寇 軍， 康海霞， 楊 然， 桑建芝， 王學鋒

(1.中國航天科技集團有限公司量子工程研究中心，北京100094；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

從發(fā)射第一個探空火箭到最近的行星際探測器,在人類開展太空探索的各個階段,磁傳感器都發(fā)揮著重要的作用。我們可以從空間測量出行星的磁場,并以此推斷行星的內部性質和動力學信息[1]。幾乎所有肩負著空間探索任務的飛行器都搭載了高精度磁力儀,而空間磁場測量的需求又反過來推動了過去50年來磁場測量技術的高速發(fā)展。

在太空探索中,很多有意義的科學發(fā)現建立在磁場測量的基礎之上。探空火箭攜帶的磁力儀首次證明了地球的電離層存在電流,以及電流對地磁場日變的影響[2]。這些數據不僅揭示了太陽風和地球之間的相互作用,還促進了針對Van Allen輻射帶的研究[3],從而為載人航天技術的發(fā)展鋪平了道路。應用空間磁力儀可以獲得行星及衛(wèi)星的磁場,以木衛(wèi)二和木衛(wèi)四為例,它們的磁場信息有力地證明了地表冰層下存在液態(tài)水[4-5],這些液態(tài)水表明太陽系可能存在其他生命形態(tài)。上述探索發(fā)現已經成為未來進一步空間磁場探測的巨大動力。

與地面應用不同,空間應用除了對磁力儀的穩(wěn)定性和準確度等指標提出基本要求外,還需要磁力儀能夠滿足功耗、體積、工作溫度、空間輻照等約束條件。針對航天器在軌運行過程中的姿態(tài)變化,轉向差和帶寬指標更高的標量磁力儀和矢量磁力儀被研發(fā)出來,以確保磁力儀能夠測量相對方向快速變化的空間磁場。為了滿足在軌工作的大溫度范圍的要求,人們一直在探索采用穩(wěn)定性較高的標量原子磁力儀校準三分量矢量磁力儀,從而解決矢量磁力儀長期漂移的問題。目前,在大多數航天任務中,航天器自身的剩磁限制了磁測量結果的精度[6],一般通過發(fā)射任務前的地面測試建模和補償算法,將這一影響從在軌測量的數據中消除[7]。

空間用原子磁力儀通常用于測量磁場的低頻分量,以及校準磁通門磁力儀的測量結果。按照工作原理,原子磁力儀可分為光泵磁力儀和CPT磁力儀。按照工作介質,原子磁力儀可分為氦原子磁力儀和堿金屬原子(包括銣原子和銫原子)磁力儀。按照工作模式,原子磁力儀可分為標量磁力儀和矢量磁力儀。

1 原子磁力儀的工作原理

1.1 光泵磁力儀

光泵磁力儀利用原子的自旋進動反演待測磁場。所謂光泵就是利用光子改變原子光學能級之間的布居狀態(tài),而這種改變后的分布狀態(tài)是有別于正常的Boltzmann分布的。如圖1所示,利用光的作用使各磁子能級的原子完全集中到某一個磁子能級上,從而實現了原子的極化。驅動線圈產生交變射頻磁場,與原子發(fā)生磁共振作用。此時,亞穩(wěn)態(tài)原子需要重新吸收探測光。探測光透過氣室的光會變弱,透過氣室的光強最弱時對應的射頻場頻率f即為磁共振頻率,進而可推算出被測磁場B0。在19世紀60年代,光泵磁力儀的主流方案包括Mz型磁力儀、Mx型磁力儀(常采用自激振蕩模型)和雙氣室自激振蕩Mx型磁力儀[8]。

1.2 CPT磁力儀

如圖2所示,CPT(Coherent Population Trapping,相干布居俘獲)磁力儀利用激光光場與原子之間的相互作用使原子被俘獲在基態(tài)能級上,通過檢測光場透射譜線的變化實現磁場測量。原子的磁子能級在外磁場中發(fā)生Zeeman分裂,相鄰磁子能級的能量差與外界磁場的強度成正比。通過對反映磁場信息的CPT信號進行測量,就可得到外界磁場強度[9-10]。CPT磁力儀具有小體積、無盲區(qū)、高靈敏度等特點,已成為國內外研究的重點和熱點方向之一。

2 原子磁力儀的空間應用

2.1 光泵磁力儀的空間應用

(1)地磁場長期變化監(jiān)測

20世紀60年代末,美國發(fā)射了一系列磁測衛(wèi)星(POGO-2、POGO-4、POGO-6),這些衛(wèi)星搭載了測量精度為6nT的銣光泵磁力儀。3個POGO任務返回數據證明了赤道電集流[11]的存在,可提供地磁場長期變化的測量結果[12]。最重要的是,這些空間磁場測量結果為建立第1個國際地磁參考場(IGRF)模型[13-14]和繪制全球磁異常圖[15]提供了數據基礎和科學依據。

(2)高分辨率地磁場測量

在完成全球磁場測量之后,1979年,美國地質調查局和美國航空航天局(NASA)合作研制的“地磁衛(wèi)星(MagSat)”成功發(fā)射,其目標是完成更高分辨率的地磁場總場測量和三分量測量,并且修正由地磁場長期變化引起的IGRF模型誤差。

MagSat衛(wèi)星選擇銫光泵磁力儀實現磁場總場測量并用于校準磁通門磁力儀。由于銫原子與銣原子相比具有更小的非線性Zeeman頻移[16],可以減小測量轉向差。科研人員基于MagSat衛(wèi)星測得的數據構造了目前最精確的地磁參考場,地磁場模型球諧函數模型拓展到了第23階項。在探測任務結束后,科研人員經過長達十余年的數據處理,繪制出了精確的地磁異常圖[17-19]。

(3)木星磁場測量

由美國宇航局主導的 “先驅者10號”于1972年發(fā)射,成為第1個探訪木星的探測器[20]。如圖3所示,執(zhí)行木星磁場測量任務的有效載荷是矢量氦光泵磁力儀,磁力儀的測量動態(tài)范圍達到±140000nT。

(4)研究地核和地幔的物理性質

如圖4所示,阿根廷國家空間活動委員會(CONAE)和美國宇航局合作于2000年發(fā)射了SAC-C衛(wèi)星,其有效載荷包括標量氦光泵磁力儀,測量動態(tài)范圍為20000nT～70000nT,精度優(yōu)于1nT,帶寬為0Hz～1Hz。標量氦光泵磁力儀使用單一的氦氣燈作為光源,泵浦2個垂直排布的氦原子氣室,其獲得的磁場總場值被用于校準矢量磁通門磁力儀的測量結果[21]。衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定控制方式,使磁力儀能夠在高度傾斜的極地軌道實現磁場測量。磁測量的目的是獲得地球磁場的長期變化的數據,研究地核和地幔的物理性質,以及地球磁場與太陽風之間的相互作用機理。

(5)地磁場磁源分析

“空間氣象先進研究任務”衛(wèi)星星座由3顆小衛(wèi)星組成,是歐洲航天局的首個用于測量地球核心、地幔、地殼、海洋和電離層磁場信息的地磁探測衛(wèi)星星座,其主要科學目標是提高地磁場測量精度(多點測量)及研究地磁場隨時間、空間的變化規(guī)律,使人們對地球內部、大氣與氣候和氣象有關的變化過程,以及空間氣象和輻射危害有了新的認識。

“空間氣象先進研究任務”的主要磁測載荷包括氦光泵磁力儀[22]和磁通門磁力儀,氦光泵磁力儀的絕對精度優(yōu)于0.3nT,分辨率在全量程范圍(15000nT～65000nT)內優(yōu)于0.1nT,可用來對磁通門磁力儀進行校準,以長期維持地磁場測量的絕對精度,如圖5所示。

2.2 CPT磁力儀的空間應用

圖6為奧地利科學院空間研究所研制的基于CPT原理的暗態(tài)耦合磁力儀(Coupled Dark State Magnetometer,CDSM)[23],它采用多個CPT峰測量磁場值,可消除單個CPT峰測量時系統誤差的影響,靈敏度為30pT/Hz1/2@1Hz,最大測量范圍為100000nT,并已搭載中國ZH一號01星,用于監(jiān)測與地震相關的空間電離層電磁異常。

3 發(fā)展趨勢

經過科研人員的不懈努力,原子磁力儀在空間磁場測量領域取得了長足的發(fā)展。我國在空間磁測方面已經規(guī)劃了電磁監(jiān)測衛(wèi)星計劃[24],致力于研發(fā)具有自主知識產權的磁測衛(wèi)星和高精度原子磁力儀。原子磁力儀的發(fā)展趨勢主要體現在以下幾個方面。

(1)高靈敏度

原子磁力儀是目前最為靈敏的磁場測量儀器之一,但隨著探測需求的提高,應用領域的拓展,實際應用過程對磁力儀靈敏度的要求也逐步提高。因此,更高的靈敏度始終是原子磁力儀技術前進的目標。

(2)大動態(tài)范圍

空間地磁場的強度能夠達到70000nT,而行星際磁場的強度通常小于10nT,空間磁場測量要求原子磁力儀在保持超高靈敏度的前提下,磁場測量范圍更寬。因此,拓寬原子磁力儀的動態(tài)測量范圍也是一個重要的研究方向。

(3)微小型化

近年來,微納衛(wèi)星的迅速發(fā)展,為空間磁場測量提供了應用平臺。同時,也要求原子磁力儀進一步減小體積、降低功耗,以滿足微納衛(wèi)星平臺對載荷的要求。

(4)矢量磁場測量

磁場三分量測量功能是磁場測量應用的重要方向,也是未來原子磁力儀的發(fā)展方向之一。目前,國內外多家科研機構已開展了針對新型原子磁力儀的研發(fā),其控制單元也可在2種工作模式之間切換,使磁力儀具備三軸矢量測磁和標量測磁2種工作模式,能夠滿足更多的應用需求。

4 結論

磁場是地球及類地行星的重要物理場之一,原子磁力儀在空間磁場測量中發(fā)揮著不可替代的作用。在國外,已有多種類的原子磁力儀實現了空間應用。而在國內,原子磁力儀仍處于衛(wèi)星載荷研究階段,在提高測量靈敏度、拓展測量動態(tài)范圍、微小型化及矢量磁場測量等方面仍有諸多難題需要深入研究,亟需開展關鍵技術攻關,以研制出小型高靈敏度原子磁力儀,滿足我國地球物理研究和空間探索快速發(fā)展的需要。