Development of rotating magnetic field device for vector atomic magnetometers

Dayong CHEN; Yanchao SHI; Jingzhong CUI; Zhidong LIU; Peixian MIAO

doi:10.37188/OPE.20223007.0780

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Development of rotating magnetic field device for vector atomic magnetometers

Micro/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2022-04-22

- Development of rotating magnetic field device for vector atomic magnetometers
- Optics and Precision Engineering Vol. 30, Issue 7, Pages: 780-792(2022)
- 作者机构：
  
  兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，甘肃兰州 730000
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20223007.0780
  CLC： TN99;TH744
- Received：25 October 2021，
  
  Revised：16 November 2021，
  
  Published：10 April 2022
- 稿件说明：
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陈大勇,史彦超,崔敬忠等.矢量原子磁力仪中旋转磁场产生装置的研制[J].光学精密工程,2022,30(07):780-792.

CHEN Dayong,SHI Yanchao,CUI Jingzhong,et al.Development of rotating magnetic field device for vector atomic magnetometers[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(07):780-792.
陈大勇,史彦超,崔敬忠等.矢量原子磁力仪中旋转磁场产生装置的研制[J].光学精密工程,2022,30(07):780-792. DOI： 10.37188/OPE.20223007.0780.

CHEN Dayong,SHI Yanchao,CUI Jingzhong,et al.Development of rotating magnetic field device for vector atomic magnetometers[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(07):780-792. DOI： 10.37188/OPE.20223007.0780.

摘要

阐述了利用抽运-检测型原子磁力仪研制的磁场旋转调制法矢量原子磁力仪的工作原理、系统组成以及对旋转磁场的技术要求，根据该矢量原子磁力仪对旋转磁场的技术要求，提出了一种高性能旋转磁场产生装置。该装置通过DDS相位同步技术实现了正弦信号间相位差的补偿和精密调控，相位调控精度的理论设计值为0.022°；建立相应的电路模型，通过仿真分析以及电路模块间相互耦合关系的研究，完成了基于多模块间协同控制的电流调整模块设计，实现了线圈驱动电路电流的精密控制和调整。当旋转磁场强度为500 nT时，对应的磁场强度调整精度优于5 nT。以上设计使旋转磁场产生装置具备了旋转磁场强度、轨迹以及方向精密控制和调整的功能，经测试该装置的各项技术指标完全满足矢量原子磁力仪的技术要求，为矢量原子磁力仪研制以及技术研究奠定了技术基础。该旋转磁场产生装置在冶金、生物科学以及相关基础物理研究中也有重要的应用价值。

Abstract

The working principle and system composition of a vector atomic magnetometer was introduced， which was based on the magnetic field rotation modulation method and a pump-probe atomic magnetometer， and the technical requirements of such a system was dicussed. According to the identified technical requirements， a technical scheme for the rotating magnetic field was proposed. In this scheme， phase compensation and precise regulation between sinusoidal signals were realized based on DDS phase synchronization technology. The theoretical design value of the phase regulation accuracy is 0.022°. By establishing the corresponding circuit model and performing simulation analysis and research on the coupling relationship of multiple modules， a current regulation module based on multi-module cooperative control was designed for precise control and adjustment of the current of the coil driving circuit. When the rotating magnetic field is 500 nT， the adjustment accuracy of the magnetic intensity is greater than 5 nT. The above design enables the rotating magnetic field generator to achieve precise control and adjustment of the intensity， trajectory， and direction of the rotating magnetic field. The rotating magnetic field generator provides a technical foundation for the research and development research of vector atomic magnetometers. At the same time， the rotating magnetic field generator also has important application value in metallurgy， life science， and basic physics research.

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