小型化原子磁强计中的SERF态实现技术研究

bb20920d · 发表于 2022-5-13 19:55:09

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在无自旋交换弛豫（SERF）态下，原子的弛豫时间大幅延长，可有效降低原子磁强计的量子噪声，实现高分辨率的磁场探测。实现SERF态的两个基本条件是高的原子密度和低的磁场环境，需要通过加热和磁屏蔽来实现。在高分辨率磁强计原理验证阶段，典型的SERF态实现方案是热气流加热升温和多层磁屏蔽筒屏蔽外磁场，这种方案功耗和体积都较大，不适用于小型化的原子磁强计，也不适用于探测无法屏蔽的磁源。在总结了国内外的研究现状的基础上，针对发展小型实用的原子磁强计的需求，本文主要研究无磁电加热和主动三维磁补偿来实现高温无磁环境。首先从理论上分析了亥姆霍兹线圈产生磁场的特性，优化了线圈设计参数并实现了三维磁补偿线圈；设计了用于无磁电加热的专用加热装置，并通过有限元分析的方法验证了该装置良好的加热性能，通过数值计算的方法验证了加热器良好的“无磁”性。其次设计了用于无磁电加热的数控式交流电源、数字式温度传感电路以及控制算法，从而实现温度控制；设计了用于驱动三维磁补偿线圈的数控式双极性电流源以及相应的磁敏感电路和磁补偿算法。通过磁屏蔽桶下通电加热状态和断电状态的对比实验，验证了本文设计的无磁电加热方案的可行性；在无屏蔽条件下利用原子磁强计成功实现了地磁补偿，补偿灵敏度分别为横向10nT，纵向40nT，验证了主动磁屏蔽方案的可行性。最后对本文工作进行了总结和展望。

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