空间探测原子磁强计的主动磁补偿实验.docx

航空学报Ｓｅｐ．２５２０１４Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．９２５２２－２５２９ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａＩＳＳＮ１０００－６８９３ＣＮ１１－１９２９／Ｖｈｔｔｐ：／／ｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎｈｋｘｂ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎｄｏｉ：１０．７５２７／Ｓ１０００－６８９３．２０１３．０５２１空间探测原子磁强计的主动磁补偿实验楚中毅１，２，＊ ，孙晓光１，２，万双爱１，２，房建成１，２１．北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 １００１９１２．北京航空航天大学 惯性技术国家级重点实验室，北京 １００１９１摘要：在空间探测过程中，采用高灵敏无自旋交换弛豫（ＳＥＲＦ）原子磁强计在行星表面进行磁场测量是原位物质成分分析的有效手段之一。为了提高ＳＥＲＦ原子磁强计的磁场测量灵敏度，必须减小外界磁场扰动对其原子自旋ＳＥＲＦ态质量的影响，基于ＳＥＲＦ原子磁强计的测量原理，设计了一套主动磁补偿系统。首先，通过测量驱动激光光强获得３个方向的磁场信息 ；在 此基础上 ，控制电流源和线圈主动产生一个与外界磁场扰动大小相同 、方 向相反的磁场来补偿扰动，以提高原子自旋ＳＥＲＦ态的质量；最后，结合现有的ＳＥＲＦ原子磁强计实验平台进行了实验验证。实验结果表明，与手动补偿方式相比，采用本文所述的主动磁补偿系统，可以实时跟踪磁场补偿点，降低系统信号的噪声，补偿了外界磁场的扰动 ，验证了磁强计主动磁补偿技术的有效性 ，为后续样机的研制奠定了技术基础。关键词：磁强计；原子；主动磁补偿；物质成分分析；无自旋交换弛豫；空间探测中图分类号：Ｖ４４７＋．１；Ｖ２４１．６２＋２文献标识码：Ａ文章编号：１０００－６８９３（２０１４）０９－２５２２－０８随着磁强计技术研究水平的不断提高，其应用领域越来越广泛，包括地质勘探［１－２］、航空测磁［３－４］、卫星姿态控制［５］以及空间探测［６］等。在空间探测领域，通常采用飞船、卫星等航天器携带磁强计等探测载荷对行星表面的土壤和岩石等物质成分进行原位分析，这对磁强计的灵敏度等性能提出了更高的要求［７］。因此，以无自旋交换弛豫（Ｓｐｉｎ－Ｅｘ－ｃｈａｎｇｅ－Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ－Ｆｒｅｅ，ＳＥＲＦ）原子磁强计为代表的超高灵敏度磁强计得到了世界各航天大国的大力支持和发展［８－１２］。ＳＥＲＦ原子磁强计以其超高灵敏度、小体积、低功耗的特点成为空间探测磁强 计的优先选择，其在２００２年首次实现原理验证时，磁场测量灵敏度便已达到１５ｆＴ／Ｈｚ１／２［１３］，经 过近几年的发展，已经达到０．１６ｆＴ／Ｈｚ１／２，有望取代超导量子磁强计成为灵敏度最高的磁强计。而且通过对各项技术的改进，原子磁强计预期可达１０－１９ｆＴ／Ｈｚ１／２的理论灵敏度，在空间探测领域具有巨大的应用潜力［１４］。ＳＥＲＦ原子磁强计通过测量原子自旋在磁场作用下进行拉莫尔进动的进动角来达到测量磁场的目的。超高灵敏度的原子磁强计是以高质量的原子自旋ＳＥＲＦ态为前提的，但是外界磁场的干扰会影响原子自旋ＳＥＲＦ态的质量，因此需要对外界磁场进行屏蔽和补偿［１５］。目前主要通过在放置待测物体的载物台外部增加若干层磁屏蔽筒来衰减外界扰动磁场，但是由于磁屏蔽材料本身的特性，磁屏蔽筒只能将外界扰动磁场衰减到１０ｎＴ量级，并且随着环境温度的变化其屏蔽效果也会变化，难以使原子自旋达到高质量的ＳＥＲＦ态，因此需要使用主动磁补偿的方式来进收稿日期：２０１３－１１－２２；退修日期：２０１３－１２－１１；录用日期：２０１４－０１－１４；网络出版时间：２０１４－０３－２５１１：４６网络出版地址：ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１０．７５２７／Ｓ１０００－６８９３．２０１３．０５２１．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金 ５１３７５０３４）＊通讯作者．Ｔｅｌ．：０１０－ｍａｉｌ：ｃｈｕｚｙ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ引用格式 ：ＣｈｕＺＹ，ＳｕｎＸＧ，ＷａｎＳＡ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎａｃｔｉｖｅｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆａｔｏｍｉｃｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｆｏｒｓｐａｃｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１４，３５（９）：２５２２２－５２９．楚中毅，孙晓光，万双爱，等．空间探测原子磁强计的主动磁补偿实验［Ｊ］．航空学报，２０１４，３５（９）：２５２２２－５２９．楚中毅等：空间探测原子磁强计的主动磁补偿实验２５２３一步补偿扰动磁场。在国外，普林斯顿大学和威斯康辛大学麦迪逊分校均设计了使用磁通门磁强计作为传感器的主动磁补偿系统，来实时补偿磁屏蔽筒内３个方向的扰动磁场［１５－１６］，但磁通门磁强计灵敏度较低，而