張 鵬， 陳洪娟， 桂永雷， 孫立凱， 邵志強(qiáng)， 崔洪亮

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

原子磁傳感器原子氣室無(wú)磁控溫技術(shù)*

張 鵬1,2,3， 陳洪娟1,2， 桂永雷3， 孫立凱3， 邵志強(qiáng)3， 崔洪亮3

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對(duì)原子磁傳感器堿金屬原子氣室對(duì)無(wú)磁加熱的需求，解決磁力儀共振譜線(xiàn)信號(hào)信噪比低的問(wèn)題，使用了差分對(duì)的布線(xiàn)方法，采用微加工膜工藝，在陶瓷基板上制備了方形純銅材質(zhì)的無(wú)磁加熱線(xiàn)圈。使用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件分析了線(xiàn)圈在2.2 mA直流條件下產(chǎn)生的附加穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)分布情況，結(jié)合Pro/Engineer軟件構(gòu)建的銅質(zhì)氣室固定支架及其熱仿真分析結(jié)果，得到了比較理想的加熱線(xiàn)圈固定位置。進(jìn)一步分析確定了20 kHz交流加熱方案，最終制作完成了具有3W加熱功率和0.1℃控溫精度的無(wú)磁加熱器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該加熱器瞬時(shí)磁擾動(dòng)為2.24 pT，滿(mǎn)足原子氣室無(wú)磁加熱要求。其結(jié)果對(duì)原子磁傳感器氣室的設(shè)計(jì)及工作參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)具有一定的參考意義。

原子磁傳感器； 原子氣室； 無(wú)磁加熱； 加熱線(xiàn)圈； 磁擾動(dòng)

0 引 言

高靈敏度磁力儀具有在地球物理勘探[1]、輔助導(dǎo)航[2]、醫(yī)學(xué)疾病診斷[3]、生物磁信號(hào)檢測(cè)[4]、物質(zhì)分析[5]、水下探測(cè)[6]到深空探測(cè)[7]的廣泛應(yīng)用前景，近年來(lái)已經(jīng)獲得越來(lái)越多的關(guān)注。其中，光學(xué)泵浦原子磁力儀(optically pumped atomic magnetometers,OPAMs)更是引起了相當(dāng)大的關(guān)注。其在自旋—交換—弛豫自由(spin-exchange relaxation free,SERF)條件下具有高達(dá)0.01 fT/Hz1/2的理論靈敏度[8～10]，并且不需要低溫冷卻，使得測(cè)量系統(tǒng)具有更小的體積和更低的成本，很有希望替代先前的超導(dǎo)量子干涉裝置(superconducting quantum interference devices,SQUID)磁力儀，用于諸如腦磁圖(magnetoencephalo-graphy,MEG)和磁心動(dòng)描記(magnetocardiography,MCG)等生物磁測(cè)量[11]領(lǐng)域。在超低磁場(chǎng)磁共振成像(ultra-low-field magnetic resonance imaging,ULF-MRI)測(cè)量[12]中，必須檢測(cè)微弱的低頻磁場(chǎng)(magnetic resonance,MR)信號(hào)，需要在低頻范圍內(nèi)具有高度靈敏的磁傳感器，高靈敏度的OPAMs自然也成了ULF-MRI首選方式。同時(shí)，高靈敏度OPAMs也受到了國(guó)內(nèi)學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，并開(kāi)展了一系列的相關(guān)研究工作[13，14]。然而OPAMs傳感器目前依然存在著很多問(wèn)題,其中,敏感結(jié)構(gòu)無(wú)磁加熱、無(wú)磁封裝等關(guān)鍵技術(shù)制約著原子磁傳感器的發(fā)展。

高靈敏度磁力儀具有在地球物理勘探[1]、輔助導(dǎo)航[2]、醫(yī)學(xué)疾病診斷[3]、生物磁信號(hào)檢測(cè)[4]、物質(zhì)分析[5]、水下探測(cè)[6]到深空探測(cè)[7]的廣泛應(yīng)用前景，近年來(lái)已經(jīng)獲得越來(lái)越多的關(guān)注。其中，光學(xué)泵浦原子磁力儀(optically pumped atomic magnetometers,OPAMs)更是引起了相當(dāng)大的關(guān)注。其在自旋—交換—弛豫自由(spin-exchange relaxation free,SERF)條件下具有高達(dá)0.01 fT/Hz1/2的理論靈敏度[8～10]，并且不需要低溫冷卻，使得測(cè)量系統(tǒng)具有更小的體積和更低的成本，很有希望替代先前的超導(dǎo)量子干涉裝置(superconducting quantum interference devices,SQUID)磁力儀，用于諸如腦磁圖(magnetoencephalo-graphy,MEG)和磁心動(dòng)描記(magnetocardiography,MCG)等生物磁測(cè)量[11]領(lǐng)域。在超低磁場(chǎng)磁共振成像(ultra-low-field magnetic resonance imaging,ULF-MRI)測(cè)量[12]中，必須檢測(cè)微弱的低頻磁場(chǎng)(magnetic resonance,MR)信號(hào)，需要在低頻范圍內(nèi)具有高度靈敏的磁傳感器，高靈敏度的OPAMs自然也成了ULF-MRI首選方式。同時(shí)，高靈敏度OPAMs也受到了國(guó)內(nèi)學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，并開(kāi)展了一系列的相關(guān)研究工作[13，14]。然而OPAMs傳感器目前依然存在著很多問(wèn)題,其中,敏感結(jié)構(gòu)無(wú)磁加熱、無(wú)磁封裝等關(guān)鍵技術(shù)制約著原子磁傳感器的發(fā)展。

本文針對(duì)原子氣室無(wú)磁加熱問(wèn)題開(kāi)展了研究，通過(guò)在陶瓷基板上采用差分對(duì)布線(xiàn)的方法，獲得了擾動(dòng)為2.24pT的無(wú)磁加熱平面線(xiàn)圈，為高靈敏度小型化OPAMs用無(wú)磁加熱器的設(shè)計(jì)做出了有益的探索。

1 原子氣室加熱方式的提出

原子磁傳感器中的原子氣室是敏感單元，其正常工作需要合適的工作溫度。通過(guò)提高原子氣室溫度，增加原子數(shù)密度，這已經(jīng)被證明是一種提高靈敏度的有效方式。對(duì)原子氣室加熱要保證加熱方式對(duì)待測(cè)量的磁場(chǎng)無(wú)干擾，因此，無(wú)磁控溫是原子磁傳感器氣室結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。2012年，德國(guó)耶拿光子技術(shù)研究所(Institute of Photonic Technology,Jena)Jsselsteijn R I 等人采用激光加熱的方式，通過(guò)光纖對(duì)磁力儀實(shí)現(xiàn)了弱磁加熱集成化[15]。Shah V教授采用間斷加熱方式，實(shí)現(xiàn)了將尺寸為5 mm×5 mm×5 mm的銣原子氣室加熱至200 ℃[16]。Schwindt P D D[17]教授通過(guò)將制作有銦錫氧化物(ITO)薄膜電阻的鏡像圖案的兩個(gè)玻璃基板與非導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂膠合在一起制成具有抵消磁場(chǎng)作用的ITO加熱器，加熱器被放置在體積為1 mm×2 mm×1 mm的87Rb原子氣室上方和下方，其交流加熱功率為175 mW?？蓪馐壹訜嶂?10 ℃而在氣室處產(chǎn)生的磁場(chǎng)估計(jì)為3.5 nT。Kitching J等人[17]提出了“光子”磁力計(jì)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，采用光加熱磁力計(jì)原子氣室，通過(guò)使用對(duì)腔壁具有低熱傳導(dǎo)率的懸架將MEMS原子氣室保持在空腔中，實(shí)現(xiàn)以最小的加熱功率使氣室升高到其工作溫度。然而，激光加熱器電流會(huì)產(chǎn)生附加擾動(dòng)磁場(chǎng)，只有使用與ITO加熱器相同頻率的交流加熱方式，才能比較容易地減輕激光加熱器電流的影響。另外，激光加熱的方案還增加了系統(tǒng)復(fù)雜度且不利于系統(tǒng)小型化。最終，本文采用了電流加熱方案，設(shè)計(jì)了具有磁場(chǎng)抵消效果的無(wú)磁加熱線(xiàn)圈,研制了可用于原子氣室的無(wú)磁加熱器。

2 無(wú)磁加熱部件設(shè)計(jì)

由于原子磁力儀系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)要求，對(duì)無(wú)磁加熱器面積及厚度都提出了比較嚴(yán)格的要求。另外，由于文獻(xiàn)[18]中提到的鏡像圖案膠合方案可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)齊誤差，從而導(dǎo)致消磁效果不好。因此，本文使用了平面差分布線(xiàn)方案，以期在更薄的厚度上實(shí)現(xiàn)更好的磁場(chǎng)抵消效果。為了進(jìn)一步減弱加熱電流產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)，在加熱線(xiàn)圈與原子氣室之間加入了純銅固定支架，以熱傳導(dǎo)的方式對(duì)氣室進(jìn)行加熱。

2.1 無(wú)磁加熱線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)

無(wú)磁加熱線(xiàn)圈整體設(shè)計(jì)為方形差分布線(xiàn)樣式，基板選擇4 cm×4 cm的方形陶瓷板，厚度為1 mm。采用微加工平膜設(shè)計(jì)方法，首先，在陶瓷基片上濺射金屬薄膜。再采用微加工的光刻腐蝕工藝形成平行柵格差分對(duì)加熱器結(jié)構(gòu)，利用平行柵格差分對(duì)中電流相反的特性來(lái)抵消附加磁場(chǎng)。布線(xiàn)寬度和線(xiàn)間距均為5 mil(1 mil=25.4 μm)，每邊布約為36條，考慮到加熱效率及附加磁場(chǎng)效應(yīng)，基板中心留出2 cm×2 cm空白區(qū)。通過(guò)對(duì)加熱線(xiàn)圈材料控制可使其具備較小的剩磁特性，本文使用無(wú)磁性的銅形成3 μm的薄膜，加熱線(xiàn)圈設(shè)計(jì)電阻阻值約為310 kΩ，加熱器設(shè)計(jì)板圖如圖1所示。

圖1 加熱線(xiàn)圈平面差分對(duì)布線(xiàn)

2.2 線(xiàn)圈直流加熱時(shí)產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)分析

設(shè)計(jì)中線(xiàn)圈每邊有18對(duì)差分對(duì)，直接用公式計(jì)算比較復(fù)雜，難以處理線(xiàn)圈拐角的磁場(chǎng)強(qiáng)度。這里使用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件對(duì)整個(gè)線(xiàn)圈在直流穩(wěn)態(tài)工作時(shí)在周?chē)臻g產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析，如圖2所示。方形線(xiàn)圈位于XY平面內(nèi)，求解域區(qū)域設(shè)定為以線(xiàn)圈中心點(diǎn)為零點(diǎn)，半徑3 cm的球形區(qū)域，覆蓋了半徑為1.5 cm的Cs原子氣室所在空間，線(xiàn)圈的工作電流設(shè)定為2.2 mA。

圖2 加熱線(xiàn)圈垂直方向和水平方向磁場(chǎng)分布圖

在球形區(qū)域內(nèi)磁通密度分布特點(diǎn)為赤道區(qū)域的磁通密度最強(qiáng)，從赤道向兩極磁通密度開(kāi)始顯著衰減，兩極區(qū)域磁通密度最弱。

由圖2(a)可以更清楚地看到,磁通密度沿Z軸的分布情況，赤道區(qū)域磁通密度強(qiáng)其數(shù)值約在(6～8)×10-9T，在線(xiàn)圈對(duì)角線(xiàn)方向上磁通密度甚至達(dá)到了最大值9.09×10-9T；在距離線(xiàn)圈平面垂直高度3 cm(Z=3 cm)處的磁通密度低至1.03×10-11T。

圖3(a)給出了空間磁通密度隨Z軸的分布曲線(xiàn)，可以看出：磁場(chǎng)以Z=0對(duì)稱(chēng)分布。由于Cs原子氣室位于線(xiàn)圈上方，因此,重點(diǎn)分析曲線(xiàn)右半部分即可?？梢钥闯?，曲線(xiàn)上的Z=1.25 cm為一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)：在Z∈(0,1.25)時(shí)，磁場(chǎng)梯度約為2×10-8T/cm；而在Z∈(1.25,3)時(shí)，磁場(chǎng)梯度顯著減小，約為3.3×10-10T/cm。由于原子氣室中氣態(tài)堿金屬原子對(duì)磁場(chǎng)梯度的變化敏感，為了減小磁場(chǎng)梯度對(duì)其影響，需要將氣室與線(xiàn)圈保持一定距離。通過(guò)上述分析，氣室最低點(diǎn)與線(xiàn)圈平面的垂直距離應(yīng)該選擇1.25 cm，同時(shí)，還需分析線(xiàn)圈在氣室球心部分水平方向上產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)。

圖3 磁通密度沿Z軸和X軸分布圖

如圖2(b)所示，線(xiàn)圈在水平方向上產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)分布特點(diǎn)為中心磁場(chǎng)弱，外部磁場(chǎng)強(qiáng)。具體數(shù)值與圖2(a)的分析一致。為了確定線(xiàn)圈在過(guò)球心的水平方向上的磁場(chǎng)分布，繪制了Z=2.75 cm處的磁通密度沿X軸的分布曲線(xiàn)如圖3(b)所示。

由圖3(b)可以看出，沿X軸的磁通密度分布以X=0對(duì)稱(chēng)。在Z∈(-1,1)范圍內(nèi)，磁場(chǎng)梯度較小，對(duì)氣室內(nèi)原子狀態(tài)的影響不大。沿X軸的磁場(chǎng)梯度分布大致可以分為6個(gè)區(qū)間分析，如表1所示。

表1 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布區(qū)間

2.3 無(wú)磁加熱線(xiàn)圈制作

加熱線(xiàn)圈采用Al2O3陶瓷作為基片，經(jīng)濺射，在基片表面形成金屬薄膜。再經(jīng)離子束刻蝕，得到加熱器柵條結(jié)構(gòu)，最后，經(jīng)熱處理，使金屬膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

2.4 無(wú)磁純銅固定支架結(jié)構(gòu)熱仿真

氣室的加熱結(jié)構(gòu)采用無(wú)磁純銅制成，加熱線(xiàn)圈緊貼在其上下兩個(gè)平面上。為了驗(yàn)證溫控系統(tǒng)的測(cè)溫監(jiān)控點(diǎn)以及線(xiàn)圈的加熱效果，對(duì)加熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱仿真分析。由圖4可以看出，加熱線(xiàn)圈所在處的溫度和氣室內(nèi)部中心溫度變化不大，垂直方向上溫度梯度為10-3℃/mm，因此，將加熱部分的中點(diǎn)作為測(cè)溫點(diǎn)以提供加熱溫控的反饋信號(hào)。

圖4 氣室加熱結(jié)構(gòu)熱仿真結(jié)果

3 無(wú)磁加熱器電路設(shè)計(jì)與制作

無(wú)磁加熱器電路部分如圖5所示。為了減小附加磁場(chǎng)對(duì)原子氣室的影響，加熱器以交流加熱方式工作，采用信號(hào)發(fā)生器作為其驅(qū)動(dòng)源。當(dāng)Cs原子處于20～100 pT的地磁場(chǎng)中時(shí)，其拉莫爾頻率范圍約為70～350 kHz。文中加熱頻率選擇20 kHz，該頻率可以滿(mǎn)足加熱需求并且遠(yuǎn)離上述拉莫爾頻率范圍，不會(huì)對(duì)磁力儀系統(tǒng)形成干擾。信號(hào)發(fā)生器輸出20 kHz標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，并通過(guò)功率放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)磁加熱器的交流驅(qū)動(dòng)。

圖5 無(wú)磁加熱溫控器

為了精確控制無(wú)磁加熱溫度，引入了閉環(huán)反饋。采用PID溫度控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)氣室內(nèi)氣體溫度控制，通過(guò)高精度Pt100鉑電阻傳感器，將測(cè)溫點(diǎn)測(cè)得的溫度信號(hào)反饋至PID控制器，并與設(shè)定的控制溫度進(jìn)行比較，自動(dòng)計(jì)算激勵(lì)信號(hào)的幅度，形成閉環(huán)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)控制的目的。無(wú)磁溫度控制器樣機(jī)如圖6所示。

圖6 無(wú)磁溫度控制器樣機(jī)

4 無(wú)磁加熱器性能測(cè)試

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，正常工作時(shí)的加熱功率為3.0 W，控溫精度為0.1 ℃。為了驗(yàn)證交流加熱對(duì)磁力儀產(chǎn)生的電流磁擾動(dòng)，在中國(guó)計(jì)量院穩(wěn)磁平臺(tái)上采用標(biāo)準(zhǔn)光泵磁力儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。首先,將小型化原子磁傳感器的無(wú)磁加熱部分外壁緊貼在標(biāo)準(zhǔn)光泵磁力儀測(cè)試點(diǎn)上,此時(shí),無(wú)磁加熱線(xiàn)圈固定在小型化原子磁場(chǎng)傳感器的加熱部分的內(nèi)壁上，此處壁厚為5 mm，測(cè)試點(diǎn)與無(wú)磁加熱線(xiàn)圈中心的垂直距離小于10 mm。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先開(kāi)啟信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出，再迅速關(guān)斷，從標(biāo)準(zhǔn)光泵磁力儀上讀取信號(hào)發(fā)生器輸出開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)閉后瞬間的示數(shù)。重復(fù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作10次，并記錄測(cè)試記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。使用開(kāi)通和關(guān)斷激勵(lì)電流時(shí)標(biāo)準(zhǔn)光泵磁力儀輸出差值來(lái)表征無(wú)磁加熱器產(chǎn)生的最大磁擾動(dòng)，將10次差值取平均，得出其磁擾動(dòng)為2.24 pT。

表2 電流擾動(dòng)測(cè)試記錄

5 結(jié) 論

針對(duì)原子磁傳感器對(duì)無(wú)磁加熱的需要，本文采用微加工膜工藝制備了無(wú)磁加熱線(xiàn)圈，通過(guò)對(duì)膜線(xiàn)圈的工藝設(shè)計(jì)，并對(duì)加熱腔體進(jìn)行了熱分布仿真計(jì)算，制作完成了具有3 W加熱功率,0.1 ℃控溫精度的無(wú)磁加熱線(xiàn)圈。為了抑制附加磁場(chǎng)對(duì)原子態(tài)的干擾，采用了交流加熱驅(qū)動(dòng)方案，最終獲得了具有2.24 pT磁擾動(dòng)的無(wú)磁加熱器，其結(jié)果對(duì)原子磁傳感器的氣室設(shè)計(jì)和工作過(guò)程參數(shù)優(yōu)化具有一定的參考意義。

[1] Foley C P,Tilbrook D L,Leslie K E,et al.Geophysical exploration using magnetic gradiometry based on HTS SQUIDs[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2001,11(1):1375-1378.

[2] Wahdan Ahmed,Georgy Jacques,Abdelfatah Walid F,et al.Magnetometer calibration for portable navigation devices in vehicles using a fast and autonomous technique[J].IEEE Transactions on Intelligent Tran-sportation Systems,2014,15(5):2347-2352.

[3] Adachi Yoshiaki,Miyamoto Masakazu,Kawai Jun,et al.Improvement of SQUID magnetometer system for extending application of spinal cord evoked magnetic field measurement[J].IEEE Tran-sactions on Applied Superconductivity,2011,21(3):485-488.

[4] Kiwoong Kim,Samo Begus,Hui Xia,et al.Multi-channel atomic magnetometer for magnetoencephalography:A configuration study[J].NeuroImage,2014,89:143-151.

[5] Liu Guobin,Li Xiaofeng,Sun Xianping,et al.Ultralow field NMR spectrometer with an atomic magnetometer near room tempera-ture[J].Journal of Magnetic Resonance,2013,237:158-163.

[6] Fares Salma A,Fleming Richard,Dinn Don,et al.Horizontal and vertical electric dipoles in a two-layer conducting medium[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014,62(11):5656-5665.

[7] Zhang Qing,Al-Nuaimy Waleed,Huang Yi.Detection of deeply buried UXO using CPT magnetometers[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2007,45(2):410-417.

[8] Budker D,Romalis M V,Optical magnetometry[J].Nature Physics,2007,3(4):227-234.

[9] Allred J C,Lyman R N,Kornack T W,et al.High-sensitivity atomic magnetometer unaffected by spin-exchange relaxation[J].Physical Review Letters,2002,89(13):130801—1—130801—4.

[10] Kominis I K,Kornack T W,Allred J C,et al.A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer[J].Nature,2003,422(6932):596-599.

[11] Taue Shuji,Sugihara Yasuyuki,Kobayashi Tetsuo,et al.Development of a highly sensitive optically pumped atomic magnetometer for biomagnetic field measurements:A phantom study[J].IEEE Transactions on Magnetics,2010,46(9):3635-3638.

[12] Oida Takenori,Tsuchida Masahiro,Takata Hiroto,et al.Actively shielded bias field tuning coil for optically pumped atomic magnetometer toward ultralow field MRI[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(3):1732-1737.

[13] Sun Hui,Lei Yaohua,Fan Shuangli,et al.Cavity-enhanced room-temperature high sensitivity optical Faraday magnetometry[J].Physics Letters A,2017,381(3):129-135.

[14] Wang Li,Shi Feng,Gao Yaozong,et al.Integration of sparse multi-modality representation and anatomical constraint for isointense infant brain MR image segmentation[J].NeuroImage,2014,89:152-164.

[15] Jsselsteijn R I,Kielpinski M,Woetzel S,et al.A full optically operated magnetometer array:An experimental study[J].Review of Scientific Instruments,2012,83(11):113106—1—113106—7.

[16] Shah V，Romalis M V.Spin-exchange relaxation-free magnetometry using elliptically polarized light[J].Physical Review A,2009,80(1):013416—1—013416—6.

[17] Kitching J,Knappe S,Shan V,et al.Microfabricated atomic magnetometers and applications[C]∥2008 International Frequency Control Symposium,Honolulu,USA,2008:789-794.

[18] Schwindt P D D,Lindseth B,Knappe S.chip scale atomic magnetometer with improved sensitivity by use of the Mx technique[J].Applied Physics Letters,2007,90:081102—1—081102—3.

Non-magnetic temperature control technology of atomic vapor cell in atomic magnetic sensors*

ZHANG Peng1,2,3, CHEN Hong-juan1,2, GUI Yong-lei3, SUN Li-kai3, SHAO Zhi-qiang3, CUI Hong-liang3

(1.College of Underwater Acoustic Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.Key Laboratory of Underwater Acoustic Technology,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;3.The 49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

Aiming at requirement of non-magnetic heating for atomic vapor cell of atomic magnetic sensor and solving the problem of low signal-to-noise ratio (SNR) of resonant spectrum signal of magnetometer,a method of differential pair wiring is used and a square copper non-magnetic heating coil is fabricated on a ceramic substrate by adopting a micro-machined film process.Steady-state magnetic field intensity distribution of the coil is analyzed by COMSOL Multiphysics under 2.2mA DC condition and combined with copper vapor cell fixed bracket model and thermal simulation analysis result from Pro/Engineer software are used to obtain the ideal heating position.Further analyze and determine on 20 kHz AC current heating program and complete non-magnetic heater with 3 W heating power and temperature control precision of 0.1 ℃.The experimental results show that the instantaneous magnetic disturbance of the heater is 2.24 pT,which satisfies the non-magnetic heating requirement of atomic vapor cell,and the result has reference meaning for vapor cell design and optimization of operation parameters of atomic magnetic sensor.

atomic magnetic sensor; atomic vapor cell; non-magnetic heating; heating coil; magnetic distur-bance

2017—05—02

國(guó)家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015AA8112005)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0018—04

TP 271；O 441.5

A

1000—9787(2017)06—0018—04

張 鵬(1981-)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事磁傳感器技術(shù)、光學(xué)傳感器技術(shù)及水聽(tīng)器技術(shù)等方向研究工作，E-mail:zhangpeng1319@126.com。

陳洪娟(1969-)，女，通訊作者，博士，教授，從事水聲傳感器設(shè)計(jì)研究工作，E-mail:chenhongjuan@hrbeu.edu.cn。