基于量子的多频率磁场同时放大测量方法

1.本发明属于磁场检测技术领域，具体涉及一种基于量子的多频率磁场同时放大测量方法。


背景技术：

2.微弱磁场测量广泛应用于基础物理检验、前沿物理研究、脑磁/心磁等重大疾病诊断、化学物质结构分析、国防安全等重大领域，因此微弱磁场的检测显得尤为重要。
3.现有技术中，一般采用原子磁力仪来进行磁场检测，其基本原理是利用碱金属原子最外层电子自旋极化矢量在外磁场中的旋进来测量磁场，其采用一束弱的检测光直接检测电子自旋极化大小来判断旋进频率，从而测出外磁场。但由于原子磁力仪对于低频或者极低频的极弱磁场检测来说，其灵敏度较低。也有学者采用自旋放大器对磁场进行量子学放大来提高其测量灵敏度，但现有的量子学自旋放大器利用惰性气体原子核的磁测量方法，只能放大单一固有频率的磁场，测量时需要逐个频率进行扫频以检索微弱信号并将之放大，检索效率低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决上述问题，提供一种基于量子的多频率磁场同时放大测量方法，可同时放大多个频率磁场信号，在飞特斯拉水平有效提高微弱磁场信号初期检索的效率，缩短实验周期。
5.为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于量子的多频率磁场同时放大测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
6.s1：搭建测量模型，包括混合原子蒸气室、无磁加热系统、激光泵浦和探测系统、信号采集系统、磁屏蔽系统以及四组亥姆霍兹线圈；
7.s2：加热并极化混合原子蒸气室内的碱金属原子，得到碱金属原子电子的自旋信号；
8.s3：在z轴方向施加已知振荡交流磁场，将待测振荡交流磁场施加到x轴或者y轴方向；
9.s4：在z轴方向再施加一个偏置磁场并调节该磁场频率，至频谱上出现放大的磁场信号，得到离开中心频率第n个磁信号幅度值a2n；
10.s5：撤去z轴方向振荡交流磁场，将z轴方向偏置磁场频率依次调节至步骤s4中多频放大的频率位置，找到频谱中峰值最高处对应的惰性气体原子核的拉莫尔进动频率，该频率即为待测振荡交流磁场频率。
11.进一步的，在步骤s3前增加步骤s2’：在z轴方向分别施加偏置磁场和振荡交流磁场，在x轴或者y轴方向施加一个1pt、220hz的振荡交流磁场，采集t时间的信号，通过傅立叶变换，得到频谱上220hz磁场的磁信号幅度值a1。
12.进一步的，所述步骤s1中混合原子气体室设置在无磁加热系统的上方，且混合原
子气体室和无磁加热系统均设置在磁屏蔽系统内部；激光泵浦和探测系统和信号采集系统设置在磁屏蔽系统外围用于探测磁场信号。
13.进一步的，所述步骤s1中四组亥姆霍兹线圈设置在磁屏蔽系统与混合原子气体室之间，且沿x、y轴方向分别设置一组、沿z轴方向设置两组。
14.进一步的，所述步骤s2中先开启无磁加热系统，对混合原子蒸气室进行加热，增加混合原子蒸气室内碱金属原子数密度；再开启激光泵浦和探测系统，泵浦激光极化混合原子蒸气室内的碱金属原子，极化后的碱金属原子的电子通过自旋交换碰撞极化惰性气体原子核；探测激光通过混合原子蒸气室探测碱金属原子团簇的法拉第旋转角，得到碱金属原子电子的自旋信号并传递给信号采集系统。
15.进一步的，所述混合原子气体室为填充碱金属、惰性气体和氮气的原子气体室；所述无磁加热系统采用无磁材料，用于加热混合原子气体室；所述激光泵浦和探测系统包括两个垂直布置的泵浦激光器和探测激光器，分别用于极化钾碱金属原子和探测碱金属原子；所述磁屏蔽系统由五层圆柱形的坡莫合金和铁氧体构成，五层圆柱形坡莫合金的最内层和最外层设置有去磁线圈；所述信号采集系统包括声光调制器、锁相放大器、光电探测器、光学元件和采集卡，用于采集探测激光探测的磁信号并对采集到的磁信号做傅立叶变换。
16.采用上述技术方案的有益效果是：本发明通过在z轴方向施加振荡交流磁场和偏置磁场，振荡交流磁场使混合原子气体室内的惰性气体原子核能级形成塞曼分裂，在中心频率附近每隔一定频率间隔出现放大效用，同时响应并放大多个频率处的外界磁信号，从而形成以偏置磁场作用下的惰性气体原子核的拉莫尔进动频率为中心频率的多频率放大信号，这样一次就可以形成多个频率进行扫频，较现有的单一频率扫频方式大大提高检索效率，有效缩短室验周期。
附图说明
17.图1是本发明的测量模型的结构示意图；
18.图中标号：10、混合原子蒸气室，20、无磁加热系统，30、激光泵浦和探测系统，40、信号采集系统，50磁屏蔽系统；
具体实施方式
19.下面通过一个具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
20.如图所示，搭建测量模型，包括混合原子气体室10、无磁加热系统20、激光泵浦和探测系统30、信号采集系统40和磁屏蔽系统50；混合原子气体室10为填充碱金属、惰性气体和氮气的原子气体室。优选的，碱金属为钾，惰性气体为氦气，氮气也可替换为4he。无磁加热系统20采用无磁材料，以避免磁干扰，无磁加热系统20设置在混合原子气体室10的下方，主要用于加热混合原子气体室10内的钾和氦气。激光泵浦和探测系统30包括两个垂直布置的激光器，分别用于发射泵浦激光和探测激光，泵浦激光用于极化钾碱金属原子，探测激光用于探测碱金属原子。信号采集系统40包括声光调制器、锁相放大器、光电探测器、光学元件和采集卡，用于采集探测光探测的磁信号并对采集到的磁信号做傅立叶变换。磁屏蔽系统50由五层圆柱形的坡莫合金和铁氧体构成，五层圆柱形坡莫合金的最内层和最外层设置
有去磁线圈，主要用于屏蔽外界磁场对整个测量系统的干扰。
21.无磁加热系统20与磁屏蔽系统50之间设置有用于搭载亥姆霍兹线圈的绕线管，绕线管上沿x、y轴方向分别设置有一组亥姆霍兹线圈、沿z轴方向设置有两组亥姆霍兹线圈，x、y、z轴方向上的亥姆霍兹线圈均用于在测量过程中产生施加磁场。
22.具体测量时，先开启无磁加热系统20，对混合原子蒸气室10进行加热，增加混合原子蒸气室10内碱金属原子数密度；再开启激光泵浦和探测系统30，泵浦激光极化混合原子蒸气室10内的碱金属原子，极化后的碱金属原子的电子通过自旋交换碰撞极化惰性气体原子核；探测激光通过混合原子蒸气室10探测碱金属原子团簇的法拉第旋转角，得到碱金属原子电子的自旋信号并传递给信号采集系统40。
23.首先，在z轴方向的两组亥姆霍兹线圈上分别施加偏置磁场和振荡交流磁场，偏置磁场为静磁场，该偏置磁场作用下的惰性气体原子核的拉莫尔进动频率为多频率同时放大的中心频率；振荡交流磁场可以使惰性气体原子核能级形成塞曼分裂，在中心频率附近每隔一定频率出现放大效用，同时响应并放大多个频率处的外界磁信号。即在偏置磁场和振荡交流磁场的共同作用下，形成以偏置磁场作用下的惰性气体原子核的拉莫尔进动频率为中心，振荡交流磁场频率的整数倍为间隔的多频率放大磁信号。在x轴或y轴方向施加一个1pt、220hz的振荡交流磁场，采集t时间的信号，通过傅立叶变换，得到频谱上220hz的磁信号幅度值，该磁信号幅度值为未经放大的磁信号幅度值a1。
24.接着，保持z轴方向振荡交流磁场不变，沿x轴方向或y轴方向施加一个1pt、频率待测的振荡交流磁场，不断调节z轴方向偏置磁场大小，通过偏置磁场大小改变惰性气体原子核的拉莫尔进动频率及多频放大的中心频率，从而改变多频放大的各点频率值，直至频谱上出现放大的磁场信号，即表明多频放大中存在与待测振荡交流磁场频率一致的频率值，得到离开中心频率第n个磁信号幅度值a2n；
25.最后，撤去z轴方向振荡交流磁场，按照上一步骤中最后一次多频放大的各点频率值，调节z轴方向偏置磁场大小使惰性气体原子核的拉莫尔进动频率依次为上述频率，找到频谱中峰值最高处对应的惰性气体原子核的拉莫尔进动频率，该频率即为待测振荡交流磁场频率。上述方法不仅能够快速准确的测出待测振荡交流磁场频率，还可以计算出多频放大的放大倍数，即为ampn＝a2n/a1，从而得知道该测量方法的灵敏度。
26.本发明的原理是：通过在z轴方向施加振荡交流磁场和偏置磁场，振荡交流磁场使混合原子气体室内的惰性气体原子核能级形成塞曼分裂，在中心频率附近每隔一定频率间隔出现放大效用，同时响应并放大多个频率处的外界磁信号，从而形成以偏置磁场作用下的惰性气体原子核的拉莫尔进动频率为中心频率的多频率放大信号，即偏置磁场确定多频放大的中心频率；振荡交流磁场确定多频放大的频率间隔，形成对应多个频率值且同时被放大的磁信号。将待测振荡交流磁场通过x轴或y轴方向的亥姆霍兹线施加到测量模型内，改变偏置磁场大小来调节多频放大中的各频率值，通过多频率扫频来快速得到与待测振荡交流磁场频率对应的多频率值，再撤去z轴方向振荡交流磁场，改变偏置磁场大小以改变惰性气体原子核的拉莫尔进动频率，进行单频率扫频，从而确定待测振荡交流磁场频率。通过上述步骤，利用多频同时放大扫频，可在飞特斯拉水平快速确定待测振荡交流磁场频率所在范围，再通过单频率扫频精确测量，大大节省了扫频时间，提高了检索效率，有效缩短室验周期。