李輝 江敏 朱振南 徐文杰 徐旻翔 彭新華2)?

1)(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系,中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室,合肥 230026)

2)(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心,合肥 230026)

1 引 言

磁場廣泛存在于自然界中,對于微弱磁場的精密測量不僅應(yīng)用廣泛,還推動多個研究領(lǐng)域的進步與發(fā)展.基于不同的磁場測量原理,人們研制出多種測磁裝置,如磁通門[1,2]、超導(dǎo)量子干涉儀[3-5]、原子磁力儀[6-13]、金剛石氮-空位色心磁力儀[14-18]等.隨著量子調(diào)控與光電檢測技術(shù)的快速發(fā)展,利用原子自旋拉莫進動頻率進行超靈敏磁場探測的原子磁力儀研究已成為熱點.其中,無自旋交換弛豫(spin exchange relaxation free,SERF)原子磁力儀磁場測量的靈敏度極限已超過超導(dǎo)量子干涉儀[6,7],成為靈敏度最高的磁場測量裝置,已實現(xiàn)的靈敏度高達近些年來,國內(nèi)也有多家科研機構(gòu)開展了原子磁力儀的研究,并取得一定的進展.如2010年,浙江大學(xué)研制的銣原子磁力儀靈敏度達到2014年,北京大學(xué)通過優(yōu)化銫原子磁力儀系統(tǒng)的各項參數(shù),實現(xiàn)的最優(yōu)靈敏度為2016年,國防科技大學(xué)通過選擇合適的極化磁場使銣原子磁力儀對待測磁場的靈敏度最大,達到的靈敏度[11];2017年,蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的非線性磁光旋轉(zhuǎn)銣原子磁力儀實現(xiàn)的極限靈敏度為同年,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制了用于零場核磁共振探測的SERF原子磁力儀,實現(xiàn)在20—300Hz頻率范圍內(nèi)靈敏度低于

為滿足不同情況下的磁場測量要求,可對原子磁力儀系統(tǒng)進行特殊設(shè)計或在其原子氣室中充入第二種堿金屬(23Na,39K,85Rb,87Rb,133Cs等)或稀有氣體(3He,21Ne,129Xe,131Xe等)原子形成新的氣室體系.銣-氙氣室內(nèi)充有核自旋為3/2的堿金屬87Rb與核自旋為1/2的稀有氣體129Xe,129Xe原子的引入使氣室內(nèi)的動力學(xué)演化更加豐富,引起人們大量的理論與實驗研究,例如自旋交換光泵浦理論及其基本參數(shù)測量[19-23],自旋交換光泵浦效率的提高[24],超極化129Xe弛豫時間測量[25,26],利用銣-氙氣室體系形成新型弗洛凱態(tài)微波射頻器[27]等.

以銣-氙氣室體系為核心,我們自主搭建了銣-氙氣室原子磁力儀系統(tǒng),對其磁場測量能力的研究可明確其應(yīng)用的范圍與潛力,為后期實驗方案的設(shè)計及評估提供參考,具有一定的必要性.本文基于銣-氙氣室原子磁力儀系統(tǒng),首先對其裝置及涉及的基本理論進行了介紹,給出系統(tǒng)測量交流磁場與靜磁場的原理; 然后從實驗上分別對系統(tǒng)測量交流磁場與靜磁場的能力進行了標(biāo)定.結(jié)果表明: 銣-氙氣室原子磁力儀交流磁場測量的靈敏度在2100 Hz頻率范圍內(nèi)約為帶寬約為2.8 kHz;靜磁場測量精度約為9.4 pT,測量范圍超過50 μT.

2 實驗裝置簡介

銣-氙氣室原子磁力儀的實驗裝置如圖1所示.

銣-氙氣室(87Rb-129Xecell)內(nèi)充有堿金屬87Rb,5 Torr(1Torr≈133.322Pa)稀有氣體129Xe和250 Torr緩沖氣體N2,其大小為10 mm×10 mm×10 mm的立方體,氣室壁厚約1 mm,材料為派熱克斯玻璃,因密封而產(chǎn)生的尾巴位于氣室某一面的面心,長約5 mm.氣室位于5層柱狀坡莫合金屏蔽筒(magnetic shields)的中心,其空間三軸剩磁均小于2nT.利用柱狀聚四氟乙烯上的三軸勻場線圈(shimming coils)抵消剩磁,可為氣室提供近零場環(huán)境.加熱保溫(heating and insulation)部分包含對絞電阻絲、負責(zé)導(dǎo)熱的氮化硼柱和與其嵌合的保溫Peek材料,其中電阻絲繞在氮化硼柱底端.通過無磁硅膠將氣室固定在氮化硼柱頂端,并對電阻絲通入電流,配合熱電偶和溫控器反饋實現(xiàn)對氣室恒溫加熱.Peek材料外面,我們設(shè)計出可嵌套的球狀籠式結(jié)構(gòu),其凹槽上繞有三組三軸線圈(three-axis coils),與勻場線圈一起實現(xiàn)對屏蔽筒內(nèi)部磁場環(huán)境的控制.

外部光路采用兩路相互垂直的激光分別作為泵浦光和探測光.泵浦光選取與87Rb原子D1線共振的圓偏光,波長為795nm,由Toptica Photonics公司的DLC Pro激光器(795 nm laser)出射后經(jīng)λ/2波片、起偏器與λ/4波片后產(chǎn)生,光束直徑約2 mm,沿z軸方向泵浦極化87Rb原子.探測光選取相對87Rb原子D2線失諧量約110 GHz的線偏光,由DBR激光器(780 nm laser)出射后經(jīng)λ/2波片與起偏器后產(chǎn)生,光束直徑約1 mm,沿x軸方向傳播.探測光通過銣-氙氣室,其偏振方向的旋轉(zhuǎn)角正比于87Rb原子極化在其傳播方向的投影大小[28],通過測量偏轉(zhuǎn)角可實現(xiàn)對磁場的測量.為避免實驗中低頻噪聲的影響,采用光彈調(diào)制器(PEM)將探測光的偏振調(diào)制到50kHz后進入光電探測器.光電探測器(photodetector)將電信號傳入鎖相放大器(lock-in amplifier)進行解調(diào),解調(diào)信號通過電腦控制的數(shù)據(jù)采集模塊(computer DAQ)進行采集.

圖1 銣-氙氣室原子磁力儀裝置示意圖Fig.1.Schematic diagram of the rubidium-xenon vapor cell atomic magnetometer.

3 基本原理

3.1 銣-氙氣室體系動力學(xué)演化方程

銣-氙氣室內(nèi)包含87Rb與129Xe兩種可自旋極化的粒子.87Rb原子在泵浦光的作用下極化,并通過自旋交換相互作用將極化轉(zhuǎn)移給129Xe核自旋產(chǎn)生超極化129Xe.若對氣室施加磁場或脈沖,87Rb與129Xe的極化狀態(tài)將發(fā)生改變并進行演化.銣-氙氣室體系動力學(xué)演化過程可通過布洛赫方程組描述[29]:

上述(1)式和(2)式分別描述堿金屬87Rb、稀有氣體129Xe原子極化Pe與Pn的演化過程.其中,q(|Pe|)為87Rb電子與自身核超精細耦合后進動頻率減慢的因子,當(dāng)核自旋為3/2時q(|Pe|)=2+4/(1+|Pe|2)[30];γe為電子的旋磁比;B為外界施加的磁場;Bn為超極化129Xe產(chǎn)生的磁場;Rop為87Rb原子對泵浦光的吸收速率;為泵浦光極化矢量;為87Rb與129Xe原子的自旋交換速率;為電子自旋總弛豫速率,為電子自旋破壞碰撞速率,Rpr為87Rb原子對探測光的吸收速率(考慮超精細耦合相互作用時,87Rb原子總弛豫速率受減慢因子q(|Pe|)的限制);γn為129Xe核的旋磁比;Be為極化87Rb原子產(chǎn)生的磁場;129Xe與87Rb原子的自旋交換速率;原子的總弛豫速率,的自旋破壞碰撞速率.

3.2 自旋交換光泵浦

自旋交換光泵浦是一種常用的產(chǎn)生超極化稀有氣體的方法[31].堿金屬原子在泵浦光的作用下極化,并通過與稀有氣體原子間的自旋交換相互作用實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)移獲得超極化稀有氣體.堿金屬原子將極化轉(zhuǎn)移給稀有氣體核自旋可通過兩種方式實現(xiàn):1)兩者直接發(fā)生兩體碰撞,在碰撞過程中實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)移;2)在緩沖氣體分子參與下,堿金屬原子、稀有氣體原子與緩沖氣體分子三者可短暫形成范德瓦爾斯分子,基于此分子內(nèi)部的相互作用實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)移,緩沖氣體分子僅參與整個過程,不參與極化轉(zhuǎn)移.

對于銣-氙氣室體系,在其總氣壓只有幾十托時,形成的范德瓦爾斯分子壽命較長(≥10-9s),有足夠時間完成極化轉(zhuǎn)移,同時由于粒子數(shù)密度比較小,兩體碰撞發(fā)生的概率較低,由范德瓦爾斯分子導(dǎo)致的極化轉(zhuǎn)移要遠遠大于兩體碰撞,前者占主導(dǎo)作用;在實際自旋交換光泵浦實驗中,氣室總氣壓一般較高,形成的范德瓦爾斯分子的壽命較短,由其導(dǎo)致的極化轉(zhuǎn)移可忽略不計,兩體碰撞導(dǎo)致的極化轉(zhuǎn)移占主導(dǎo)作用[20].在兩體碰撞過程中,由堿金屬原子最外層電子自旋s與稀有氣體核自旋I間的費米接觸超精細耦合相互作用來實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)移,費米接觸相互作用可表示為[32]

式中,耦合系數(shù)α正比于堿金屬最外層電子位于稀有氣體核位置處的概率密度:α=8πγeγn?2δ(R)/3,其中?為約化普朗克常量,δ(R)為以堿金屬最外層電子與稀有氣體核的間距R為變量的delta函數(shù);括號里的升降算符項導(dǎo)致堿金屬與稀有氣體間極化轉(zhuǎn)移的發(fā)生.

銣-氙氣室體系在僅有z軸靜磁場、連續(xù)光泵浦情況下達到穩(wěn)態(tài)后,87Rb和129Xe原子穩(wěn)態(tài)極化均沿z軸方向,其穩(wěn)態(tài)極化度可通過布洛赫方程組(1)式和(2)式右邊分別取零求得:

此時,極化的87Rb與129Xe原子產(chǎn)生的磁場Be與Bn分別為:

其中κ0為自旋交換增強因子,對于銣-氙氣室體系,取值范圍為493±31[33];Me與Mn分別為穩(wěn)態(tài)時87Rb與129Xe的磁化矢量;nRb與nXe分別為氣室內(nèi)87Rb與129Xe的粒子數(shù)密度.

3.3 銣-氙氣室原子磁力儀磁場測量原理

銣-氙氣室原子體系是一個耦合體系,完全解析地求解其布洛赫方程組是極其復(fù)雜的.實驗中可根據(jù)具體條件,對布洛赫方程組(1)式和(2)式進行一定的簡化.銣-氙氣室體系在連續(xù)光泵浦的作用下,一方面堿金屬原子87Rb吸收泵浦光產(chǎn)生的極化遠大于與129Xe自旋交換得到的極化,即可忽略項對87Rb原子極化的影響;另一方面在銣-氙氣室體系動力學(xué)演化過程中有原子極化產(chǎn)生的磁場可近似看作沿z軸方向的靜磁場,對后面系統(tǒng)磁場測量能力研究的影響可忽略不計.綜上,實驗條件下銣-氙氣室體系所滿足的布洛赫方程組可簡化為:

其中B?=B+Bn為87Rb原子極化所受總磁場.當(dāng)B?緩慢變化時,求解(8)式的穩(wěn)態(tài)解可得87Rb原子極化沿探測光傳播方向x方向的投影為

銣-氙氣室原子磁力儀通過測量θ可實現(xiàn)對磁場的測量.

當(dāng)待測磁場為沿y軸方向的交流磁場時,87Rb原子極化所受總磁場為其中A,ω與φ分別表示交流磁場的振幅強度、角頻率與相位.此種情況下,Bn可近似看作沿z軸方向的靜磁場,其橫向分量忽略不計.由(11)式可得探測光偏振方向的旋轉(zhuǎn)角為

由(12)式可知,銣-氙氣室原子磁力儀通過測量θ可實現(xiàn)對y軸方向交流磁場的測量.

當(dāng)待測磁場為沿z軸方向的靜磁場Bz時,87Rb原子極化所受總磁場為B?=Bz+Bn,可通過以下方式實現(xiàn)對Bz的測量.在銣-氙氣室體系達到穩(wěn)態(tài)后,沿x軸方向施加129Xe的π/2脈沖,將129Xe磁化矢量翻轉(zhuǎn)到y(tǒng)軸方向.由脈沖引起87Rb原子極化的偏轉(zhuǎn)在泵浦光的作用下快速恢復(fù),而超極化129Xe產(chǎn)生的磁場Bn將由y軸開始繞著z軸靜磁場進動,其進動情況可由(9)式描述,求解得超極化129Xe在x,y與z軸方向的極化投影隨時間的變化為:

以上條件下,87Rb原子極化沿x軸方向的投影可由(10)式給出:

由(5)式、(7)式、(11)式、(13)式、(14)式與(16)式可得探測光偏振方向的旋轉(zhuǎn)角為

其中φ=-arctan(Bz/ΔB?).因此,銣-氙氣室原子磁力儀最終測得超極化129Xe的進動為一個以拉莫頻率γnBz振蕩的衰減信號,即自由感應(yīng)衰減(free induction decay,FID)信號.通過對此信號進行快速傅里葉變換(fast fourier transform,FFT)可給出γnBz的值,除以129Xe的旋磁比即可得到待測靜磁場Bz的大小.

綜上所述,銣-氙氣室原子磁力儀可通過兩種方式進行磁場測量:一是通過測量外磁場對87Rb原子極化的影響來測量交流磁場;二是將待測靜磁場信息轉(zhuǎn)移到超極化129Xe的拉莫進動頻率上,通過測量其拉莫頻率實現(xiàn)對靜磁場的測量.

4 銣-氙氣室原子磁力儀磁場測量能力的標(biāo)定

4.1 銣-氙氣室原子磁力儀測量交流磁場能力的標(biāo)定

銣-氙氣室原子磁力儀測量交流磁場的能力可通過在y軸方向施加已知大小、頻率的系列交流磁場進行標(biāo)定.實驗時,銣-氙氣室體系在|B|=0情況下達到穩(wěn)態(tài)后,沿y軸方向依次施加強度為1.07nT、頻率以100Hz為步長的系列定標(biāo)磁場,并進行數(shù)據(jù)采集,采集時間為5s,得到對應(yīng)不同頻率定標(biāo)磁場的數(shù)據(jù).將數(shù)據(jù)分別作FFT得到磁場相對強度與頻率信息,繪圖得到銣-氙氣室原子磁力儀對磁場頻率的響應(yīng)曲線,如圖2(a)所示.利用帶寬公式對圖中數(shù)據(jù)進行擬合,其中S(f)為磁場頻率取f時對應(yīng)的磁場相對強度,a,b為常數(shù).由擬合結(jié)果可知b≈2835.6,銣-氙氣室原子磁力儀的帶寬約為2.8kHz.利用帶寬公式擬合結(jié)果、定標(biāo)磁場大小、采樣時間與FFT數(shù)據(jù)可得到各頻率定標(biāo)磁場的噪聲曲線,根據(jù)噪聲曲線中信號附近的噪底平均水平,可得到相應(yīng)頻率下的磁場測量靈敏度.圖2(b)—圖2(d)分別是定標(biāo)磁場頻率為300,1200與2100Hz時得到的噪聲曲線,右上角給出對應(yīng)頻率下銣-氙氣室原子磁力儀磁場測量的靈敏度,分別約為綜上可得,銣-氙氣室原子磁力儀在2100Hz頻率范圍內(nèi)磁場測量靈敏度約為帶寬約2.8kHz,其頻率測量范圍遠超過SERF原子磁力儀幾十到幾百的帶寬范圍[8].

4.2 銣-氙氣室原子磁力儀測量靜磁場能力的標(biāo)定

圖2 (a)銣-氙氣室原子磁力儀頻率響應(yīng)曲線;(b)300 Hz定標(biāo)磁場噪聲曲線；(c)1200 Hz定標(biāo)磁場噪聲曲線;(d)1200 Hz定標(biāo)磁場噪聲曲線Fig.2.(a)The frequency response curve of rubidium-xenon vapor cell atomic magnetometer;(b)the calibration magnetic field noise curve at frequency 300 Hz;(c)the calibration magnetic field noise curve at frequency 1200 Hz;(d)the calibration magnetic field noise curve at frequency 2100 Hz.

在3.3節(jié)中已說明,銣-氙氣室原子磁力儀對靜磁場的測量可通過測量超極化129Xe在靜磁場中的FID信號來實現(xiàn),這種磁場測量方式依賴于超極化129Xe的旋磁比,無需借助系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù).考慮靜磁場的測量精度受限于超極化129Xe在靜磁場中的弛豫時間,以下將通過實驗首先給出對超極化129Xe弛豫時間的測量,然后再對銣-氙氣室原子磁力測量靜磁場的能力進行標(biāo)定.

對于超極化129Xe的橫向弛豫時間,可通過測量施加π/2脈沖后超極化129Xe的FID信號得到.實驗中,沿z軸施加靜磁場,待銣-氙氣室體系達到穩(wěn)態(tài)后,沿x軸方向施加129Xe的π/2脈沖并采集數(shù)據(jù)100s,得到超極化129Xe的FID信號,如圖3(a)所示.利用公式SFID(t)=SFID(0)e-t/T2對圖3(a)中FID信號的包絡(luò)線進行擬合,其中SFID(t)為t時刻FID信號的振幅強度.由擬合結(jié)果得超極化129Xe的橫向弛豫時間T2約為20.6s.對超極化129Xe的FID信號進行FFT可得到其信號強度與拉莫頻率信息,如圖3(b)所示.(實驗所用129Xe的π/2與π脈沖是通過對銣-氙氣室體系施加強度相同、時長不同的脈沖,并測量超極化129Xe信號強度隨脈沖時長變化的拉比振蕩曲線來確定其施加方式的).

圖3 (a)超極化129Xe的FID信號;(b)FID信號的FFTFig.3.(a)FID signal of the hyperpolarized129Xe;(b)FFT of the FID signal.

對于超極化129Xe縱向弛豫時間的測量,我們采取傳統(tǒng)的方法:翻轉(zhuǎn)恢復(fù)法[34].銣-氙氣室體系在僅有z軸靜磁場情況下達到穩(wěn)態(tài)后,通過在x軸方向施加129Xe的π脈沖,將超極化129Xe的磁化矢量翻轉(zhuǎn)至—z方向,在自由演化時間τ后,沿x軸方向施加129Xe的π/2脈沖,采集數(shù)據(jù)并進行FFT得到超極化129Xe的信號強度.之后逐漸增大自由演化時間τ進行多次重復(fù)測量,直至信號強度不再增大.繪制信號強度隨τ變化的曲線,如圖4所示.利用公式SFFT(τ)=SFFT(0)(1-2e-τ/T1)對曲線進行擬合,其中SFFT(τ)為自由演化時間為τ時對應(yīng)的超極化129Xe的信號強度.由擬合結(jié)果可得超極化129Xe的縱向弛豫時間T1約為21.5s.

圖4 超極化129Xe信號強度隨時間τ的變化曲線Fig.4.The curve of the hyperpolarized129Xe signal strength versus timeτ.

銣-氙氣室原子磁力儀測量靜磁場能力可通過其對靜磁場測量的精度與范圍來表征,兩者可通過以下實驗分別給出.

靜磁場測量精度可由銣-氙氣室原子磁力儀測量靜磁場的不確定度表示.理論上,通過在z軸方向施加恒定靜磁場,長時間重復(fù)測量超極化129Xe拉莫頻率的變化即可確定銣-氙氣室原子磁力儀靜磁場測量的不確定度.實驗中利用Keithley公司的6220精密電流源連接z軸勻場線圈產(chǎn)生的磁場來代替恒定靜磁場(本文所有實驗所用靜磁場均通過此種方式施加).考慮電流源自身不穩(wěn)定性會導(dǎo)致拉莫頻率的變化,利用上述方法最終測得的不確定度,還需扣除電流源自身不穩(wěn)定性導(dǎo)致的測量不確定度,才能真正反映對靜磁場測量的精度.因此,以下實驗分為長時間重復(fù)測量超極化129Xe拉莫頻率變化情況與電流源不穩(wěn)定性測試兩部分,將其分別稱為實驗一與實驗二.

對于實驗一,設(shè)置電流源輸出量程與大小均為2mA.待銣-氙氣室體系達到穩(wěn)態(tài)后,沿x軸方向施加129Xe的π/2脈沖,采集數(shù)據(jù)80s,連續(xù)重復(fù)實驗536次.對采集的所有數(shù)據(jù)進行FFT,擬合FFT數(shù)據(jù)得到超極化129Xe拉莫頻率的變化情況,繪制概率密度統(tǒng)計分布直方圖,并利用高斯分布函數(shù)對圖中數(shù)據(jù)進行擬合,得到圖5(a).高斯函數(shù)的擬合結(jié)果給出超極化129Xe拉莫頻率的均值約為3.5232Hz,標(biāo)準(zhǔn)差約為1.449×10-4Hz,擬合結(jié)果較好.

圖5 超極化129Xe拉莫頻率的概率密度統(tǒng)計分布直方圖(a)由銣-氙氣室原子磁力儀系統(tǒng)本身與電流源不穩(wěn)定性導(dǎo)致;(b)由電流源不穩(wěn)定性導(dǎo)致Fig.5.Probability density statistical distribution histogram of the Larmor frequency of the hyperpolarized 129Xe:(a)Caused by the rubidium-xenon vapor cell atomic magnetometer system itself and the current source instability;(b)caused by the current source instability.

對于實驗二,電流源輸出設(shè)置與實驗一完全相同.電流源啟動后,利用皮安表對其實時輸出的電流進行測量并記錄,得到含有996個電流值的數(shù)據(jù).同樣對電流值數(shù)據(jù)繪制概率密度統(tǒng)計分布直方圖、利用高斯分布函數(shù)擬合得:電流均值與標(biāo)準(zhǔn)差分別約為2.00055,5.33×10-5mA,高斯函數(shù)擬合結(jié)果較好.考慮電流值與實驗一數(shù)據(jù)分布均為近高斯型,將電流值數(shù)據(jù)乘以拉莫頻率均值與電流均值的比值,近似得到單純由電流源不穩(wěn)定性導(dǎo)致超極化129Xe拉莫頻率變化的數(shù)據(jù),其均值與標(biāo)準(zhǔn)差分別約為3.52315與9.39×10-5Hz,對此數(shù)據(jù)繪制概率密度統(tǒng)計分布直方圖,并用高斯函數(shù)進行擬合,得到圖5(b).

銣-氙氣室原子磁力儀單次測量靜磁場的不確定度可由以上數(shù)據(jù)的拉莫頻率標(biāo)準(zhǔn)差表示.通過將實驗一與實驗二所得的拉莫頻率標(biāo)準(zhǔn)差分別平方后相減,再求其差值的算數(shù)平方根,最終結(jié)果可近似認為已扣除由電流源不穩(wěn)定性導(dǎo)致超極化129Xe拉莫頻率的變化,得到銣-氙氣室原子磁力儀在測量靜磁場時由其自身引起的拉莫頻率不確定度約為1.104×10-4Hz,除以129Xe的旋磁比可得銣-氙氣室原子磁力儀靜磁場測量精度約為9.4pT.

靜磁場測量范圍可通過以下實驗給出.通過分別在±z軸方向不斷增強靜磁場強度,并采集相應(yīng)磁場強度下超極化129Xe的FID進行FFT,得到超極化129Xe信號強度隨靜磁場強度增加的變化曲線,如圖6所示.

圖6 超極化129Xe信號強度隨靜磁場強度的變化曲線Fig.6.The curve of the hyperpolarized 129Xe signal strength versus the static magnetic field strength.

由圖6可知,隨著靜磁場強度的增大,超極化129Xe的信號強度逐漸減小,當(dāng)磁場增大到恰好將信號淹沒于噪聲即FID數(shù)據(jù)進行FFT后的信噪比等于1,此時對應(yīng)的磁場強度為銣-氙氣室原子磁力儀所能測得的最大靜磁場強度.受限于所用電流源最大輸出電流與z軸勻場線圈結(jié)構(gòu)固定,實驗中所能施加的最大靜磁場強度為15.17μT,此時對應(yīng)FID的FFT的信噪比約為5400,噪聲強度約為1.62×10-5V,可進行正常的靜磁場測量.利用帶寬公式對圖中數(shù)據(jù)進行擬合,其中SFFT(Bz)為靜磁場強度取Bz時對應(yīng)的信號強度,a,b為常數(shù).根據(jù)擬合結(jié)果,在地磁場50μT的磁場強度下,信號強度約為0.026V.由4.1節(jié)可知,銣-氙氣室原子磁力儀對相同磁場強度的響應(yīng)隨頻率增大而減小,同理對相同噪聲,50μT靜磁場下超極化129Xe拉莫頻率位置處的噪聲響應(yīng)要比15.17μT處的小,在50μT靜磁場處的信噪比大于160,仍可正常進行靜磁場測量.這說明銣-氙氣室原子磁力儀的靜磁場測量范圍大于50μT,同時驗證了其在地磁場環(huán)境下依舊可以進行靜磁場測量.

5 結(jié) 論

本文對自主搭建的銣-氙氣室原子磁力儀系統(tǒng)測量交流磁場與靜磁場的能力分別進行了實驗標(biāo)定.對于交流磁場測量,實驗上測得在2100 Hz頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)磁場測量靈敏度約為磁場測量帶寬約2.8 kHz.對于靜磁場測量,實驗標(biāo)定結(jié)果給出系統(tǒng)靜磁場測量精度約為9.4 pT,測量范圍超過50 μT.本文在標(biāo)定系統(tǒng)靜磁場測量精度時,考慮了精密電流源不穩(wěn)定性的影響,該做法對其他磁力儀靜磁場測量精度的標(biāo)定具有借鑒意義.相比SERF原子磁力儀[8],銣-氙氣室原子磁力儀測量交流磁場的頻率范圍更廣;靜磁場測量可在地磁場下進行,且磁場測量值的給出無需借助系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù).銣-氙氣室原子磁力儀具有與SERF原子磁力儀不同的磁場測量特點,具有廣泛的應(yīng)用前景.此外,其可作為共磁力儀系統(tǒng),開展電偶極矩測量[35,36]、原子自旋陀螺儀慣性測量[29,37]、核磁共振探測軸子[38,39]等方面的基礎(chǔ)物理研究.