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超灵敏原子磁力计在生物磁应用中的研究进展

中国激光 2018年第2期45卷 158-170页

作者：王晓飞孙献平赵修超朱茂华叶朝辉周欣中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049

生物体产生的生物磁场信号携带有重要的生物电生理和病理信息,通常用超导量子干涉器件探测这些生物磁。随着原子磁力计发展到飞特斯拉水平,作为一种超灵敏磁场探测器,超灵敏原子磁力计在生物磁的测量和研究中扮演一个非常重要的角色。... 详细信息

生物体产生的生物磁场信号携带有重要的生物电生理和病理信息,通常用超导量子干涉器件探测这些生物磁。随着原子磁力计发展到飞特斯拉水平,作为一种超灵敏磁场探测器,超灵敏原子磁力计在生物磁的测量和研究中扮演一个非常重要的角色。简要介绍了生物磁场信号来源及其特性,超灵敏原子磁力计的物理机制和分类,以及超灵敏原子磁力计在心磁、脑磁和神经科学等生物磁场测量领域的应用,展望了超灵敏原子磁力计在生物医学领域的应用与发展。

关键词：生物光学原子磁力计生物磁性心磁脑磁神经冲动

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利用小型激光器搭建原子磁力计的实验探索

量子光学学报 2020年第3期26卷 227-233页

作者：李莹莹包谷之陈俊陈丽清华东师范大学物理与电子科学学院上海闵行200241

原子磁力计作为弱磁测量的理想方式,其小型化非常重要.本文搭建体积仅为2.9 cm×4.2 cm×4.2 cm的小型半导体激光器,激光器的最大光功率为117 mW,激光功率12 h慢漂0.6%,频率慢漂为每24 h 28 MHz.将其嵌入到原子磁力计系统中,用于减小原... 详细信息

原子磁力计作为弱磁测量的理想方式,其小型化非常重要.本文搭建体积仅为2.9 cm×4.2 cm×4.2 cm的小型半导体激光器,激光器的最大光功率为117 mW,激光功率12 h慢漂0.6%,频率慢漂为每24 h 28 MHz.将其嵌入到原子磁力计系统中,用于减小原子磁力计的体积.实验测量结果表明,小型激光器的频率慢漂和功率慢漂对磁力计影响较小,在10~300 Hz范围内,磁场测量的灵敏度最高能达到10 fT(√Hz),满足高灵敏度磁场测量的需求.我们的工作为微型磁力计实用化提供了参考.

关键词：磁场测量原子磁力计半导体激光器

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基于原子磁力计的穿戴式脑磁图动态测量研究

波谱学杂志 2022年第3期39卷 337-344页

作者：陈春巧张欣郭清乾徐佳玉冯晓宇常严胡涛杨晓冬长春理工大学电子信息工程学院吉林长春130022 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏苏州215163 季华实验室广东佛山528200

脑磁图作为一种无创的脑功能成像技术,依靠超高的时间及空间溯源分辨率,在脑科学研究和临床应用领域中有着极其重要的价值.本文介绍了自主搭建的基于原子磁力计的穿戴式脑磁图系统,通过设计匀场补偿线圈组并结合参考传感器阵列,实现被... 详细信息

脑磁图作为一种无创的脑功能成像技术,依靠超高的时间及空间溯源分辨率,在脑科学研究和临床应用领域中有着极其重要的价值.本文介绍了自主搭建的基于原子磁力计的穿戴式脑磁图系统,通过设计匀场补偿线圈组并结合参考传感器阵列,实现被试头部运动区域内剩磁在±1 nT以内,保证动态测量过程中传感器输出维持在动态范围以内;同时提出了一种虚拟合成梯度去噪方法,显著抑制了环境共模噪声;最终在被试者头部自然运动状态下,成功检测到高信噪比的α节律信号与听觉诱发磁场信号,证实了该系统的有效性,为穿戴式脑磁图应用推广提供更多的可能性.

关键词：穿戴式脑磁图原子磁力计动态测量匀场补偿噪声抑制

碱金属激光器在SERF原子磁力计泵浦领域的应用前景

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科技导报 2016年第23期34卷 99-105页

作者：李志永谭荣清柯常军黄伟叶庆中国科学院电子学研究所高功率气体激光技术部北京100190 解放军电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室合肥230037 中国科学院大学北京100049

碱金属激光器的输出波长无需稳频即可实现中心波长与碱金属原子D1线波长的匹配,在无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力计泵浦领域具有较为广阔的应用前景。综述了SERF磁力计泵浦源和碱金属激光器的发展现状,分析了SERF磁力计对泵浦源的需求,... 详细信息

碱金属激光器的输出波长无需稳频即可实现中心波长与碱金属原子D1线波长的匹配,在无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力计泵浦领域具有较为广阔的应用前景。综述了SERF磁力计泵浦源和碱金属激光器的发展现状,分析了SERF磁力计对泵浦源的需求,讨论了碱金属激光器用于SERF磁力计泵浦源的潜力及面临的问题。

关键词：气体激光器碱金属激光器原子磁力计无自旋交换弛豫

小型SERF原子磁力计三轴静磁场主动补偿电路设计

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仪表技术与传感器 2023年第11期 40-44,50页

作者：姚泽坤王青郭清乾冯晓宇胡涛张寅吴中毅常严杨晓冬长春理工大学电子信息工程学院吉林长春130022 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏苏州215163 中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州) 安徽合肥230026 季华实验室广东佛山528200 济南国科医工科技发展有限公司山东济南250101

无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力计是当前灵敏度最高的磁场测量传感器,具有广泛的应用前景。而小型SERF原子磁力计易受到地磁环境及内部元件剩磁影响,需对磁力计周围剩磁进行补偿,使其工作在近乎零磁场环境下(<1 nT),以实现高量灵敏度测... 详细信息

无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力计是当前灵敏度最高的磁场测量传感器,具有广泛的应用前景。而小型SERF原子磁力计易受到地磁环境及内部元件剩磁影响,需对磁力计周围剩磁进行补偿,使其工作在近乎零磁场环境下(计开发了单泵浦光小型SERF原子磁力计三轴静磁场主动补偿控制电路,通过对原子磁力计三轴线圈施加直流扫描磁场,快速准确实现了-60~60 nT三轴磁场同步补偿。测量轴方向平均补偿精度分别达到0.12 nT和0.25 nT,泵浦光轴方向平均补偿精度达到0.36 nT,可满足小型SERF原子磁力计高灵敏测量要求。

关键词：原子磁力计三轴磁场补偿 FPGA电路磁场扫描法

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高灵敏铷原子磁力计的研制

高灵敏铷原子磁力计的研制

作者：李桐华中科技大学

学位级别：硕士

从战国时期仅能指明方向的司南,到近些年来最灵敏的超导量子干涉仪等,人们研制与发展超高灵敏度的磁力计的脚步从未停止。超灵敏原子磁力计是一种测量光泵后的碱金属原子蒸气在磁场中的拉莫尔进动来对微弱磁场进行测量的仪器装置。这种... 详细信息

从战国时期仅能指明方向的司南,到近些年来最灵敏的超导量子干涉仪等,人们研制与发展超高灵敏度的磁力计的脚步从未停止。超灵敏原子磁力计是一种测量光泵后的碱金属原子蒸气在磁场中的拉莫尔进动来对微弱磁场进行测量的仪器装置。这种原子磁力计在灵敏度上可以与超导量子干涉仪相媲美,但无需超低温液体来维持仪器的超导状态,因此,碱金属原子磁力计具有超高灵敏度、低成本、可小型化等特点。本文设计并优化了泵浦-探测构型的Rb原子磁力计,实现了优于20 fT/Hz的灵敏度。本文成果如下:(1)设计和实现了主被动磁屏蔽系统。被动磁屏蔽是由高磁导率坡莫合金制作的高屏蔽系数的磁屏蔽罩,理论上磁屏蔽系数为10,实际内部剩余磁场低于1 nT;主动磁屏蔽为高均匀度的匀场线圈,轴向不均匀度低于千分之一。(2)设计与实现了泵浦-探测构型的光路系统和基于碱金属原子饱和吸收谱的锁频系统。(3)设计与加工了加热炉与磁屏蔽内部支撑,方形的Rb原子蒸气室放置于加热炉的中心,双绞的加热丝绕于加热炉的表面。利用高频交流电加热和PID反馈方式实现了加热和温度控制,控温精度0.1℃。(4)优化激光参数和工作温度,提高磁场信号的响应幅度和信噪比,优化磁力计灵敏度。

关键词：原子磁力计激光测磁碱金属磁屏蔽

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基于自旋极化的高灵敏原子磁力计研究

基于自旋极化的高灵敏原子磁力计研究

作者：彭欣欣华东师范大学

学位级别：硕士

碱金属原子磁力计是利用外场中的原子自旋极化实现磁场测量。目前最好的原子磁力计的灵敏度已经优于超导量子干涉器件(SQUID)磁力计,实现了磁场灵敏度为0.16f T/Hz,因此原子磁力计具有广泛的应用前景。本文主要研究基于Cs原子自旋极化... 详细信息

碱金属原子磁力计是利用外场中的原子自旋极化实现磁场测量。目前最好的原子磁力计的灵敏度已经优于超导量子干涉器件(SQUID)磁力计,实现了磁场灵敏度为0.16f T/Hz,因此原子磁力计具有广泛的应用前景。本文主要研究基于Cs原子自旋极化的原子磁力计的工作原理、参数优化和灵敏度评估等内容。首先介绍原子磁力计的研究背景和进展以及已经取得的灵敏度,又简要介绍了三类常见的原子磁力计,分别是无自旋交换弛豫(SERF)磁力计、非线性旋光磁力计和基于磁共振的磁力计。原子磁力计用自旋极化的原子实现对磁场的测量,这里采用圆偏振光泵浦极化原子,获得在准静态磁场下自旋演化的布洛赫方程的稳态解,给出旋光效应与自旋极化的解析表达式。考虑到自旋极化Cs原子在基态超精细结构能级上的分布,理论上给出旋光信号与探测光的失谐量关系并在实验上给予验证。在实验上发现自旋极化的原子在基态超精细结构能级上的分布可以用泵浦光失谐控制,并获得自旋极化分布与泵浦光失谐量的关系。自旋弛豫是决定磁力计灵敏度的关键因素,在理论上分析了Cs原子自旋弛豫的过程。实验上对探测光的失谐量和光功率、泵浦光的失谐量和光功率、磁场等条件进行优化,获得了磁力计的最佳工作条件。高灵敏的Cs原子SERF磁力计的工作温度较低,前人还未在实验上详细地研究Cs原子SERF磁力灵敏度与温度的关系。本文完成了这项工作,给出了从70℃到130℃的温度下磁力计工作的灵敏度。磁场测量精度常常受到量子噪声的限制,如探测光光子散粒噪声,原子自旋投影噪声和光频移噪声等。最后完成对原子磁力计量子噪声和灵敏度的测量,分别给出了光子散粒噪声,原子自旋投影噪声,光频移噪声评估结果。在气室温度为120℃时获得磁场测量灵敏度为2.2 f T/Hz,自旋投影噪声为1.4 f T/Hz,光子散粒噪声为0.8 f T/Hz,光频移噪声为1.2 f T/Hz。在实验上完成了对泵浦光偏振度灵敏度的高精度测量,实现了泵浦光偏振度测量灵敏度为3.8×10rad/Hz。

关键词：原子磁力计光泵浦自旋极化自旋交换碰撞弛豫噪声分析光子散粒噪声光频移噪声灵敏度测量

基于原子磁力计的超低场核磁共磁油水测量及谱学研究

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基于原子磁力计的超低场核磁共磁油水测量及谱学研究

作者：乔震中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

近年来,随着量子磁传感技术的发展,基于高灵敏度原子磁力计的零场-超低场核磁共振检测技术逐渐成熟,零场-超低场核磁共振在生物成像（脑磁和心磁）以及磁探测（陆地测磁、海洋测磁、航空测磁）等领域发挥了重要的作用,在油气地球物理探... 详细信息

近年来,随着量子磁传感技术的发展,基于高灵敏度原子磁力计的零场-超低场核磁共振检测技术逐渐成熟,零场-超低场核磁共振在生物成像（脑磁和心磁）以及磁探测（陆地测磁、海洋测磁、航空测磁）等领域发挥了重要的作用,在油气地球物理探测方面具有巨大的应用潜力。本文首先介绍零场-超低场核磁共振谱仪的磁屏蔽装置、样品气动运输装置、Halbach磁体预极化装置、脉冲调控装置、quspin传感器,该仪器的灵敏度可以达到30fT/Hz,并进行了补偿磁场、脉冲磁场、引导磁场等方面的调试。结合零场-超低场核磁共振技术的特点和优势,本文设计了零场-超低场核磁共振在油气检测应用方面的可行性方案和三组不同种类油（烷烃）、油水两相混合溶液、饱水玻璃珠样品的零场-超低场核磁共振的实验方案,并进行了纯水、油、油水混合的超低场核磁共振实验,实验结果表明零场-超低场核磁共振谱仪可以投入实验使用,并在油气地球物理探测方面具有巨大的应用潜力;其次,本文采用深度学习全连接神经网络（FCN）模型进行了J、J、J、J、J类型的J-耦合常数的预测,其中J的预测结果最好,其训练集的平均绝对误差为1.7393,测试集的平均绝对误差为1.6017。并且通过spintrum包对零场-超低场核磁共振J-耦合常数为125Hz的C-H分子的谱线模拟,模拟结果J-耦合常数为125Hz,谱线为单峰分布;最后随着零场-超低场核磁共振谱仪的发展,这种技术在井下进行油气探测有希望成为可能,本文提出了采用泵浦光、探测光传播方向和外磁场方向三轴垂直结构在井下进行油气探测的零场-超低场核磁共振谱仪设计方案。

关键词：零场-超低场核磁共振原子磁力计 J-耦合油水检测数值模拟

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原子磁力计在脑磁测量中的应用研究进展

山西大同大学学报（自然科学版） 2019年第2期35卷 8-12页

作者：刘慧丰鲍善霞中北大学信息商务学院山西晋中030600 山西大同大学物理与电子科学学院山西大同037009

脑磁图不需要直接接触皮肤,是一种无损的记录大脑磁场信息的新技术,具有高灵敏度、高时间分辨率和高空间分辨率等特征,对于研究人脑工作机制有着至关重要的作用。作为一种超灵敏的室温磁强计,原子磁力计结构简单、建设廉价和维护成本低... 详细信息

脑磁图不需要直接接触皮肤,是一种无损的记录大脑磁场信息的新技术,具有高灵敏度、高时间分辨率和高空间分辨率等特征,对于研究人脑工作机制有着至关重要的作用。作为一种超灵敏的室温磁强计,原子磁力计结构简单、建设廉价和维护成本低及适应性高,已经开始应用到脑磁的测量与研究中。文章介绍了脑磁图信号的发生机理、原子磁力计的原理,并阐明了原子磁力计在脑磁领域的研究现状,对其应用前景作出了展望。

关键词：脑磁图非线性磁光旋转无自旋交换弛豫原子磁力计