一种三轴矢量近零极弱磁场绝对测量装置及方法

本发明涉及量子传感与精密测量，具体涉及一种三轴矢量近零极弱磁场绝对测量装置及方法。

背景技术：

1、极弱磁场的绝对测量在基础物理研究、地球物理勘探、生物磁成像、惯性导航以及量子计量基准等领域具有重要意义。在亚纳特斯拉（sub-nt）至飞特斯拉（ft）量级的磁场测量中，无自旋交换弛豫（spin-exchange-relaxation-free，serf）原子磁强计凭借其超高灵敏度已成为主流技术手段。然而，serf原子磁强计本质上是一种相对测量仪器，其输出信号与磁场之间的比例关系（刻度系数）和零位偏置（零偏）会随温度、光强、原子密度等工作条件漂移，需要借助独立的磁场标准进行原位标定，才能实现量值溯源和绝对测量。氦-3（³he）核自旋具有较长的横向弛豫时间t2和确定的旋磁比γhe，其自由感应衰减进动频率与磁场强度之间满足larmor关系（即拉莫尔关系），因而可作为一种与基本物理常数关联的磁场标尺。然而，在亚纳特斯拉以下的近零场环境中，氦-3核自旋的进动频率仅为毫赫兹量级，直接通过频率测量难以实现高分辨率的三轴矢量磁场重建；同时，serf原子磁强计必须工作在近零场条件下才能保持线性敏感状态，而沿其敏感轴施加大偏置场又会破坏serf工作机制。如何在维持serf近零工作条件的同时，利用氦-3核自旋进动实现高精度的三轴矢量磁场绝对测量，是当前极弱磁场计量领域亟待解决的技术难题。然而，现有技术中尚缺乏一种能够将氦-3核自旋进动标尺与serf高灵敏度读取有机结合、无需预先标定线圈常数即可完成三轴矢量磁场自标定绝对测量的装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种三轴矢量近零极弱磁场绝对测量装置及方法。本发明通过分离氦-3核自旋进动的磁场标尺功能与serf原子磁强计的高灵敏度读取功能，在保持serf线性敏感轴（沿着y轴磁场方向）近零场条件的同时，沿z轴和x轴分别施加八态可控偏置磁场序列，由氦-3核自旋进动频率自标定解耦出bx、bz分量和所施加的偏置磁场值，再由解耦出的bx、bz分量和所施加的偏置磁场值以及读取到的氦-3核自旋进动频率读数确定by分量，从而实现三轴矢量磁场的绝对测量，并可将量值传递给外部待标定serf磁强计。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种三轴矢量近零极弱磁场绝对测量装置，其特征在于，包括两个气室，其一是氦-3原子气室（1），其二是serf原子磁强计中的碱金属原子气室（12），所述两个气室均位于同一个三轴磁场线圈（23）内，所述三轴磁场线圈位于坡莫合金磁屏蔽（24）内，所述氦-3原子气室的z轴负向侧依次通过扩束镜（4）、氦原子光束反射镜（5）和氦原子光束圆偏振发生器（6）连接氦-3原子抽运激光器（7），所述氦-3原子气室的外壁贴附有射频放电电极（2），所述射频放电电极连接射频驱动电源（3），所述三轴磁场线圈通过低噪声电流源（22）连接脉冲时序控制器（21），以氦-3核自旋进动作为磁场标尺，通过沿z轴和x轴分别施加±b0、±2b0和±b1、±2b1共八态偏置序列，结合所述serf原子磁强计对氦-3原子宏观磁矩在y方向的投影线性读取，实现三轴矢量残余磁场(bx, by, bz)的绝对测量。

4、在所述三轴磁场线圈内还设置有待标定serf磁强计（25），用于接收经所述三轴磁场线圈重建的已知矢量磁场，通过所述待标定serf磁强计的读取结果与所述已知矢量磁场，确定所述待标定serf磁强计的刻度系数k和零偏δ。

5、所述碱金属原子气室位于陶瓷烤箱（11）内，所述碱金属原子气室的y轴负向侧通过碱金属原子圆偏振发生器（10）连接碱金属原子光束反射镜（9），所述碱金属原子光束反射镜连接碱金属原子抽运激光器（8），所述碱金属原子气室的z轴正向侧通过偏振分光棱镜（14）连接碱金属原子检测激光器（13），所述碱金属原子气室的z轴负向侧依次通过二分之一波片（15）、偏振差分用偏振分光棱镜（16）、光电探测器（17）、差分电路（18）和跨阻放大器（19）连接电脑主机（20）。

6、包括以下公式：

7、

8、其中是偏置磁场，是矢量残余磁场z轴分量，是偏置磁场，是矢量残余磁场x轴分量，是矢量残余磁场y轴分量，是氦-3原子的核自旋旋磁比，ω{z,+2}是在z轴施加+2b0所对应的氦-3核自旋进动角频率，ω{z,-2}是在z轴施加-2b0所对应的氦-3核自旋进动角频率，ω{z,+1}是在z轴施加+b0所对应的氦-3核自旋进动角频率，ω{z,-1}是在z轴施加-b0所对应的氦-3核自旋进动角频率，ω{x,+1}是在x轴施加+b1所对应的氦-3核自旋进动角频率，ω{x,-1}是在x轴施加-b1所对应的氦-3核自旋进动角频率，ω{x,+2}是在x轴施加+2b1所对应的氦-3核自旋进动角频率，ω{x,-2}是在x轴施加-2b1所对应的氦-3核自旋进动角频率。

9、包括以下表达式：

10、，

11、其中v+是已知第一个矢量磁场状态下所述待标定serf磁强计的输出电压，v-是已知第二个矢量磁场状态下所述待标定serf磁强计的输出电压，是已知第一个矢量磁场状态下的serf基线极化率，是已知第二个矢量磁场状态下的serf基线极化率。

12、一种三轴矢量近零极弱磁场绝对测量方法，其特征在于，采用上述三轴矢量近零极弱磁场绝对测量装置。

13、包括以下步骤：

14、步骤1，将氦-3原子气室（1）和碱金属原子气室（12）置于坡莫合金磁屏蔽（24）内部的三轴磁场线圈（23）中心，用无磁电加热技术将陶瓷烤箱（11）与其中的碱金属原子气室（12）加热至150～200℃，使碱金属原子数密度达到10¹³～1014个/cm³；开启碱金属原子抽运激光器（8）和碱金属原子检测激光器（13），使碱金属原子工作于serf态；

15、步骤2，开启氦-3原子抽运激光器（7）输出波长1083nm的圆偏振抽运光，同时通过射频驱动电源（3）经射频放电电极（2）在氦-3原子气室（1）内维持氦-3亚稳态放电，对氦-3核自旋进行亚稳态交换光抽运极化；

16、步骤3，通过脉冲时序控制器（21）同步触发射频驱动电源（3）施加π/2倾倒脉冲，将氦-3核自旋倾倒至横向平面，随后关断倾倒脉冲，氦-3核自旋在残余矢量磁场中以角频率ω做自由感应衰减进动，进动信号由碱金属原子气室（12）、偏振分光棱镜（14）、二分之一波片（15）、偏振差分用偏振分光棱镜（16）、光电探测器（17）、差分电路（18）和跨阻放大器（19）组成的serf检测链路读取；

17、步骤4，通过脉冲时序控制器（21）控制低噪声电流源（22）驱动三轴磁场线圈（23），依次在z轴方向施加+b0、-b0、+2b0、-2b0四个偏置磁场，在每个偏置态下获得对应的氦-3核自旋进动角频率ω{z,+1}、ω{z,-1}、ω{z,+2}、ω{z,-2}；

18、步骤5，依次在x轴方向施加+b1、-b1、+2b1、-2b1四个偏置态，在每个偏置态下获得对应的氦-3核自旋进动角频率ω{x,+1}、ω{x,-1}、ω{x,+2}、ω{x,-2}；

19、步骤6，在电脑主机（20）中，根据自标定解耦公式由八个进动角频率计算偏置磁场幅值b0、b1和残余磁场分量bz、bx，由b0、ω{z,+1}和解耦出来的bz、bx并结合公式：

20、

21、确定残余磁场分量by，从而获得完整的三轴矢量残余磁场(bx, by, bz)，式中γhe是氦-3原子的核自旋旋磁比；

22、步骤7，将步骤6重建的已知矢量磁场作为标准量值，传递给紧邻放置的待标定的serf磁强计（25），在两个或多个已知磁场状态下读取待标定的serf磁强计（25）的输出电压，通过加权回归确定其刻度系数k和零偏δ。

23、本发明的技术效果如下：本发明一种三轴矢量近零极弱磁场绝对测量装置及方法，采用氦-3核自旋进动作为磁场标尺，通过沿z轴和x轴分别施加±b0、±2b0和±b1、±2b1共八态偏置序列，结合serf（spin-exchange-relaxation-free，无自旋交换弛豫）原子磁强计对氦-3原子宏观磁矩在y方向的投影线性读取，实现残余矢量磁场bx、by、bz三轴的绝对测量，并将量值传递给待标定的serf磁强计，确定其刻度系数和零偏。本发明无需预先知道线圈常数，测量精度高，适用于极弱磁场计量与原子磁强计标定。

24、本发明与现有技术相比的优点在于：

25、（1）常规的氦-3磁力计在近零场下进动频率仅为毫赫兹到亚赫兹量级，直接频率测量分辨率不足；本发明通过沿z轴和x轴施加±b0、±2b0和±b1、±2b1八态偏置序列，将待测量的低频进动信号上变频至百pt磁场所对应的较高频率区间，同时利用serf原子磁强计的高灵敏度读取fid信号（serf，spin-exchange-relaxation-free，无自旋交换弛豫；fid，free induction decay, 自由感应衰减），兼顾了氦-3旋磁比的绝对标尺特性与serf超高灵敏度优势。

26、（2）常规的矢量磁场标定方法需要预先精确测定三轴线圈的线圈常数，而线圈常数会受温度、装配误差和磁屏蔽环境影响；本发明利用自标定解耦关系，仅由八个偏置态的进动角频率即可同时解出偏置场幅值和残余场分量，不需要预先知道线圈常数，从根本上消除了线圈常数标定误差对测量结果的影响。

27、（3）常规的serf磁强计标定通常将零偏简单近似为正负磁场输出的平均值，忽略了残余场响应和serf非线性分母；本发明在显式重建bx、by、bz三轴残余场的基础上，精确确定by分量和磁强计零偏δ，并通过多状态加权回归进一步抑制随机噪声，显著提高了标定精度。

28、（4）本发明保持serf线性敏感轴（by方向）始终处于近零场条件，而仅在z轴和x轴施加偏置场，既维持了serf工作机制，又实现了三轴矢量磁场的完整重建，解决了近零场绝对测量与serf工作条件之间的矛盾。