[发明专利]一种超低磁场噪声的分级分流锁定磁场稳定系统

说明书

本发明公开了一种超低磁场噪声的分级分流锁定磁场稳定系统，通过无接触探测、分级分流抑制空间体积内磁场特定方向噪声。基于线圈电流噪声对空间体积内磁场的影响，设计第一级反馈分流锁定回路，稳定线圈上低频电流噪声和大部分50Hz及其谐波的电流噪声，将电流噪声稳定至输出电流的10^‑5；基于环境磁场噪声对空间体积内磁场噪声的贡献，设计第二级反馈分流锁定回路，用磁场探测器间接探测空间体积磁场特定方向噪声，在线圈电流中加入与磁场噪声反相的电流扰动，抵消环境磁场噪声，压制空间体积内磁场噪声至几十微高斯，实现超低磁场噪声。该系统提高了磁场锁定的精度；通过调整参数可适配不同电流源和亥姆霍兹线圈组合，应用于不同的磁场环境。

技术领域

本发明涉及磁场检测领域，特别是涉及一种超低磁场噪声的分级分流锁定磁场稳定系统。

背景技术

超低的磁场噪声对于许多前沿科学研究都有重要意义。例如：对原子干涉、微重力的测量，电子显微镜，核磁共振，磁测距和原子钟实验都受益于磁场稳定的进展。

磁场的噪声主要是来自产生磁场的线圈的电流起伏和周围环境引入的磁场噪声等。其中线圈的电流起伏主要来自于供给线圈的电源本身输出的噪声以及电源与线圈的耦合产生的谐振效应；而环境中的磁噪声主要来自地磁场产生的直流磁场的波动、市电电网发射50Hz噪声以及周围实验仪器产生的噪声。其中地磁场噪声大约为几百微高斯，市电电网发射的磁场强度覆盖了从小于1毫高斯到几十毫高斯范围。

为了获得稳定的磁场，可以从磁场噪声的来源入手，一方面直接换用低噪声的电流源，但是大部分的电流源的输出电流波动在千分之一，甚至是百分之一，也有部分纹波噪声可达到输出电流的十万分之一的电源，但是其价格高昂，难以普及。但是电流的纹波噪声低并不代表磁场噪声低，还需要考虑环境中引入的磁场噪声，磁屏蔽通常用于降低环境中杂散磁场的噪声，但在实际中，往往由于目标空间体积内附近的一些结构设计，通常很难实现将整个系统屏蔽起来。并且如果需要稳定的是一个几十到几百高斯大小的磁场，这很容易使磁屏蔽箱达到磁饱和，从而影响磁场屏蔽效果，很多时候其结构也会被既有的实验装置的设计所限制。

因此如何设计一套可以与已有的设计兼容，适用各种磁场环境，最终通过低成本的磁场稳定系统形成超低磁场噪声环境，已经成为亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述的问题，本发明的目的是提供一种可以匹配多种磁场环境、无接触探测空间体积内中心磁场、利用分级分流锁定使中心磁场稳定的系统。先利用第一级分流稳定电流噪声，但电流噪声低并不代表磁场稳定，所以利用第二级分流稳定磁场噪声。最终将待稳定的空间体积内磁场的噪声抑制至几十微高斯。

实现本发明目的的具体技术方案如下：

一种超低磁场噪声的分级分流锁定磁场稳定系统，该系统包括待稳定的空间体积、供电电流源、磁场的产生线圈、磁通门电流传感器、第一磁场探测器、第二磁场探测器、一级电路、第一级NPN型功率晶体管、I_shunt1支路监测电阻、二级电路、第二级NPN型功率晶体管、I_shunt2支路监测电阻，其中：

待稳定的空间体积，一个无法直接探测的、需要稳定磁场特定方向的空间体积；

供电电流源，用于为产生磁场的线圈提供电流，采用恒流输出模式；

磁场的产生线圈，一对亥姆霍兹线圈，线圈的两端与电源输出端连接，对称放置于待稳定的空间体积两侧，线圈放置时，线圈的轴向为需要产生的磁场的方向，用于产生待稳定的磁场；

磁通门电流传感器，置于从供电电流源电流流出端口至磁场的产生线圈之间，用于探测电流流入线圈前，I_shunt2支路和I_coil支路的电流之和；

两个磁场探测器，对称设置于空间体积中心位置旁，方向与磁场方向相同，用于间接探测待稳定的空间体积内中心处沿着线圈轴向方向的磁场；