微型化原子磁力仪灵敏度上限的原子气室尺寸依赖性分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)清华信息科学与技术国家实验室 作者:王皓

  本文通过分析碱金属原子在原子气室中的自旋弛豫作用,得出了原子磁力仪灵敏度上限受气室尺寸影响的理论模型。计算了不同气室尺寸下,工作物质为87Rb、工作温度为383.15 K 时缓冲气体Ar 的最优压强,此压强值随气室尺寸减小而快速增大。在此基础上,计算了不同气室尺寸下磁力仪灵敏度上限。结果表明,磁力仪灵敏度上限随原子气室尺寸减小而快速恶化,当气室直径由1 cm 减小到0.1 cm 时,磁力仪灵敏度上限由0.4 pT Hz-1/2 恶化为15 pT Hz-1/2。

  1、引言

  高灵敏度磁力仪在越来越多的领域得到广泛应用,如基础物理、地球科学研究、医学诊断等。相对于常用的超导量子磁力仪(SQU ID,superconducting quantum interference device),原子磁力仪无需低温、易于微型化,可制作成集成化的片上原子磁力仪(Chip-scale Atomic Magnetometer),成为近年来的研究热点。原子磁力仪的核心部件是储存工作物质原子的原子气室,其参数如气室尺寸、缓冲气体压强、工作温度等都会直接影响磁力仪的性能。传统原子气室使用玻璃吹制工艺制成,气室尺寸较大。

  近十多年来,通过将气室制作工艺与微纳加工工艺相结合,微型原子气室的尺寸可达亚毫米量级,这对原子磁力仪的微型化产生了巨大的推动作用。然而,原子气室尺寸的减小会严重影响磁力仪灵敏度上限。在微型化原子磁力仪的研究过程中,如何根据磁力仪的灵敏度要求选取适当的原子气室尺寸成为了亟待解决的问题。目前,在不同研究中所使用的原子气室尺寸差异较大,气室尺寸的选取多依靠实验经验,相关理论分析还很不完善。

  本文通过分析原子磁力仪的工作原理,对碱金属原子在原子气室中的自旋弛豫过程进行了深入分析,并通过理论计算探究了气室尺寸对原子磁力仪灵敏度上限的影响规律,为微型化原子磁力仪的优化设计提供理论依据。

  2、结论

  本文对微型化原子磁力仪灵敏度上限的气室尺寸依赖性进行了分析。通过分析碱金属原子在原子气室中的自旋弛豫过程,得出了原子磁力仪灵敏度上限受气室尺寸影响的理论模型。然后选取87Rb 作为磁力仪工作物质、气室材质为玻璃、Ar 为气室缓冲气体、工作温度为383.15K,计算得出不同气室尺寸下使87Rb 原子自旋弛豫时间最长的最优Ar 压强值,此最优压强值随气尺寸减小而快速增大。在此基础上,得到了不同气室尺寸下原子磁力仪灵敏度上限。

  计算结果表明,原子磁力仪的灵敏度上限随气室尺寸减小而快速下降,当原子气室直径由1cm 减小到0.1 cm时,磁力仪灵敏度上限由0.4pT Hz-1/2 恶化为15pT Hz-1/2。若磁力仪工作于SERF 模式,其灵敏度上限随气室尺寸的变化趋势不变,但相同条件下灵敏度上限较高,气室直径为0.1 cm 时其灵敏度上限为8 pT Hz-1/2。

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