一種基于雙平面線圈的集成化原子磁力儀

本發明涉及量子磁測量，具體涉及一種基于雙平面線圈的集成化原子磁力儀。

背景技術：

1、傳統的磁力儀，例如磁通門磁力儀、巨磁阻抗磁力儀以及感應式磁力儀，雖然在一定程度上能滿足磁場測量的需求，但由于其精度限制，難以在ft～pt量級的生物弱磁測量中發揮作用。生物弱磁測量對于磁場探測的精度要求極高，這促使了新技術的發展與探索。在過去的幾十年里，超導量磁干涉磁力儀(squid)在這一領域占據了主導地位。然而，squid的顯著缺點在于其需要在液氦冷卻環境下工作，這增加了其造價與使用成本。應用方面，squid的測量距離受限于液氦存儲空間，而對于較小磁源，其磁場隨距離的增加而迅速衰減，對測量產生了不利影響。

2、近年來，隨著量子精密測量技術的快速發展，一種新型的磁力儀——原子磁力儀，尤其是基于堿金屬蒸汽的電子自旋測量原理的原子磁力儀，顯示出其極高的探測靈敏度，已接近甚至在某些方面超越了squid磁力儀。原子磁力儀不僅能在常溫下工作，無需液氦冷卻，大大降低了制造與使用成本，而且其核心探測元件原子氣室與探測端面間的距離可壓縮至1cm以下，更適合進行生物弱磁測量。

3、特別是serf原子磁力儀，其靈敏度極高，且能在常溫下穩定工作，易于集成，非常適合生物磁場測量。然而，serf原子磁力儀需要在高溫且接近零磁場的條件下工作，其穩定工作的磁場范圍通常在±5nt以內。為了實現這一條件，通常需要外加三維磁場補償線圈來抵消磁屏蔽內的剩余磁場。現有的解決方案通常采用規則的矩形或圓形三維線圈進行補償，如方形三維亥姆霍茲線圈等。雖然這些線圈能在其中心產生較為均勻的磁場，但由于需要在三個方向上設計相應的機械結構來構建線圈，這在提高集成化或微型化serf原子磁力儀的研究中造成了困難，而且會增加探測中心，即氣室和磁源的距離。

技術實現思路

1、為了解決這一問題，本發明提出了一種基于目標場法設計的雙平面線圈。這種線圈僅分布在原子氣室的一對平行端面上，通過三組平面線圈即可對原子氣室空間內的三維磁場進行補償，從而實現零場環境。這種設計在集成化探測器研制中具有顯著的便利性，特別適合于設計基于微小型氣室的微型原子磁力儀探測器。

2、一種基于雙平面線圈的集成化原子磁力儀，包括：依次設置的垂直腔面發射激光器、準直單元、線偏振片、圓偏振片、第一雙平面線圈、透明加熱片、陽極鍵合的原子氣室、第二雙平面線圈和光電探測器；

3、所述的第一雙平面線圈、透明加熱片、陽極鍵合的原子氣室和第二雙平面線圈膠合在一起。所述第一雙平面線圈、透明加熱片和第二雙平面線圈均采用透明材料制作，保證激光可正常通過膠合整體并進入光電探測器。所述第一雙平面線圈與第二雙平面線圈包含成對的x方向雙平面線圈、y方向雙平面線圈及z方向雙平面線圈，其中每對線圈在所述陽極鍵合的原子氣室空間產生相應方向的均勻磁場，用于環境磁場補償，也可兼用于射頻調制磁場輸出。所述透明加熱片為雙層蛇形走線透明導電材料制作，蛇形走線的方式可抵消加熱電流產生的剩余磁場，雙層走線電流方向相反進一步抵消加熱電流產生的剩余磁場，從而不影響外磁場測量，可加熱陽極鍵合原子氣室至150～200℃。

4、所述陽極鍵合原子氣室外尺寸為8×8×3mm，內為直徑3mm厚度2mm的圓柱形氣室，充有飽和銣蒸汽與300托n2作為緩沖氣體，穩定加熱后原子氣室內部原子數密度可達1014個/cm3。原子氣室為磁測量核心，其中心與外測量端面間僅包含第二雙平面線圈與光電探測器，實際研制中可控制二者厚度小于3mm，低于現有技術6mm的測量距離。調節第一雙平面線圈與第二雙平面線圈的直流量，實現陽極鍵合原子氣室內的磁場補償，控制射頻幅值實現原子極化調制最終實現serf原子磁力儀構建。

5、所述的第一雙平面線圈和第二雙平面線圈形成三維雙平面線圈組。

6、第一雙平面線圈包括：依次膠合x方向線圈走線部分、第一絕緣層、y方向線固走線部分、第二絕緣層以及z方向線圈走線部分。

7、所述的x方向線圈走線部分、y方向線固走線部分和z方向線圈走線部分均布置有兩條引線；

8、所述的透明加熱片布置有兩條引線。

9、所述的x方向線圈走線部分的兩條引線、y方向線固走線部分的兩條引線和z方向線圈走線部分的兩條引線以及透明加熱片的兩條引線從所述第一雙平面線圈的四個側面引出，一個側面對應兩條引線。

10、第二雙平面線圈包括：依次膠合x方向線圈走線部分、第一絕緣層、y方向線固走線部分、第二絕緣層以及z方向線圈走線部分。

11、所述的x方向線圈走線部分、y方向線固走線部分和z方向線圈走線部分均布置有兩條引線。

12、所述的x方向線圈走線部分的兩條引線、y方向線固走線部分的兩條引線和z方向線圈走線部分的兩條引線從所述第二雙平面線圈的三個側面引出，一個側面對應兩條引線。

13、所述第一雙平面線圈包含三層線圈部分，每層線圈厚度在百納米量級，石英基板厚度在百微米量級，第一雙平面線圈與第二雙平面線圈厚度均可控制在1mm。第一雙平面線圈與第二雙平面線圈包含成對的x方向雙平面線圈、y方向雙平面線圈及z方向雙平面線圈，每隊線圈產生對應方向均勻磁場。磁場探測核心部分原子氣室中心到光電探測器外表面距離可壓縮至3mm，低于目前報道的6mm，利于弱磁信號測量。

14、與現有技術相比，本發明具有如下優點：

15、本發明中，原子氣室到外測量端面距離小于現有技術，磁場隨距離快速衰減，此優勢可提升弱磁信號測量的信噪比；集成探測器外尺寸小于10×10×10mm，小于現有技術，在神經、細胞、藥物或腫瘤定位等小體積弱磁測量中可更加靈活的完成弱磁測量，在多通道測量中可大幅度增強采樣密度，提升磁定位精度。

技術特征：

1.一種基于雙平面線圈的集成化原子磁力儀，其特征在于，包括：依次設置的垂直腔面發射激光器、準直單元、線偏振片、圓偏振片、第一雙平面線圈、透明加熱片、陽極鍵合的原子氣室、第二雙平面線圈和光電探測器；

2.根據權利要求1所述的基于雙平面線圈的集成化原子磁力儀，其特征在于，所述的第一雙平面線圈和第二雙平面線圈形成三維雙平面線圈組。

3.根據權利要求1所述的基于雙平面線圈的集成化原子磁力儀，其特征在于，第一雙平面線圈包括：依次膠合x方向線圈走線部分、第一絕緣層、y方向線固走線部分、第二絕緣層以及z方向線圈走線部分。

4.根據權利要求3所述的基于雙平面線圈的集成化原子磁力儀，其特征在于，所述的x方向線圈走線部分、y方向線固走線部分和z方向線圈走線部分均布置有兩條引線；

5.根據權利要求4所述的基于雙平面線圈的集成化原子磁力儀，其特征在于，所述的x方向線圈走線部分的兩條引線、y方向線固走線部分的兩條引線和z方向線圈走線部分的兩條引線以及透明加熱片的兩條引線從所述第一雙平面線圈的四個側面引出，一個側面對應兩條引線。

6.根據權利要求1所述的基于雙平面線圈的集成化原子磁力儀，其特征在于，第二雙平面線圈包括：依次膠合x方向線圈走線部分、第一絕緣層、y方向線固走線部分、第二絕緣層以及z方向線圈走線部分。

7.根據權利要求6所述的基于雙平面線圈的集成化原子磁力儀，其特征在于，所述的x方向線圈走線部分、y方向線固走線部分和z方向線圈走線部分均布置有兩條引線。

8.根據權利要求7所述的基于雙平面線圈的集成化原子磁力儀，其特征在于，所述的x方向線圈走線部分的兩條引線、y方向線固走線部分的兩條引線和z方向線圈走線部分的兩條引線從所述第二雙平面線圈的三個側面引出，一個側面對應兩條引線。

技術總結
本發明公開了一種基于目標場法設計的雙平面線圈，包括：依次設置的垂直腔面發射激光器、準直單元、線偏振片、圓偏振片、第一雙平面線圈、透明加熱片、陽極鍵合的原子氣室、第二雙平面線圈和光電探測器；所述的第一雙平面線圈、透明加熱片、陽極鍵合的原子氣室和第二雙平面線圈膠合在一起。本發明中，這種線圈僅分布在原子氣室的一對平行端面上，通過三組平面線圈即可對原子氣室空間內的三維磁場進行補償，從而實現零場環境。這種設計在集成化探測器研制中具有顯著的便利性，特別適合于設計基于微小型氣室的微型原子磁力儀探測器。

技術研發人員：李衎,何祥,李飛,陳材,馬月亮,許振遠,吳樂園,鄭文強
受保護的技術使用者：浙江工業大學
技術研發日：
技術公布日：2024/9/9