宇航用原子磁力仪研究与应用进展

文章摘要：

磁场的测量对科学研究和人类生活具有重要作用，如地磁变化与地震关系、心脑磁场分布变化与心脑健康关系等。原子磁力仪是一类高精度的磁力仪，已经发展了多个原理的传感器，性能不断提升。文章主要论述了原子磁力仪的研究进展、应用现状、存在的问题和宇航用原子磁力仪发展建议，认为应进一步提高精度和灵敏度、加强轻小型化、标定测试方法和张量测量等研究，以促进中国磁场测量科学进步和应用对社会的贡献。

地球磁场是地球生命千万年所处的环境。1600年，英国的William Gilbert在《磁论》中第一次对指南针能指南的原因作出合理解释，并提出地球磁场的概念。

磁场是对人类健康、安全和工作能力具有严重影响的环境因素。地球磁层和大气层屏蔽了来自宇宙的高能粒子辐射，但是在空间，屏蔽减弱甚至失去屏蔽时，人和其他生物不可避免地遭受空间辐射。

近年来，地震等自然灾害造成的人员伤亡和重大财产损失已对中国经济社会发展形成严重影响，成为制约中国发展的主要隐患和不稳定因素。

地震临震时的地磁场变化对地震预 具有重要作用，其中磁场变化大于电场。因此，通过地面和空间相结合的地磁场异常测量对地震临震预 具有重要作用。

地磁爆时地球高层大气被加热上升，使得近地轨道大气密度显著增加，近地轨道航天器轨道衰减增大；同时空间中电子和离子的数量及能量增加，引起航天器表面和内部的充电效应，危害航天器安全。

地质调查和资源勘察方面，航空和地面磁测量是广泛使用的方法。利用磁场异常可以勘探矿产资源，尤其是深部矿产资源。

石油勘探需要测定基底深度，需要根据反映基底位置的微弱磁场异常信号来确定，因此对磁力仪的灵敏度要求很高。另外，磁场勘察也是探测古遗迹空间分布的一个主要方法。

在生物医学领域，利用高灵敏度的原子磁力仪测量心磁和脑磁分布对于心脏和脑部病变的定位诊断具有重要的作用。

在军事应用方面，磁场测量可以与惯性技术结合用于地磁匹配组合导航，机载磁场异常测量可以用于确定水下目标如潜艇、水下沉船、失事飞机等的精确位置，对于国防具有重要意义。

总之，磁场的精确测量在地壳活动引起的自然灾害预警、矿产资源勘探、心脑健康、太阳活动与电离层的相互作用对卫星的干扰研究以及现代国防信息化建设等方面具有十分重要的意义。

原子磁力仪研究进展

1832年，德国科学家Carl Friedrich Gauss提出首个磁场测量方案，通过磁针在磁场下的受力摆动状态来测量磁场大小，并完成对磁场的定量测量。之后随着需求和技术发展，形成了多种磁场测量方法。

根据测量原理分类，磁力仪可以分为两大类，一类是基于经典物理效应的磁力仪如磁通门磁力仪、感应线圈式磁力仪、霍尔元件、磁阻传感器等；另一类是基于量子物理效应的磁力仪，如各种原子磁力仪、超导量子干涉磁力仪等。

按照是否可以测量磁场矢量分类，磁力仪可以分为矢量磁力仪和标量磁力仪。

质子磁力仪是利用某些原子的原子核（如氢原子、氦3原子）作为磁敏介质进行磁场测量的一类磁力仪，包括传统的质子磁力仪和欧弗豪泽（Overhauser）磁力仪。

质子磁力仪距今已有近70年的研究历史，是最成熟的原子磁力仪，具有准确度高、稳定性好的优点。

1955年，美国研制了世界上第一台质子磁力仪。传统的质子磁力仪中，处于极化状态的氢原子处在待测磁场内，原子磁矩绕待测磁场做拉莫尔进动，进动频率与待测磁场成正比，表示为

式中，γΡ为质子的旋磁比，Β为待测磁场。

通过一个接收线圈将原子磁矩绕磁场的进动频率测量出来，即可得到待测磁场。

为了提高信噪比，极化磁场需要比地磁场大很多，因而传统质子磁力仪的功耗比较大。

由于需要极化一次测量一次，因此，传统质子磁力仪不能够连续测量。

欧弗豪泽磁力仪与传统质子磁力仪不同，它利用电子与质子的相互作用，把极化电子的磁矩传递给质子，完成对质子磁矩的极化，极化效果提高很多。

这种方法有效降低了极化场的功耗，并且实现极化和测量的同时进行，解决了传统质子磁力仪不能连续测量的问题，测量频率能达到数赫兹。

质子磁力仪和欧弗豪泽磁力仪已是成熟产品，绝对精度可达0.1 nT。

超导量子干涉磁力仪是一种基于迈斯纳效应、磁通量子化现象和约瑟夫森效应的量子磁力仪，通过外界磁通量变化引起环路电压变化来测量外磁场。

当外界磁通量发生变化时，包括约瑟夫森隧道结的超导闭合环路在合适的电流偏置条件下，约瑟夫森隧道结两端的电压是超导闭合环路中外磁通量变化的周期性函数，周期为单个磁通量子。

根据隧道结两端电压获得外界磁通量变化，进一步得到外界磁场变化。

超导量子干涉磁力仪是目前可用的最灵敏磁场测量仪器，其磁场灵敏度可达1 fT/Hz1/2。

它的不足是需要通过氦气制冷工作在超导状态，因其体积大、功耗大，很难在空间较小的平台上应用。

光泵原子磁力仪是以氦、铯、钾等元素的原子在外磁场中产生的塞曼分裂为基础，利用光泵和磁共振技术工作的一种原子磁力仪。

以氦光泵为例，外磁场作用下，亚稳态能级分裂为塞曼子能级，当圆偏振光将粒子数由亚稳态激发到激发态，激发态的原子只能跃迁回亚稳态23S1的mF=1的塞曼子能级上，形成最大极化，此时氦原子不再吸收泵浦光，泵浦光的透过率最高。

通过引入与亚稳态塞曼子能级差能量匹配的射频信号，产生磁共振作用，极化原子在亚稳态重新成为非极化状态，氦原子重新开始吸收泵浦光，且吸收最强。

吸收变化最大时刻对应的射频场频率，即为外磁场引起的塞曼子能级频移。

由于磁场和泵浦光方向垂直时光泵作用消失，光泵原子磁力仪存在盲区，不能全向测量。

另外，光泵原子磁力仪不能测量弱磁场，已有产品的绝对精度比质子磁力仪低一个数量级。

激光氦光泵磁力仪已实现了很高的灵敏度，美国P-2000型氦光泵磁力仪的灵敏度达到了0.1 pT/Hz1/2。

中国国土资源部航空物探遥感中心研制的HC-2000型航空氦光泵原子磁力仪灵敏度达到0.3 pT/Hz1/2。

北京大学研制的光泵原子磁力仪灵敏度也达到0.1 pT/Hz1/2。

中国船舶重工集团公司第715所研制的光泵原子磁力仪用于地磁台站和海洋磁测量，并将盲区减小了30°。

另外，吉林大学、浙江大学、哈尔滨工程大学和中国计量科学研究院等也都开展了光泵原子磁力仪的研究工作。

CPT原子磁力仪是基于相干布居囚禁效应和原子精细结构能级在磁场中的塞曼分裂现象的磁力仪。

原子的精细结构能级在外磁场作用下的塞曼分裂大小正比于外磁场。

以铷原子（87Rb）作工作介质为例，未加外磁场情况下，两个相干场在87Rb原子的D1线两个基态与激发态之间形成一个∧模型系统。

CPT原子磁力仪∧模型原理图

两个跃迁通道之间干涉引起的透射光谱中会出现一个共振信号，共振信号的频率间距与磁场强度成正比。

只需测得频率间距变化量，即可计算出磁场强度，表示为

式中，Β为待测外磁场的磁场强度，Δω为能级分裂后子能级（mF=0和mF=1）能量差对应的频率差，γ为原子的旋磁比。

CPT原子磁力仪的噪声表示为

式中，fBW为带宽，正比于弛豫时间的倒数；γ为原子的旋磁比；SNR为信号的信噪比。

可知，降低噪声或提高灵敏度需要增加原子的弛豫时间、提高信号的信噪比。

信噪比受到磁共振信号线宽和参与磁共振原子数的影响，因此需要选取合适的光源参数以减小磁共振信号线宽，通过给气室加热以提高参与磁共振的原子数。

另外，通过差分探测可抑制光路其他噪声。

为了增加原子的弛豫时间，需要在气室内加入缓冲气体减小原子之间以及原子和内壁的碰撞几率。

引入缓冲气体后，原子的频移表示为

式中，p为缓冲气体压强，β为参考温度点的压强系数，δ为压强随温度变化的一阶系数，k为压强随温度变化的二阶系数，ΔΤ为温度变化。

通常需要充入一定比例的两种气体，使两者的频移相反，从而将气体压强随温度变化引入的总频移控制为0。

1992年德国马克斯普朗克研究所提出CPT磁力仪方案，并理论预测其灵敏度可达到0.1 fT/Hz1/2。

此后，多个国家开展了CPT磁力仪研究。2004年美国研究了芯片级CPT原子磁力仪。

2011年美国Cox等利用电磁感应透明现象开展了矢量测磁研究。

2010年奥地利科学院空间研究所研制了耦合暗态磁力仪（Coupled Dark State Magnetometer，CDSM），实现了闭环控制，该技术2018年用于“张衡一号”01星。

北京航天控制仪器研究所研制了用于“张衡一号”02星的CPT原子磁力仪，2020年进一步研究了弱磁场下的测量性能和影响因素。

SERF原子磁力仪是基于原子自旋SERF态效应，利用光探测磁共振方法实现弱磁场精密测量的磁力仪。

SERF原子磁力仪具有超高灵敏度、小体积和低功耗等优点。

原子工作在SERF态时，原子的外磁场必须是极弱磁场，因此测量较大磁场时，必须利用线圈外加磁场来抵消环境磁场，使原子气室处于极弱磁场环境，根据3个正交线圈的反馈信号获得外界磁场矢量。

SERF原子磁力仪性能主要受到原子气室性能和碱金属原子SERF态控制方法的影响。

SERF原子磁力仪灵敏度极限受到散粒噪声的限制，表示为

式中，γ为碱金属原子旋磁比，n为原子密度，t为原子气室的碱金属原子自旋弛豫时间，V为原子气室体积，T为测量时间，t表示为

式中，Rex为碱金属原子间的自旋交换弛豫，Rsd为碱金属和缓冲气体原子之间的碰撞弛豫，Rgrd为磁场梯度引起的自旋弛豫，Rwall为碱金属原子与气室内壁碰撞导致的自旋弛豫。

2010年美国普林斯顿大学研发的SERF原子磁力仪，其钾原子气室的温度加热到200℃，实现了0.16 fT/Hz1/2的测量灵敏度，超过超导量子干涉磁力仪。

对于体积为7 cm3、工作温度为190℃的钾原子气室，SERF原子磁力仪的理论灵敏度可达到2×10-18 T/Hz1/2 。

美国已开发出测量范围5 nT，灵敏度15 fT/Hz1/2的产品。

国内仍处于技术研究阶段，其中北京航空航天大学的SERF原子磁力仪装置灵敏度达到8.89 fT/Hz1/2。

2019年北京航天控制仪器研究所研制的SERF原子磁力仪样机灵敏度达到50 fT/Hz1/2，探头体积55 cm3。

华中科技大学、吉林大学等也开展了SERF原子磁力仪的研究。

金刚石氮空位色心原子磁力仪的基本原理是将氮空位色心基态电子自旋制备到两个本征态的等幅叠加态上，待测磁场导致两个本征态相位的差异，再转化为粒子数分布读取出来，即可获得待测磁场。

这种磁力仪具有较高的灵敏度，基于单个色心测量磁场灵敏度可达nT量级，而基于色心系综的磁场测量灵敏度可达到0.1 pT量级，其突出优点是磁场测量空间分辨率可达到亚纳米。

原子磁力仪应用现状

空间磁场探测一直是空间科学探测的主要领域之一。

从1958年开始，国外陆续开展了地球和其他行星的空间磁场探测。

1 地球磁场探测

相对于传统的基站磁测、地表移动磁测和航空磁测，卫星磁测具有数据连贯性好、测量范围广等优点。

通过卫星磁测，在很短的时间内，就可以获得整个地球磁场的资料。

国内外相继发射了多颗电磁探测卫星，获取了地球中低轨道的地磁数据，建立了地球磁场模型。

1958年苏联发射了世界上第一颗测量地磁场的卫星（“人造地球卫星”3号），获得了地磁总强度。

1979年10月美国成功发射一颗地磁卫星MAGSAT。

载荷包括磁通门矢量磁力仪和铯光泵标量磁力仪，每秒分别采样16次和8次。磁场分量的测量精度为6 nT，总磁场的测量精度为2 nT 。

1999年2月丹麦发射了奥斯特（Osrted）卫星，主要科学载荷为一台欧弗豪泽磁力仪和一台磁通门磁力仪，欧弗豪泽磁力仪的精度优于0.5 nT。

Osrted卫星的科学研究结果证实了地球磁极的漂移。

2000年7月德国发射了挑战性小卫星有效载荷（CHAMP）卫星，可估算地球及地壳磁场及其随时间、空间的变化。载荷中质子磁力仪测量范围16000~64000 nT，分辨率0.1 nT，绝对精度0.5 nT，采样速率1 Hz。

根据CHAMP卫星测量结果绘制的400 km高度地磁异常图（标量）

2013年欧洲航天局完成空间气象先进研究任务（SWARM）卫星群3颗卫星发射。

星载磁场测量设备中标量磁力仪（包括氦光泵原子磁力仪和质子磁力仪）精度为0.3 nT，分辨率0.1 nT。

2018年2月中国发射了“张衡一号”电磁监测试验卫星01星，