陳大勇 繆培賢 史彥超 崔敬忠 劉志棟 陳江 王寬

(蘭州空間技術(shù)物理研究所,真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000)

用于在寬量程范圍內(nèi)標(biāo)定原子磁力儀的靈敏度的復(fù)現(xiàn)磁場通常由精密電流源和標(biāo)準(zhǔn)線圈產(chǎn)生,電流源噪聲將直接影響原子磁力儀在寬量程范圍內(nèi)標(biāo)定的靈敏度.本文基于抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀首先提出抑制復(fù)現(xiàn)磁場漂移的磁補(bǔ)償方法,其次開展寬量程范圍內(nèi)電流源的噪聲和原子磁力儀的靈敏度之間依賴關(guān)系的研究.研究結(jié)果表明,抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀的靈敏度主要由電流源噪聲決定,因此可用特定磁場下的靈敏度估算電流源在對應(yīng)輸出電流條件下的電流噪聲.本文研究對弱磁傳感器靈敏度指標(biāo)的標(biāo)定、高精度電流源的研制、磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)量和電流計(jì)量的協(xié)同發(fā)展都具有參考價(jià)值.

1 引言

高靈敏度的弱磁傳感器在慣性導(dǎo)航[1,2]、生物醫(yī)學(xué)[3,4]、全球地磁數(shù)據(jù)獲取[5,6]、軍事磁異反潛[7]、基礎(chǔ)物理研究[8?11]等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用.原子磁力儀是一種重要的弱磁傳感器,根據(jù)工作原理可分類為Mz和Mx模式的光泵原子磁力儀、相干布居囚禁(coherent population trapping,CPT)原子磁力儀、非線性磁光旋轉(zhuǎn)(nonlinear magnetooptical rotation,NMOR)原子磁力儀、無自旋交換弛豫(spin-exchange relaxation free,SERF)原子磁力儀等[12].一些期刊論文中用磁共振曲線的線寬與信噪比的比值來評估原子磁力儀的靈敏度指標(biāo)[13,14],該方法標(biāo)定的靈敏度被稱為本征靈敏度.一種抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀通過傅里葉變換自由弛豫的拉莫爾進(jìn)動信號得到拉莫爾進(jìn)動頻率[15],將時域的自由弛豫信號變換至頻域的磁共振曲線時獲得108量級的信噪比[16],用本征靈敏度方法評估該磁力儀的靈敏度指標(biāo)顯然不合理[16].用于標(biāo)定原子磁力儀靈敏度的復(fù)現(xiàn)磁場一般由恒定弱磁標(biāo)準(zhǔn)裝置[17]產(chǎn)生,或者由磁屏蔽筒中的載流磁場線圈產(chǎn)生,因此復(fù)現(xiàn)磁場中不可避免地引入由電流源噪聲傳遞的本底磁場噪聲.由于目前商業(yè)在售的精密電流源最高精度達(dá)到10–6量級,因此直接利用這種電流源和線圈產(chǎn)生10000 nT復(fù)現(xiàn)磁場時,理論上本底磁場噪聲在10 pT/Hz1/2量級.一些原子磁力儀受限于工作原理,無法準(zhǔn)確測量本底磁場噪聲,例如Mz光泵磁力儀[18]和CPT原子磁力儀[19]都是基于PID反饋控制實(shí)現(xiàn)磁場跟蹤鎖定及測量功能,這兩種原子磁力儀測量并輸出的磁場值濾除了PID反饋控制帶寬外的高頻磁場噪聲.

近年來基于載流線圈、磁屏蔽筒和高靈敏度原子磁力儀的組合裝置開展電流測量或電流計(jì)量的相關(guān)研究成為值得關(guān)注的問題,例如Li等[20]基于Mz光泵磁力儀研制了電流傳感器,Shen等[21]基于Mx光泵磁力儀實(shí)現(xiàn)了電流源噪聲的抑制,如何推動磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)量和電流計(jì)量的協(xié)同發(fā)展是值得研究和探討的問題.2017年繆培賢等[15]報(bào)道的一種抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀可測量復(fù)現(xiàn)磁場中由精密電流源噪聲引入的本底磁場噪聲,該原子磁力儀直接傅里葉變換自由弛豫的拉莫爾進(jìn)動信號得到與外磁場關(guān)聯(lián)的拉莫爾進(jìn)動頻率,避免了由PID反饋控制引入的測量誤差,更準(zhǔn)確地測量了本底磁場噪聲.本文在該抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀基礎(chǔ)上額外設(shè)計(jì)磁補(bǔ)償系統(tǒng)用于獲得穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)磁場,并研究了兩種電流源輸出的電流噪聲與原子磁力儀測量的磁場噪聲之間的對應(yīng)關(guān)系.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本文采用的抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,尺寸為Ф25 mm × 50 mm的圓柱型銣原子氣室置于磁屏蔽筒和標(biāo)準(zhǔn)線圈組的中心位置,采用無磁加熱方式將銣原子氣室的溫度穩(wěn)定在100 ℃.鎖定至87Rb原子D1線躍遷的圓偏振抽運(yùn)光與外磁場方向平行,用于實(shí)現(xiàn)原子系綜極化態(tài)的制備;紅失諧4 GHz的線偏振探測光與外磁場方向垂直,用于自由弛豫的拉莫爾進(jìn)動信號的探測.圖1中虛線框內(nèi)顯示了原子磁力儀的工作時序示意圖,本文中設(shè)定磁場測量周期T=100 ms,抽運(yùn)光作用時長t1=30 ms,射頻激勵磁場作用時長t2=0.1 ms,磁場采樣率為10 Hz,抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀的時序和實(shí)測數(shù)據(jù)如圖2所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1.Schematic diagram of the experimental apparatus.

圖2 原子磁力儀的時序示意圖 (a) 10000 nT 磁場下的實(shí)測數(shù)據(jù);(b) 圖(a)中部分曲線的放大Fig.2.The schematic diagram of timing sequence for atomic magnetometer:(a) The data measured in the magnetic field of 10000 nT;(b) expanded version of the curve in Fig.(a).

為了在磁屏蔽筒中獲得恒定的復(fù)現(xiàn)磁場,磁屏蔽筒內(nèi)放置了兩組標(biāo)準(zhǔn)線圈,其中在標(biāo)準(zhǔn)線圈1中用精密電流源通入恒定電流,用于產(chǎn)生目標(biāo)磁場;磁屏蔽筒剩磁的漂移和精密電流源輸出電流的漂移會導(dǎo)致磁屏蔽筒中目標(biāo)磁場的緩慢漂移,在標(biāo)準(zhǔn)線圈2中動態(tài)地輸入補(bǔ)償小電流使抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀測量的磁場值穩(wěn)定在設(shè)定的目標(biāo)磁場值.實(shí)驗(yàn)中采用是德科技公司的精密電流源B2912A或直流電源分析儀N6705B向標(biāo)準(zhǔn)線圈1中輸入恒定電流,采用精密電流源B2912A向標(biāo)準(zhǔn)線圈2中動態(tài)地輸入補(bǔ)償小電流.精密電流源B2912A為雙通道輸出,通道1(CH1)在前面板,通道2(CH2)在后面板.B2912A電源后面板的USB接口與計(jì)算機(jī)相連,可用計(jì)算機(jī)中的LabVIEW程序控制B2912A的輸出電流.載流標(biāo)準(zhǔn)線圈產(chǎn)生的磁場B和通入電流I呈線性關(guān)系:

其中C為線圈系數(shù).掃描通入標(biāo)準(zhǔn)線圈的電流I時采用抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀測得一系列的磁場值B,通過線性擬合可得標(biāo)準(zhǔn)線圈的線圈系數(shù)C.經(jīng)標(biāo)定,標(biāo)準(zhǔn)線圈1和2的線圈系數(shù)分別為C1=52.4265 nT/mA,C2=14.2905 nT/mA,標(biāo)準(zhǔn) 線圈1和2的電阻分別為3.8,2.5 Ω.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測量結(jié)果

靈敏度是衡量儀器性能的一個關(guān)鍵指標(biāo),在磁傳感器研制領(lǐng)域內(nèi)較為普遍且科學(xué)的做法是采用功率譜密度方法(power spectral density,PSD),該方法能夠檢測出信號的隨機(jī)本底噪聲,而且使測量獨(dú)立于信號持續(xù)時間和采樣數(shù)量[15].本文選取5 min的測量磁場值分析其功率譜密度,并將1 Hz頻點(diǎn)附近21個幅值的平均值作為原子磁力儀的靈敏度.需額外說明的是,本文中自由弛豫信號的傅里葉變換采用矩形窗,在不同磁場條件下截取自由弛豫信號的時長不同,例如在10000 nT截取5 ms時長的數(shù)據(jù),在100 nT截取20 ms時長的數(shù)據(jù),PCI-5922數(shù)據(jù)采集卡的采樣率為5 M/s.傅里葉變換中采用矩形窗的優(yōu)勢是在穩(wěn)定磁場條件下得到的頻率的穩(wěn)定度高,有利于評估電流源的噪聲,但帶來的劣勢是頻率準(zhǔn)確度差;假如需要提高測量磁場的準(zhǔn)確度,自由弛豫信號應(yīng)按照整數(shù)倍周期截取,但這種情況下實(shí)驗(yàn)中無法評估電流源的噪聲,與自由弛豫信號數(shù)據(jù)處理方法相關(guān)的內(nèi)容在本文中不展開討論.接下來首先基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析磁補(bǔ)償設(shè)計(jì)以及電流源的電流噪聲對抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀的靈敏度的影響,在此基礎(chǔ)上討論磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)量和電流計(jì)量協(xié)同發(fā)展的重要性.

3.1 磁補(bǔ)償設(shè)計(jì)對抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀的靈敏度的影響

實(shí)驗(yàn)中通過LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)磁補(bǔ)償設(shè)計(jì),具體步驟如下:首先在LabVIEW程序中設(shè)定需要達(dá)到的目標(biāo)磁場,例如目標(biāo)磁場為10000 nT;其次采用精密電流源B2912A的通道1向標(biāo)準(zhǔn)線圈1中輸入恒定電流,該電流值使銣原子氣室位置的磁場約為10000 nT,抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀實(shí)際測量的磁場值在10000 nT附近;然后在LabVIEW程序中實(shí)時計(jì)算設(shè)定值和實(shí)測值的差值,并設(shè)計(jì)負(fù)反饋回路,實(shí)時調(diào)整精密電流源B2912A的通道2(CH2)向標(biāo)準(zhǔn)線圈2中輸入的補(bǔ)償小電流,使原子氣室區(qū)域的磁場穩(wěn)定在目標(biāo)值.

磁補(bǔ)償設(shè)計(jì)對抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀實(shí)測靈敏度的影響結(jié)果如圖3所示.圖3(a)顯示了無磁補(bǔ)償時原子磁力儀記錄的磁場值,精密電流源B2912A的通道1向標(biāo)準(zhǔn)線圈1中輸入電流設(shè)定為190.5 mA,500 s內(nèi)復(fù)現(xiàn)磁場由10000.1 nT漂移至10000.6 nT,復(fù)現(xiàn)磁場的漂移主要源于電流源輸出電流的漂移和磁屏蔽材料磁化狀態(tài)的緩變.圖3(b),(c)分別顯示了有磁補(bǔ)償時原子磁力儀記錄的磁場值和精密電流源輸出的補(bǔ)償電流,B2912A向標(biāo)準(zhǔn)線圈1輸入的電流依然設(shè)定為190.5 mA,而向標(biāo)準(zhǔn)線圈2輸入的補(bǔ)償電流動態(tài)地由–0.034 mA變化至–0.076 mA,抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀實(shí)際測量的磁場值由10000.7 nT補(bǔ)償至10000.0 nT,磁場穩(wěn)定后峰峰值約為240 pT.圖3(d)給出圖3(a),(b)中5 min穩(wěn)定磁場值的功率譜密度,在小于0.1 Hz的低頻部分,有磁補(bǔ)償條件下的功率譜密度幅值小于無磁補(bǔ)償條件下的功率譜密度幅值.抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀的靈敏度在無磁補(bǔ)償條件下為18.95 pT/Hz1/2,在有磁補(bǔ)償條件下為15.94 pT/Hz1/2.精密電流源B2912A是一款數(shù)字化電流源,從其說明書中可知,當(dāng)輸出電流為190.5 mA,其電流分辨率為1 μA,補(bǔ)償電流從–0.034 mA變至–0.076 mA時電流分辨率都為100 pA,補(bǔ)償電流的電流分辨率比穩(wěn)定電流的電流分辨率小4個數(shù)量級,因此補(bǔ)償電流幾乎不會額外引入電流噪聲.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,磁補(bǔ)償設(shè)計(jì)顯著抑制了測量磁場的漂移,在功率譜密度譜中消除了低頻部分的1/f噪聲,對高頻部分幾乎沒有影響.

圖3 磁補(bǔ)償設(shè)計(jì)對抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀實(shí)測靈敏度的影響 (a) 無磁補(bǔ)償時實(shí)測磁場值;(b) 有磁補(bǔ)償時實(shí)測磁場值;(c) 磁補(bǔ)償時精密電流源輸出的補(bǔ)償電流;(d) 圖(a)和(b)中5 min穩(wěn)定磁場值的功率譜密度Fig.3.The influence of the design of magnetic compensation on the sensitivity of pump-probe atomic magnetometer:(a) Magnetic field values without magnetic compensation;(b) magnetic field values with magnetic compensation;(c) compensation current in the process of the magnetic compensation;(d) the power spectral density of the magnetic field values in (a) and (b).

3.2 不同電流源的電流噪聲對抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀的靈敏度的影響

在有磁補(bǔ)償條件下,分別用精密電流源B2912A和直流電源分析儀N6705B向標(biāo)準(zhǔn)線圈1中輸入恒定電流來產(chǎn)生寬量程范圍內(nèi)的目標(biāo)磁場,抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀的靈敏度與外磁場的依賴關(guān)系如圖4所示.精密電流源B2912A的精度可達(dá)10–6,隨著輸出電流的增加可自動切換量程,該儀表說明書中指出:當(dāng)電流源輸出的量程值分別為1 mA,10 mA,100 mA,1 A時,分別對應(yīng)著1 nA,10 nA,100 nA,1 μA的電流分辨率.當(dāng)I>100 mA時,磁力儀靈敏度約為15 pT/Hz1/2,對應(yīng)電流分辨率為1 μA;當(dāng)10 mA

圖4分別用兩種電流源產(chǎn)生的外磁場與原子磁力儀的靈敏度的依賴關(guān)系Fig.4.The relationship between the sensitivity of atomic magnetometer and the external magnetic field generated by two current sources respectively.

分別用兩種電源產(chǎn)生5000 nT和6000 nT磁場時,抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀測量的磁場值如圖5所示,此時電流設(shè)定值由94.8 mA增加至113.9 mA.當(dāng)選用精密電流源B2912A產(chǎn)生磁場時,由于電流源輸出的量程值由100 mA自動切換至1 A,導(dǎo)致電流輸出的分辨率由100 nA增加至1 μA,圖5(a)中5000 nT的磁場波動峰峰值約為23 pT,圖5(b)中5000 nT的磁場波動峰峰值約為230 pT,與圖3(b)中10000 nT的磁場波動峰峰值240 pT相近.當(dāng)選用直流電源分析儀N6705B產(chǎn)生磁場時,圖5(c)中5000 nT的磁場波動峰峰值約為300 pT,圖5(d)中6000 nT的磁場波動峰峰值也約為300 pT,表明直流電源分析儀N6705B產(chǎn)生5000 nT和6000 nT磁場時電流輸出的分辨率(或噪聲)基本相同.圖4和圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電流源輸出電流的噪聲水平直接決定了抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀的靈敏度.

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5分別用兩種電源產(chǎn)生5000 nT和6000 nT磁場時抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀測量的磁場值Fig.5.The magnetic field values measured by pump-probe atomic magnetometer when the magnetic field of 5000 nT and 6000 nT is generated by two current sources respectively.

上述實(shí)驗(yàn)分析了磁補(bǔ)償設(shè)計(jì)和不同電流源的電流噪聲對抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀的靈敏度的影響,實(shí)際上更本質(zhì)地來說,上述實(shí)驗(yàn)是用抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀測量了電流源輸出電流的噪聲.從圖4可知,抽運(yùn)-檢測型銣原子磁力儀的靈敏度受限于精密電流源噪聲引入的磁場噪聲,尤其在地磁場量級的復(fù)現(xiàn)磁場中由精密電流源噪聲引入的本底磁場噪聲超過10 pT/Hz1/2.如果在地磁場下需要將原子磁力儀的靈敏度提高到0.2 pT/Hz1/2,精密電流源的精度至少需提高至10–8,然而目前國際上沒有8位精度的精密電流源在售.(1)式中磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流呈正比,比例系數(shù)為線圈系數(shù).用圖5(a)中的磁場數(shù)據(jù)得到原子磁力儀的靈敏度為1.19 pT/Hz1/2,用該值除以線圈系數(shù)C1,可得精密電流源B2912A輸出94.8 mA電流時的電流噪聲為22.70 nA/Hz1/2,該數(shù)值為電流分辨率100 nA的數(shù)值的22.7%.用圖5(c)中的磁場數(shù)據(jù)得到原子磁力儀的靈敏度為20.63 pT/Hz1/2,用該值除以線圈系數(shù)C1,可得直流電源分析儀N6705B輸出94.8 mA電流時的電流噪聲為0.39 μA/Hz1/2,該數(shù)值為電流分辨率2 μA的數(shù)值的19.5%.對上述電流源噪聲在數(shù)值上是電流分辨率數(shù)值約20%的結(jié)論,未來需綜合數(shù)據(jù)處理過程和電流計(jì)量的定標(biāo)細(xì)節(jié)給出更合理的解釋.從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)量和電流計(jì)量的協(xié)同發(fā)展十分重要,國內(nèi)工業(yè)界應(yīng)考慮基于高靈敏度原子磁力儀來實(shí)現(xiàn)電流的計(jì)量,推動高精度電流源的研制,反過來推動高靈敏度磁傳感器的研制.實(shí)際科學(xué)研究或工程應(yīng)用中應(yīng)避免不科學(xué)地追求磁傳感器高靈敏度指標(biāo)的做法,因?yàn)檫x用不科學(xué)的標(biāo)定方法或設(shè)計(jì)不合理的PID反饋控制會導(dǎo)致磁傳感器靈敏度遠(yuǎn)優(yōu)于復(fù)現(xiàn)磁場中由電流源噪聲引入的本底磁場噪聲,然而這種磁傳感器實(shí)際上沒有測量出最本征的復(fù)現(xiàn)磁場,反而變得不靈敏了.

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀監(jiān)測了電流源輸出電流的噪聲,得出結(jié)論如下:用功率譜密度標(biāo)定的原子磁力儀的靈敏度指標(biāo)主要取決于電流源的電流噪聲水平,并且用特定磁場下的靈敏度指標(biāo)可估算電流源在對應(yīng)輸出電流條件下的電流噪聲;設(shè)計(jì)的磁補(bǔ)償反饋回路對抑制復(fù)現(xiàn)磁場的漂移有很好的效果,消除了低頻1/f噪聲,但并不抑制電流源輸出電流的高頻噪聲.本實(shí)驗(yàn)和結(jié)論提供了一種電流噪聲的測量方法,未來可基于抽運(yùn)-檢測型原子磁力儀設(shè)計(jì)專門用于測量電流噪聲的實(shí)驗(yàn)裝置,推動高精度電流源的研制,反過來推動高性能弱磁傳感器的研制,因此本實(shí)驗(yàn)和結(jié)論對磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)量和電流計(jì)量的協(xié)同發(fā)展具有重要的參考價(jià)值.本實(shí)驗(yàn)中自由弛豫信號的傅里葉變換采用矩形窗處理,是以犧牲測量磁場的準(zhǔn)確度為代價(jià)去測量電流源的噪聲;如需提高測量磁場的準(zhǔn)確度,自由弛豫信號應(yīng)按照整數(shù)倍周期截取.未來我們將進(jìn)一步分析自由弛豫信號的數(shù)據(jù)處理方法對磁力儀輸出磁場的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的影響.