑制磁噪聲提升磁場測量靈敏度提供了理論基礎(chǔ)。⑵針對原子自旋SERF態(tài)的實現(xiàn)需要隔離外界環(huán)境磁場干擾問題，提出了磁屏蔽桶優(yōu)化設(shè)計方法，建立了基于高屏蔽因子的磁屏蔽桶優(yōu)化模型，分析了磁屏蔽桶各結(jié)構(gòu)參數(shù)對屏蔽因子的影響程度。基于此優(yōu)化模型自主設(shè)計研制的磁屏蔽桶的屏蔽因子可達105，且與普通磁屏蔽桶相比具有體積小、重量輕、成本低、均勻區(qū)大、屏蔽性能高等優(yōu)點。高屏蔽因子磁屏蔽桶優(yōu)化模型可為未來磁屏蔽桶小型化設(shè)計提供理論參考。⑶針對現(xiàn)有三

4、軸磁線圈常數(shù)標(biāo)定方法的精度受限于磁探頭擺放位置精度以及測量設(shè)備精度問題，立足于僅利用SERF超高靈敏磁場測量裝置而不依賴額外儀器設(shè)備的目標(biāo)，提出了三軸磁線圈常數(shù)的高精度原位快速標(biāo)定方法，為SERF超高靈敏磁場測量裝置靈敏度的精確估算提供了基礎(chǔ)保證。⑷為了提升磁場測量靈敏度，一方面要抑制磁噪聲，另一方面還需要提升SERF超高靈敏磁場測量裝置靈敏度的信號強度。原子密度數(shù)與SERF超高靈敏磁場測量裝置的信號成正比，因此，對原子密度數(shù)的精確監(jiān)測