文献综述(或调研报告):
近年来高灵敏度的原子磁力仪不仅广泛应用于生物医学､空间探测､工业检测等磁检测领域,而且还应用于航海､航空､汽车导航等惯性导航系统中｡随着微电子机械系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)技术的不断发展,原子磁力仪的灵敏度指标､体积大小､能耗指标都在不断提升｡近年来,在地质探测､空间探测以及诸多应用需求推动下,新型高灵敏度､小型化原子磁力仪的研究不断推进,正成为磁力仪器的新生力军｡
利用光泵浦探测碱金属原子极化状态来实现高灵敏度磁场测量的技术已经有超过半个世纪的历史了,该技术由H.G.Dehmelt和W.E.Bell等人开创,后经C.Cohen-Tannoudji等人进一步发展｡该方法的基本思想是,使用与光学共振跃迁接近的激光来光泵浦基态原子,使其产生长寿命取向或更高阶矩,激发态原子随后在待测磁场中进行拉莫尔自旋进动｡该进动改变了原子的光吸收和色散特性,通过测量透过原子介质的检测光的强度或偏振态的变化,即可实现拉莫尔频率的测量,进而反推出待测磁场｡近年来谐振磁光学和原子磁力仪持续繁荣发展｡特别是,一方面可靠､小型､便宜､易于调谐的二极管激光器的不断出现;另一方面制作具有更长基态弛豫时间(在某些情况下约1s)的浓缩原子蒸气的技术进一步细化｡这些技术进步已经使原子磁力仪达到了相当高的灵敏度,甚至超过曾经主导灵敏磁力仪领域多年的基于超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)的磁力仪｡原子磁力仪具有不需要低温冷却的内在优点,并且具有显著的小型化潜力｡与通过拾波回路测量磁通量的SQUID相比,原子磁力仪直接测量磁场,结果更为直观准确｡目前,最敏感的光学原子磁力仪是自 旋交换弛豫(spin-exchange-relaxationfree,SERF)磁力仪,其演示灵敏度超过10^-15T/Hz^1/2,预计基准极限低于10^-17T/Hz^1/2｡SERF磁力仪还具有以毫米分辨率进行空间分辨测量的可能性｡
目前作为磁力仪的新生力量,光泵原子磁力仪处于起步阶段｡国内方面,浙江大学的Q.Lin研究小组采用铷原子气室,用低功率的激光二极管光源搭建了一套基于磁光效应的全光学原子磁传感器系统,获得了0.5pT/Hz^1/2的灵敏度;中国科学技术大学D.Sheng等人制备了微结构的光泵磁力梯度计,其灵敏度达到5fT/Hz^1/2｡北京大学详细讨论了铯光泵磁力仪的参数优化问题, 得到最优的灵敏度为2.5 pT/Hz^1/2 ; 国防科学技术大学研制了NMOR 铷原子磁力仪, 测量范围为plusmn;60 nT, 灵敏度达到1 pT/Hz^1/2 , 后来经过进一步优化实验条件, 灵敏度达到0.2 pT/Hz^1/2.国外方面,学界对原子磁力仪的研究主要还停留在实验室阶段｡美国华盛顿大学J.C.Allred等人联合普林斯顿大学M.V.Romalis研究团队制作了利用光学方法测量磁场的磁力仪,其灵敏度达到00.45fT/Hz^1/2,通过优化后还可提高更高量级,空间分辨率能够达到毫米量级｡在弱磁场工作状态下灵敏度可达到10^-18T量级,比SQUID的灵敏度高三个数量级｡M.V.Romalis教授及其课题组成员理论计算分析了由于高磁导率屏蔽层而引起的噪声,优化了碱金属蒸气室涂层在极端高温下的极化参数条件,提高了极化寿命,阐述了铯原子制作的磁力仪的工作原理和提高其性能的办法,制备出一种基于反馈系统的非屏蔽式碱金属矢量磁力仪,可实现独立测量磁场三维分量｡
但同时高精度原子磁力仪的标定与测量需要在稳场环境中进行｡常见的匀场线圈如亥姆霍兹线圈,鞍型线圈等不能补偿空间不均匀的梯度场,不能匹配皮特斯拉乃至飞特斯拉级别器件的精度,因此在磁测量领域对多阶梯度线圈及高精度控制电路提出了要求｡目前在形成高均匀度的匀强磁场方面也存在多种问题｡首先,常见的亥姆霍兹线圈因为其产生的匀强磁场区域有限,而磁场不均匀性又会使腔室内存在磁场梯度导致信号减弱｡其次,线圈需要通电才能产生磁场,而电力线会存在磁噪声尤其是交流磁场噪声可能过大从而影响测试结果｡再次,测试设备的温度稳定性也会受到Johnson noise的影响,也会影响到磁力仪内部的工作｡最后探测磁场范围也存在限制,当磁场较大时,非线性塞曼分裂会加剧｡
目前一般用线圈来产生匀强磁场,其中最为常见的是螺线管线圈和亥姆霍兹线圈｡无限长的螺线管线圈可以产生理想的均匀磁场,但实际应用中线圈的尺寸总是有限的,导致其产生的磁场均匀度变差;亥姆霍兹线圈结构简单,尺寸小,但产生的磁场均匀区较小｡
本次毕业设计将基于匀场线圈及其配套电路的研究为课题｡主要任务及目标为:熟悉和掌握线圈几何参数对磁场均匀度的影响,熟悉高精度补偿电路的设计,利用有限元仿真软件对线圈设计进行仿真,设计并得到一套稳场系统,并与仿真比较｡
参考文献:
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
