李小芳,程華富,包 忠,汪東平,張鳳

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所,國(guó)防科技工業(yè)弱磁一級(jí)計(jì)量站,宜昌 443003)

0 引言

我國(guó)是對(duì)磁現(xiàn)象認(rèn)識(shí)最早的國(guó)家之一,早在公元前四世紀(jì),《管子》就有關(guān)于“慈石”的記載。十九世紀(jì),西方國(guó)家發(fā)現(xiàn)了電磁效應(yīng),為后續(xù)建立磁學(xué)實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。在實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)階段,采用標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)量值,該量值由標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)線圈的電流和線圈常數(shù)計(jì)算得到,可分參數(shù)溯源至幾何量和電學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。上世紀(jì)下半葉,隨著核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)、塞曼效應(yīng)等新的物理現(xiàn)象和效應(yīng)相繼被發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用,磁學(xué)測(cè)量進(jìn)入量子時(shí)代,核磁共振磁強(qiáng)計(jì)、質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)開(kāi)始作為恒定磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的主標(biāo)準(zhǔn),將部分磁學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度由10-4量級(jí)提高到了10-5～10-6量級(jí),磁場(chǎng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始通過(guò)自然常數(shù)溯源至?xí)r間頻率標(biāo)準(zhǔn)。本世紀(jì)以來(lái),基于量子的各類測(cè)量技術(shù)得到快速發(fā)展,進(jìn)一步帶動(dòng)了磁學(xué)計(jì)量技術(shù)的量子化發(fā)展。

1 現(xiàn)有的磁學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

在磁場(chǎng)計(jì)量中,多使用磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)描述磁場(chǎng),通常將穿過(guò)均勻磁化介質(zhì)單位橫截面積的磁通量稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)各種原理的磁強(qiáng)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的準(zhǔn)確測(cè)量。將基于量子效應(yīng)的磁強(qiáng)計(jì)稱為量子磁強(qiáng)計(jì),應(yīng)用了量子磁強(qiáng)計(jì)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)稱為量子標(biāo)準(zhǔn)。

量子磁強(qiáng)計(jì)是指單個(gè)量子(如質(zhì)子、原子、離子、電子、光子等)在磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生拉莫爾進(jìn)動(dòng),該運(yùn)動(dòng)信號(hào)頻率稱為拉莫爾頻率f,與磁場(chǎng)B成正比,比例系數(shù)僅與旋磁比γ有關(guān)。

目前時(shí)間頻率是測(cè)量準(zhǔn)確度最高的物理量,測(cè)量結(jié)果通過(guò)旋磁比γ直接溯源至頻率標(biāo)準(zhǔn)。量子基準(zhǔn)相較于實(shí)物基準(zhǔn)無(wú)需再引入電學(xué)量的不確定度,準(zhǔn)確度得到了顯著提升。目前的磁學(xué)標(biāo)準(zhǔn)一般采用質(zhì)子旋磁比γp作為常數(shù),不確定度如表1所示[1]。

表1 質(zhì)子旋磁比測(cè)量結(jié)果Tab.1 Proton spin-to-magnetic ratio measurements

目前,已有的磁學(xué)量子標(biāo)準(zhǔn)按測(cè)量范圍可分為恒定中強(qiáng)磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)和恒定弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn),其中恒定中強(qiáng)磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)采用核磁共振磁強(qiáng)計(jì)(nuclear magnetic resonance magnetometer),恒定弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)則采用質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)(proton magnetometer)。

1.1 恒定中強(qiáng)磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)

核磁共振磁強(qiáng)計(jì)是恒定中強(qiáng)磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的主標(biāo)準(zhǔn)器,其原理是當(dāng)具有磁矩的原子核位于磁場(chǎng)中時(shí)會(huì)按拉莫爾頻率進(jìn)動(dòng),向原子核系統(tǒng)加入射頻磁場(chǎng),當(dāng)激發(fā)頻率通過(guò)拉莫爾頻率時(shí),原子核將產(chǎn)生共振響應(yīng),由此確定拉莫爾頻率,根據(jù)式(1),可得到磁場(chǎng)強(qiáng)度

核磁共振磁強(qiáng)計(jì)的水平比較如表2 所示。各國(guó)恒定中強(qiáng)磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)能力的比較如表3 所示[2-4]。

表2 核磁共振磁強(qiáng)計(jì)水平比較Tab.2 Comparison of NMR magnetometer levels

表3 各國(guó)恒定中強(qiáng)磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)能力比較Tab.3 Comparison of national standard capacities for constant medium and strong magnetic fields

其中,瑞士Metrolab 公司生產(chǎn)的PT2025/2026型核磁共振磁強(qiáng)計(jì)是目前各計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)使用最廣泛的核磁共振磁強(qiáng)計(jì)。

1.2 恒定弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)

質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)是利用內(nèi)部工作物質(zhì)(如煤油)中氫質(zhì)子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率計(jì)算得到磁場(chǎng)強(qiáng)度,分為質(zhì)子進(jìn)動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)和Overhauser 磁強(qiáng)計(jì)。

傳統(tǒng)的質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)采用直流極化法,先向極化線圈中通入直流電流極化氫質(zhì)子,隨后撤去極化磁場(chǎng),質(zhì)子磁矩沿著環(huán)境磁場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng),即為拉莫爾進(jìn)動(dòng)。測(cè)量拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率,根據(jù)式(1),可得到磁場(chǎng)強(qiáng)度。質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)與利用電子磁矩進(jìn)動(dòng)的磁強(qiáng)計(jì)相比有較高的絕對(duì)精度。

在質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)的基礎(chǔ)上引入Overhauser 效應(yīng),利用取向電子極化氫質(zhì)子的磁強(qiáng)計(jì)稱為Overhauser磁強(qiáng)計(jì)。與傳統(tǒng)相比,Overhauser 磁強(qiáng)計(jì)極化效率高,功耗更低、信號(hào)更強(qiáng)、準(zhǔn)確度更高,但成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì),壽命較短。

國(guó)內(nèi)外質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和各國(guó)恒定弱磁磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)能力比較如表4 和表5 所示[5]。

表4 質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀Tab.4 Development status of proton magnetometer at home and abroad

表5 各國(guó)恒定弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)能力比較Tab.5 Comparison of national standard capacities for constant weak magnetic fields

2 磁學(xué)量子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展概述

上世紀(jì)下半葉,磁學(xué)測(cè)量技術(shù)正式邁入量子革命。1953 年核磁共振磁強(qiáng)計(jì)研制成功,1955 年質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)研制成功,1957 年,第一次成功研制了基于光磁共振原理的光泵磁強(qiáng)計(jì),1964 年約瑟森結(jié)中的超導(dǎo)量子干涉效應(yīng)被發(fā)現(xiàn),1970 年代NV 色心的微觀模型和大多數(shù)光學(xué)特性確立,1973 年提出SERF機(jī)制,1978 年提出CPT 效應(yīng),2008 年開(kāi)始利用系綜NV 色心進(jìn)行磁信號(hào)探測(cè)。從技術(shù)路徑來(lái)看,核磁共振磁強(qiáng)計(jì)、質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)是目前較為成熟的量子磁強(qiáng)計(jì),而光泵磁強(qiáng)計(jì)、CPT 磁強(qiáng)計(jì)、SERF 磁強(qiáng)計(jì)、金剛石NV 色心磁強(qiáng)計(jì)、超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)等還有較大的發(fā)展空間。

2.1 光泵磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)

光泵磁強(qiáng)計(jì)(Optical Pumping Magneto-meter,OPM)通常按不同的工作元素分為惰性氣體光泵磁強(qiáng)計(jì)和堿金屬原子光泵磁強(qiáng)計(jì),堿金屬光泵磁強(qiáng)計(jì)中的工作物質(zhì)主要為鉀、銣和銫等元素,惰性氣體光泵磁強(qiáng)計(jì)中的工作物質(zhì)主要為氦、氙等元素,所以光泵磁強(qiáng)計(jì)又稱原子磁強(qiáng)計(jì)?；诠獗么艔?qiáng)計(jì)的光泵浦效應(yīng)工作原理的SERF、CPT、旋光效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)也是廣義的光泵磁強(qiáng)計(jì),在后續(xù)章節(jié)中具體介紹。

銫光泵磁強(qiáng)計(jì)是基于銫原子能級(jí)在外界磁場(chǎng)中存在的賽曼效應(yīng),利用原子的光磁雙共振作用捕捉銫原子拉莫爾頻率,并利用自激反饋振蕩原理鎖定射頻磁場(chǎng)頻率,確定磁場(chǎng)強(qiáng)度。

法國(guó)物理學(xué)家Kastler 在上世紀(jì)50 年代提出了一種基于光泵浦使原子極化的磁場(chǎng)測(cè)量方法。1957 年,德國(guó)物理學(xué)家Dehmelt 提出了利用射頻場(chǎng)使光抽運(yùn)的原子產(chǎn)生進(jìn)動(dòng),然后通過(guò)觀察堿金屬原子的進(jìn)動(dòng)來(lái)確定磁場(chǎng)強(qiáng)度[6]。同年Bell 和Bloom使用試驗(yàn)驗(yàn)證了這一說(shuō)法[7],并在隨后解釋了通過(guò)堿金屬原子進(jìn)動(dòng)精確測(cè)量磁場(chǎng)的工作原理[8]。此后,各國(guó)的科研人員基于這一效應(yīng)展開(kāi)了研究,并相繼研發(fā)出許多不同類型的光泵磁強(qiáng)計(jì)。

目前,國(guó)內(nèi)外光泵磁強(qiáng)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀如表6所示[9-13]。

表6 光泵磁強(qiáng)計(jì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀Tab.6 Current status of domestic and international development of optical pump magnetometers

2.2 相干布居俘獲技術(shù)

相干布居俘獲技術(shù)(Coherent Population Trapping,CPT)是一種在原子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的量子干涉效應(yīng)。CPT 原子磁強(qiáng)計(jì)為基于原子相干布居俘獲量子效應(yīng)的量子磁強(qiáng)計(jì),通過(guò)CPT 共振可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的精密測(cè)量。耦合暗態(tài)共振會(huì)使干擾頻率偏移,因此使雙激光束通過(guò)傳感器單元,雙通道傳感器設(shè)計(jì)可以比單通道傳感器設(shè)計(jì)更好地補(bǔ)償干擾,從而提升磁場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確度。

CPT 磁強(qiáng)計(jì)相較于OPM 磁強(qiáng)計(jì)的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是基于全光學(xué)共振,其磁探頭可不依賴射頻線圈,僅依靠光學(xué)元件組成,使其探頭小型化成為可能,以此大幅提高空間分辨率。同時(shí),可完全避免射頻線圈產(chǎn)生額外磁場(chǎng)噪聲,使CPT 磁力計(jì)具有準(zhǔn)確度高、無(wú)測(cè)量死區(qū)和環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)等特點(diǎn)。

CPT 現(xiàn)象最早是在1976 年被意大利科學(xué)家G.Alzetta 和G.Orriols 等人在鈉(Na)原子氣室中發(fā)現(xiàn),并闡明了CPT 現(xiàn)象的原理[14]。隨后,人們對(duì)CPT 現(xiàn)象不斷深入研究,產(chǎn)生了CPT 原子鐘及CPT磁力儀兩種研究方向。德國(guó)波恩大學(xué)Wynands 小組于1998 年成功研制了一型銫原子CPT 磁力儀,用于交變磁場(chǎng)測(cè)量[14]。之后,美國(guó)[15]、奧地利[16]、中國(guó)等國(guó)家相繼開(kāi)展了CPT 磁強(qiáng)計(jì)研究。

2022 年,中科院國(guó)家空間中心研制的CPT 原子磁場(chǎng)精密測(cè)量系統(tǒng)已搭載在“力箭一號(hào)”火箭,完成首次空間應(yīng)用技術(shù)驗(yàn)證,最大允許誤差達(dá)到±0.3 nT。

國(guó)內(nèi)外CPT 磁強(qiáng)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀如表7 所示[17,18]。

表7 CPT 磁強(qiáng)計(jì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀Tab.7 Development status of CPT magnetometer at home and abroad

2.3 無(wú)自旋交換弛豫技術(shù)

無(wú)自旋交換弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free,SERF)磁強(qiáng)計(jì)是一種運(yùn)行在SERF 態(tài)下的新型堿金屬原子磁強(qiáng)計(jì),工作原理是利用零磁環(huán)境大幅降低原子拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率,同時(shí)高溫提高原子密度增加自旋交換率,當(dāng)自選交換率大于拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)可以充分抑制原子的自旋交換弛豫,提高磁場(chǎng)測(cè)量準(zhǔn)確度。SERF 磁強(qiáng)計(jì)是目前探測(cè)靈敏度最高的磁強(qiáng)計(jì),缺點(diǎn)是只能在極弱磁場(chǎng)下工作,需要價(jià)格昂貴的磁屏蔽裝置。

2003 年,普林斯頓大學(xué)Romalis 小組基于先前對(duì)SERF 磁場(chǎng)測(cè)量的研究,在SERF 磁強(qiáng)計(jì)上率先采用梯度差分結(jié)構(gòu),使用陣列式光電探測(cè)器進(jìn)行SERF 磁強(qiáng)計(jì)梯度差分測(cè)量從而抑制磁屏蔽噪聲,實(shí)現(xiàn)了28～45 Hz 范圍內(nèi)0.54 fT/Hz1/2的磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度以及分辨率為2 mm 的磁場(chǎng)源定位,在低頻范圍首次超過(guò)SQUID 磁強(qiáng)計(jì),成為該范圍內(nèi)磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度最高的裝置[19]。此后,各國(guó)的科研人員陸續(xù)展開(kāi)了SERF 磁強(qiáng)計(jì)研究,并相繼研發(fā)出許多不同類型的SERF 磁強(qiáng)計(jì)。其中比較有代表性的有普林斯頓大學(xué)的Romails 小組、Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Johnson 小組、美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的Walker 小組、日本京都大學(xué)的Kobayashi 小組、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)的Kitching 小組等。不同機(jī)構(gòu)的研究人員提出了多種小型化磁強(qiáng)計(jì)樣機(jī)的構(gòu)型,且靈敏度均已達(dá)到10 fT/Hz1/2量級(jí)。此外,美國(guó)Twinleaf 公司和QuSpin 公司依托于相關(guān)大學(xué)的技術(shù),已經(jīng)推出了成熟的商用化產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)外SERF 磁強(qiáng)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀如表8 所示[19-33]。

表8 SERF 磁強(qiáng)計(jì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀Tab.8 Current status of domestic and international development of SERF magnetometer

2.4 金剛石NV 色心技術(shù)

金剛石氮-空位(Nitrogen-vacancy,NV)中心被稱為NV 色心,其原因?yàn)榻饎偸?空位中心具有吸收光的特性,造成金剛石晶體展現(xiàn)出一定顏色的現(xiàn)象,這也是由于其作為金剛石中一種具有C3V對(duì)稱性的點(diǎn)缺陷。NV 色心中帶一個(gè)負(fù)電的NV 對(duì)外界耦合環(huán)境高度敏感,所以NV-被廣泛用于量子精密測(cè)量。NV 色心磁強(qiáng)計(jì)就是利用了NV-對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)來(lái)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,特點(diǎn)是無(wú)需低溫冷卻即可保證生物相容性和高靈敏度。根據(jù)上述特點(diǎn),金剛石NV 色心體系按濃度可以被用于高分辨率和高靈敏度磁測(cè)量。NV 色心系綜用于高分辨率磁測(cè)量,單NV 色心用于高靈敏度磁測(cè)量。

2008 年,Taylor 等人首次提出金剛石NV 色心可用于磁測(cè)量[34],以金剛石NV 色心為原理的磁力計(jì)在分辨率和靈敏度等各項(xiàng)指標(biāo)以及應(yīng)用場(chǎng)景等各方面的研究都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。現(xiàn)階段,該類型的磁力計(jì)能夠在低頻和高頻磁場(chǎng)環(huán)境中達(dá)到亞皮特斯量級(jí)的磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度。另外,在矢量磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域,金剛石晶格結(jié)構(gòu)特殊的穩(wěn)定性,給基于氮-空位色心系綜的磁力計(jì)提供了高正交度等方面的優(yōu)勢(shì)。從金剛石NV 色心體系上來(lái)說(shuō),基于NV色心系綜比基于單NV 色心的磁力計(jì)擁有更為豐富的宏觀應(yīng)用,因此,基于于NV 色心系綜的磁測(cè)量方法以及相應(yīng)的磁測(cè)量裝置得到了極高的關(guān)注以及廣泛的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外NV 色心磁強(qiáng)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀如表9 所示[35-40]。

表9 國(guó)內(nèi)外NV 色心磁強(qiáng)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀Tab.6 Current status of domestic and international development of NV color-centered magnetometers

2.5 超導(dǎo)量子干涉技術(shù)

超導(dǎo)量子干涉器件(Superconducting quantum interference device,SQUID)主要由約瑟夫森結(jié)和超導(dǎo)環(huán)組成,基于理論,可以探測(cè)所有可以轉(zhuǎn)化為磁通的物理量,是一種非常靈敏的磁通傳感器。按約瑟夫森結(jié)來(lái)分類,超導(dǎo)環(huán)中含有一個(gè)的稱為交流(rf)SQUID,含有兩個(gè)約瑟夫森結(jié)的稱為直流(dc)SQUID。按組成超導(dǎo)的材料來(lái)分類,又可分為低溫SQUID 和高溫SQUID。

Josephson 于1962 年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電流穿過(guò)兩塊超導(dǎo)體中間的絕緣體薄層時(shí)存在隧道效應(yīng),該現(xiàn)象可描述為當(dāng)電流小于臨界電流時(shí),絕緣體兩端不會(huì)存在電位差,因此該現(xiàn)象為被稱為約瑟夫森效應(yīng)。1963 年,首個(gè)約瑟夫森結(jié)于美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制[41]。隨后,科學(xué)家們將這種理論運(yùn)用到SQUID磁力儀上。1967 年,Silver 和Zimmerman 成功研制世界上首臺(tái)SQUID 磁力儀。目前,高精度的SQUID磁力儀可以滿足fT 級(jí)磁場(chǎng)變化量的測(cè)量需求。

但由于SQUID 磁力儀工作溫度低,體積大,需要使用液氮或者液氦冷卻系統(tǒng),目前暫未應(yīng)用到計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)中,主要應(yīng)用于生物磁測(cè)、磁場(chǎng)強(qiáng)度較低的核磁共振成像、地球物理探勘等方面。

3 量子磁測(cè)量技術(shù)在計(jì)量上的應(yīng)用前景

利用各種量子磁強(qiáng)計(jì)準(zhǔn)確度高、磁場(chǎng)噪聲低、穩(wěn)定性好等技術(shù)優(yōu)點(diǎn),量子測(cè)量技術(shù)已在磁學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量子化方面發(fā)揮了很好的作用。

隨著量子測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展,量子測(cè)量技術(shù)在磁學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量子化方面還有廣泛的應(yīng)用前景,未來(lái)量子測(cè)量技術(shù)的研究方向包括但不限于以下幾個(gè)方面:

1)Cs-He 光泵磁強(qiáng)計(jì),替代目前的質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì),一方面可以將我國(guó)20～100 μT 恒定弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)量不確定度由0.3～0.6 nT 提高至0.03 nT甚至更高;另一方面,擴(kuò)展Cs-He 光泵磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量范圍,可以將恒定弱場(chǎng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量子化的測(cè)量范圍由目前的20～100 μT 擴(kuò)展到0.5 μT～1 mT;

2)CPT 磁強(qiáng)計(jì),一方面,實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死區(qū)的地磁場(chǎng)精密測(cè)量,將恒定弱磁場(chǎng)計(jì)量能力由實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)擴(kuò)展到原位在線校準(zhǔn);另一方面,擴(kuò)展其測(cè)量范圍上限,由目前的0.1 mT 擴(kuò)展到10 mT 甚至30～50 mT,與核磁共振磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量范圍下限銜接,填補(bǔ)目前0.1～50 mT 范圍內(nèi)恒定磁場(chǎng)量子化標(biāo)準(zhǔn)的空白;

3)Overhauser 矢量磁強(qiáng)計(jì),由目前的標(biāo)量磁場(chǎng)測(cè)量擴(kuò)展到矢量磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量,實(shí)現(xiàn)磁通門磁強(qiáng)計(jì)等地磁場(chǎng)矢量磁強(qiáng)計(jì)的量子化校準(zhǔn);

4)K 光泵磁強(qiáng)計(jì),替代Cs 光泵磁強(qiáng)計(jì)用于20～100 μT 恒定弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償,可避免同類型光泵磁強(qiáng)計(jì)校準(zhǔn)時(shí)互相干擾的難題;

5)各種新型光泵磁強(qiáng)計(jì),一是進(jìn)一步提高磁場(chǎng)靈敏度,以實(shí)現(xiàn)更低磁場(chǎng)噪聲的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng);二是提高頻率動(dòng)態(tài)范圍,實(shí)現(xiàn)低頻磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)的量子化;三是降低其探頭體積,提高空間分辨力,用于量子化的梯度弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn);

6)金剛石NV 色心系綜磁強(qiáng)計(jì),一方面利用其體積小、空間分辨力高的特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)梯度弱磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)的量子化;另一方面,利用其晶軸在金剛石中四個(gè)不同方向恒定的特征,可以實(shí)現(xiàn)真正的矢量磁場(chǎng)測(cè)量,建立高度正交的矢量磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn);

7)SERF 磁強(qiáng)計(jì),一方面利用其超高靈敏度的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)超低磁場(chǎng)噪聲的量子化測(cè)量;另一方面,進(jìn)一步擴(kuò)展其頻率范圍,實(shí)現(xiàn)低頻磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)的量子化;

8)基于量子磁強(qiáng)計(jì)的磁矩測(cè)量技術(shù),實(shí)現(xiàn)磁矩計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量子化。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于經(jīng)典物理技術(shù)的磁計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)正在逐步過(guò)渡為量子標(biāo)準(zhǔn),一方面是因?yàn)榱孔訕?biāo)準(zhǔn)基于對(duì)量子的操縱,測(cè)量精度可突破經(jīng)典極限;另一方面,量子系統(tǒng)賦予計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)更好的穩(wěn)定性,使其更好地適應(yīng)于精密測(cè)量。當(dāng)前,以光泵磁強(qiáng)計(jì)、CPT 磁強(qiáng)計(jì)、SERF 磁強(qiáng)計(jì)、金剛石NV 色心磁強(qiáng)計(jì)等量子磁強(qiáng)計(jì)為代表的磁學(xué)量子測(cè)量技術(shù)正處于快速發(fā)展階段,為磁學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量子化發(fā)展提供了廣闊的情景。