[发明专利]一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法

说明书

本发明公开了一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，获得磁场值与线性变化电压拟合的斜率与截距；设定DAC转换单元的输出电压范围、阻尼因子和采样率；计算工频磁场噪声幅值与相位，DAC转换单元输出补偿电压给压控电流源模块，本发明适用于静态与工频磁场噪声的补偿，对高频磁场噪声均可实现补偿，补偿效果限制仅为测磁单元的磁场分辨率与采样率。相对于传统的PID磁补偿方法补偿速度更快，对工频磁场噪声补偿效果更明显。

技术领域

本发明属于软件算法和精密测磁等领域，具体涉及一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，适用于原子物理实验，生物医学，精密测量等相关领域研究。

背景技术

原子磁力计是一种可以媲美超导量子干涉器件(Superconducting quantuminterference device，SQUID)且不需要低温环境的超高灵敏度测磁工具，根据一些相关的文献报道，目前已经将其应用于核磁共振(Nuclear magnetic resonance，NMR)，心磁(Magnetocardiography，MCG)与脑磁(Magnetoencephalography，MEG)，以及磁性材料等的测量。通常地，大多数原子磁力计利用多层高磁导率合金被动式屏蔽环境中磁场，但是，被动式屏蔽的技术和方法限制了原子磁力计的应用范围，例如地磁测量、空间磁场测量、磁异常测量等。因此，需要发展新型主动式磁补偿的原子磁力计以及发明新的主动式磁补偿方法，减少或者消除限制主动式磁补偿类型原子磁力计灵敏度主要因素之一的工频磁场噪声，为实现高精度主动式磁补偿类型的原子磁力计奠定基础。

常用的主动式磁补偿方法有多种，例如文献“Active shielding to reduce lowfrequency disturbances in direct current near biomagnetic measurements”[Rev.Sci.Instrum.70,2465(1999)]中利用测磁传感器测量环境中的磁场，PID控制器根据测得磁场产生反馈信号进入电流源，然后，电流源输出电流进入亥姆霍兹线圈产生均匀磁场，实现外界环境磁场补偿。该方法可以实现静态磁场的补偿，但对于工频磁场噪声的补偿效果不显著。文献“Active cancellation of stray magnetic fields in a Bose-Einstein condensation experiment”[Rev.Sci.Instrum.78,024703(2007)]报道了利用独立的电感线圈来实现工频磁场噪声的补偿，该方法需要挑选具有合适容抗的线圈，具有一定的局限性。在文献“Magnetic field stabilization system for atomic physicsexperiments”[Rev.Sci.Instrum.90,044702(2019)]中，报道了利用钙离子作为测磁传感器，并结合正反馈电路实现工频磁场噪声的补偿，然而，该方法仅适用于补偿固定相位的工频磁场噪声。

本发明提出了一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，包括静态与工频磁场噪声的补偿。利用测磁单元测量环境中的磁场、计算机中磁补偿程序分析测量磁场信号，实时快速提取信号相位与幅值，利用单个电流源与单组亥姆霍兹线圈产生相反磁场，补偿后磁场值小于20nT。本发明方法与传统利用比例-积分-微分(Proportion-integral-differential，PID)控制方式进行磁补偿相比较，对工频磁场噪声有更好的衰减效果。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术和方法存在的问题，提供一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，解决工频磁场噪声和静态磁场噪声的补偿。

本发明的目的通过以下技术措施实现：

一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，包括以下步骤：