CN118604695A - 一种基于双平面线圈的集成化原子磁力仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于目标场法设计的双平面线圈，包括：依次设置的垂直腔面发射激光器、准直单元、线偏振片、圆偏振片、第一双平面线圈、透明加热片、阳极键合的原子气室、第二双平面线圈和光电探测器；所述的第一双平面线圈、透明加热片、阳极键合的原子气室和第二双平面线圈胶合在一起。本发明中，这种线圈仅分布在原子气室的一对平行端面上，通过三组平面线圈即可对原子气室空间内的三维磁场进行补偿，从而实现零场环境。这种设计在集成化探测器研制中具有显著的便利性，特别适合于设计基于微小型气室的微型原子磁力仪探测器。
Description
技术领域
本发明涉及量子磁测量技术领域，具体涉及一种基于双平面线圈的集成化原子磁力仪。
背景技术
传统的磁力仪，例如磁通门磁力仪、巨磁阻抗磁力仪以及感应式磁力仪，虽然在一定程度上能满足磁场测量的需求，但由于其精度限制，难以在fT～pT量级的生物弱磁测量中发挥作用。生物弱磁测量对于磁场探测的精度要求极高，这促使了新技术的发展与探索。在过去的几十年里，超导量磁干涉磁力仪(SQUID)在这一领域占据了主导地位。然而，SQUID的显著缺点在于其需要在液氦冷却环境下工作，这增加了其造价与使用成本。应用方面，SQUID的测量距离受限于液氦存储空间，而对于较小磁源，其磁场随距离的增加而迅速衰减，对测量产生了不利影响。
近年来，随着量子精密测量技术的快速发展，一种新型的磁力仪——原子磁力仪，尤其是基于碱金属蒸汽的电子自旋测量原理的原子磁力仪，显示出其极高的探测灵敏度，已接近甚至在某些方面超越了SQUID磁力仪。原子磁力仪不仅能在常温下工作，无需液氦冷却，大大降低了制造与使用成本，而且其核心探测元件原子气室与探测端面间的距离可压缩至1cm以下，更适合进行生物弱磁测量。
特别是SERF原子磁力仪，其灵敏度极高，且能在常温下稳定工作，易于集成，非常适合生物磁场测量。然而，SERF原子磁力仪需要在高温且接近零磁场的条件下工作，其稳定工作的磁场范围通常在±5nT以内。为了实现这一条件，通常需要外加三维磁场补偿线圈来抵消磁屏蔽内的剩余磁场。现有的解决方案通常采用规则的矩形或圆形三维线圈进行补偿，如方形三维亥姆霍兹线圈等。虽然这些线圈能在其中心产生较为均匀的磁场，但由于需要在三个方向上设计相应的机械结构来构建线圈，这在提高集成化或微型化SERF原子磁力仪的研究中造成了困难，而且会增加探测中心，即气室和磁源的距离。
发明内容
为了解决这一问题，本发明提出了一种基于目标场法设计的双平面线圈。这种线圈仅分布在原子气室的一对平行端面上，通过三组平面线圈即可对原子气室空间内的三维磁场进行补偿，从而实现零场环境。这种设计在集成化探测器研制中具有显著的便利性，特别适合于设计基于微小型气室的微型原子磁力仪探测器。
一种基于双平面线圈的集成化原子磁力仪，包括：依次设置的垂直腔面发射激光器、准直单元、线偏振片、圆偏振片、第一双平面线圈、透明加热片、阳极键合的原子气室、第二双平面线圈和光电探测器；
所述的第一双平面线圈、透明加热片、阳极键合的原子气室和第二双平面线圈胶合在一起。所述第一双平面线圈、透明加热片和第二双平面线圈均采用透明材料制作，保证激光可正常通过胶合整体并进入光电探测器。所述第一双平面线圈与第二双平面线圈包含成对的X方向双平面线圈、Y方向双平面线圈及Z方向双平面线圈，其中每对线圈在所述阳极键合的原子气室空间产生相应方向的均匀磁场，用于环境磁场补偿，也可兼用于射频调制磁场输出。所述透明加热片为双层蛇形走线透明导电材料制作，蛇形走线的方式可抵消加热电流产生的剩余磁场，双层走线电流方向相反进一步抵消加热电流产生的剩余磁场，从而不影响外磁场测量，可加热阳极键合原子气室至150～200℃。
所述阳极键合原子气室外尺寸为8×8×3mm，内为直径3mm厚度2mm的圆柱形气室，充有饱和铷蒸汽与300托N2作为缓冲气体，稳定加热后原子气室内部原子数密度可达1014个/cm3。原子气室为磁测量核心，其中心与外测量端面间仅包含第二双平面线圈与光电探测器，实际研制中可控制二者厚度小于3mm，低于现有技术6mm的测量距离。调节第一双平面线圈与第二双平面线圈的直流量，实现阳极键合原子气室内的磁场补偿，控制射频幅值实现原子极化调制最终实现SERF原子磁力仪构建。
所述的第一双平面线圈和第二双平面线圈形成三维双平面线圈组。
第一双平面线圈包括：依次胶合X方向线圈走线部分、第一绝缘层、Y方向线固走线部分、第二绝缘层以及Z方向线圈走线部分。
所述的X方向线圈走线部分、Y方向线固走线部分和Z方向线圈走线部分均布置有两条引线；
所述的透明加热片布置有两条引线。
所述的X方向线圈走线部分的两条引线、Y方向线固走线部分的两条引线和Z方向线圈走线部分的两条引线以及透明加热片的两条引线从所述第一双平面线圈的四个侧面引出，一个侧面对应两条引线。
第二双平面线圈包括：依次胶合X方向线圈走线部分、第一绝缘层、Y方向线固走线部分、第二绝缘层以及Z方向线圈走线部分。
所述的X方向线圈走线部分、Y方向线固走线部分和Z方向线圈走线部分均布置有两条引线。
所述的X方向线圈走线部分的两条引线、Y方向线固走线部分的两条引线和Z方向线圈走线部分的两条引线从所述第二双平面线圈的三个侧面引出，一个侧面对应两条引线。
所述第一双平面线圈包含三层线圈部分，每层线圈厚度在百纳米量级，石英基板厚度在百微米量级，第一双平面线圈与第二双平面线圈厚度均可控制在1mm。第一双平面线圈与第二双平面线圈包含成对的X方向双平面线圈、Y方向双平面线圈及Z方向双平面线圈，每队线圈产生对应方向均匀磁场。磁场探测核心部分原子气室中心到光电探测器外表面距离可压缩至3mm，低于目前报道的6mm，利于弱磁信号测量。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明中，原子气室到外测量端面距离小于现有技术，磁场随距离快速衰减，此优势可提升弱磁信号测量的信噪比；集成探测器外尺寸小于10×10×10mm，小于现有技术，在神经、细胞、药物或肿瘤定位等小体积弱磁测量中可更加灵活的完成弱磁测量，在多通道测量中可大幅度增强采样密度，提升磁定位精度。
附图说明
图1为双平面线圈替换规则线圈结构；
图2为三维双平面线圈设计示意图；
图3为X方向匀场线圈示例；
图4为基于透明ITO材料的三维双平面线圈设计方案；
图5为微型SERF磁力仪系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明设计思路如图1所示，使用原子工作波长透明的铟锡氧化物(ITO)材料(但不限于ITO材料)作为导电线圈材料构建三组双平面线圈，替换常规SERF磁力仪的磁场补偿线圈，如FPC或铜导线。三组双平面线圈可在笛卡尔坐标系下实现对原子气室X、Y、Z三方向剩余磁场进行补偿。这种磁补偿方式没有复杂的线圈结构，不影响SERF磁力仪光路，可大幅度提高原子磁力仪的集成化尺度。并可以大幅降低原子气室与探测端面的距离，降低因距离导致的待探测磁场信号幅度的衰减。
本发明所涉及的集成化原子磁力仪主要包括光路部分、原子气室部分、平面三维磁补偿/射频线圈部分和信号探测部分。所述光路部分光源为87Rb原子D1线的线偏振激光(以工作原子选择激光，本专利以Rb87原子为例)，经圆偏振片调节为圆偏振光，随后进入原子气室与原子相互作用，最后经光电探测器接收。
所述原子气室部分为充有碱金属的原子气室，可以是K，Rb，Cs的一种或者多种，本发明以Rb原子为例。原子气室内充有氮气作为缓冲或淬灭气体。
所述平面三维磁补偿/射频线圈部分为三组双平面线圈，空间结构如图2所示。所述平面线圈采用目标场法，其基本思想是利用傅里叶变换理论将两个平行平面上的电流密度分布与目标磁场或目标区域的场梯度关联起来，通过最小化某个代价函数(CostFunction)来反演电流密度分布。代价函数通常以目标磁场的拟合误差与线圈的总能量或电感的加权和的形式表示。使用连续流函数构造离散线圈，定义流函数为电流密度函数的矢量势，那么其等高线即为导线位置，所述三维磁场线圈，均可通过上述方法设计，图3为X方向匀场线圈设计示意样图。本发明针对原子气室空间设计磁场，故目标场空间为原子气室内的空间，目标磁场为三方向均匀磁场，以原子气室外加热与保温层尺寸为平面线圈平面，依次设计X方向匀场线圈，Y方向匀场线圈与Z方向匀场线圈。所述磁场补偿通过电流源直流部分控制，所述极化射频磁场通过电流源交流部分控制，从而实现三轴磁场补偿的同时完成射频调制磁场的施加。所述信号探测部分主要包括光电探测器与锁相放大器，光与原子相互作用后磁场信息涵盖在光强信号内，经过放大电路放大后由锁相放大器解调得到原子探测到的实时磁场信号。
实施例
本发明微型SERF磁力仪系统主要包括四大部分：光路部分、原子气室部分、平面三维磁补偿/射频线圈部分和信号探测部分。其中原子磁力仪具体包含垂直腔面发射激光器1，准直单元2，线偏振片3，圆偏振片4，三维双平面线圈组5，加热片6，阳极键合的小型化原子气室7与光电探测器8。
一、光路部分：垂直腔面发射激光器产生一束激光，经过光学准直单元转换成一个准直光斑，根据激光器偏振抑制比参数选择是否使用通过线偏振片进行偏振纯化，线偏振片纯化得到一束准直的线偏振光，所述线偏振光经过四分之一波片转换为准直均匀的圆偏振光，所述圆偏振光准直进入原子气室用于泵浦极化原子气室，最终出射光被光电探测器接收。整体设计图如图5。
二、原子气室部分7：原子气室优选为基于阳极键合的微气室，气室内充有饱和碱金属气体与淬灭气体，淬灭气体主要有氮气，也可适量充入氦气增加缓冲效果延长原子的横向弛豫时间提升磁力仪灵敏度。无磁加热片贴于气室一侧或者两侧，用于加热原子气室。其中无磁加热片采用交流电加热方式。优选采用透明导电材料，如铟锡氧化物，作为加热线圈材料，以实现通光的作用。
三、平面三维磁补偿/射频线圈部分：将原子气室及加热片置于该平面三维磁补偿线圈中，通过线圈设计保证原子气室处磁场均匀性，沿着x、y和z三轴方向，补偿测量区剩余磁场至SERF磁力最佳工作区间，并能输出交流射频调制磁场用于调制原子极化矢量。该线圈分上下对称两部分(第一双平面线圈、第二双平面线圈)，如图4所示为第一双平面线圈的设计结构。
四、线圈制备方法：制备采用石英玻璃等对工作波长吸收系数低的材料作为基板。针对Rb87原子，优选玻璃。线圈材料采用对工作波长吸收系数低的导电材料，优选铟锡氧化物，通过上述方法进行设计线圈走线。图4中基板的虚线框内为线圈图案区域，线圈的端口从黑色部分引出。从基板开始依次制备第一层线圈层，并在边缘留出电极端口；两层线圈层之间制备绝缘层，例如使用原子层沉积技术沉积氧化铝绝缘薄膜，该绝缘层覆盖线圈走线部分(即虚线框内部)，露出电极部分；之后依次制备另外两个方向的线圈层以及线圈层之间的绝缘层。
五、信号探测部分是通过光电探测器将光强改变信号转换成电信号，经过放大电路采集后输入锁相放大器中解调得到原子气室探测到的磁场信号，实现磁场信息的测量。
Claims (8)
1.一种基于双平面线圈的集成化原子磁力仪，其特征在于，包括：依次设置的垂直腔面发射激光器、准直单元、线偏振片、圆偏振片、第一双平面线圈、透明加热片、阳极键合的原子气室、第二双平面线圈和光电探测器；
所述的第一双平面线圈、透明加热片、阳极键合的原子气室和第二双平面线圈胶合在一起。
2.根据权利要求1所述的基于双平面线圈的集成化原子磁力仪，其特征在于，所述的第一双平面线圈和第二双平面线圈形成三维双平面线圈组。
3.根据权利要求1所述的基于双平面线圈的集成化原子磁力仪，其特征在于，第一双平面线圈包括：依次胶合X方向线圈走线部分、第一绝缘层、Y方向线固走线部分、第二绝缘层以及Z方向线圈走线部分。
4.根据权利要求3所述的基于双平面线圈的集成化原子磁力仪，其特征在于，所述的X方向线圈走线部分、Y方向线固走线部分和Z方向线圈走线部分均布置有两条引线；
所述的透明加热片布置有两条引线。
5.根据权利要求4所述的基于双平面线圈的集成化原子磁力仪，其特征在于，所述的X方向线圈走线部分的两条引线、Y方向线固走线部分的两条引线和Z方向线圈走线部分的两条引线以及透明加热片的两条引线从所述第一双平面线圈的四个侧面引出，一个侧面对应两条引线。
6.根据权利要求1所述的基于双平面线圈的集成化原子磁力仪，其特征在于，第二双平面线圈包括：依次胶合X方向线圈走线部分、第一绝缘层、Y方向线固走线部分、第二绝缘层以及Z方向线圈走线部分。
7.根据权利要求6所述的基于双平面线圈的集成化原子磁力仪，其特征在于，所述的X方向线圈走线部分、Y方向线固走线部分和Z方向线圈走线部分均布置有两条引线。
8.根据权利要求7所述的基于双平面线圈的集成化原子磁力仪，其特征在于，所述的X方向线圈走线部分的两条引线、Y方向线固走线部分的两条引线和Z方向线圈走线部分的两条引线从所述第二双平面线圈的三个侧面引出，一个侧面对应两条引线。
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