[发明专利]基于金刚石NV色心的电流测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种基于金刚石NV色心的电流测量装置的测量方法，其特征在于，所述基于金刚石NV色心的电流测量装置，包括有激光激发及反射光接收分析设备、金刚石NV色心探头、聚磁器(12)以及微波激发设备；

激光激发及反射光接收分析设备，用于将激光传输至金刚石NV色心探头中，并对金刚石NV色心探头反射回来的混合激光束进行筛分，对留存的NV色心反射荧光进行数据分析；

金刚石NV色心探头，其设置于激光激发及反射光接收分析设备的原始激光束输出端，用于接收原始激光束并反射产生混合激光束；

聚磁器(12)，其置于待测通电导体的外围，用于增大待测通电导体外围的磁场；

微波激发设备，其微波激发部分环绕在金刚石NV色心探头或聚磁器的外围，用于进行微波扫频；

所述激光激发及反射光接收分析设备包括激光器(1)、反射镜(2)、双色片(3)、光纤耦合器(4)、滤波片(5)、光纤(6)、光电探测器(7)、荧光分析处理器(10)以及电脑(11)；

所述金刚石NV色心探头包括含高浓度NV色心的金刚石(14)；

所述微波激发设备包括微波天线(8)以及微波源(9)；

基于金刚石NV色心的电流测量装置的测量方法，包含全光学测量法、非全光学测量法以及两种方法结合使用的测量方法，其中：

1)全光学测量法

测量大电流的通电导体时，将聚磁器置于待测通电导体的外围，将金刚石NV色心探头置于聚磁器的聚磁气隙中，且使得金刚石(14)的[100]晶向与聚磁气隙内的磁场平行，激光激发及反射光接收分析设备发射原始激光束，通过原始激光束照射金刚石(14)，金刚石(14)反射的荧光返回激光激发及反射光接收分析设备中，通过分析反射荧光强弱变化进而估算出外界磁场的大小，进而计算出导体中的电流大小；

2)非全光学测量法

测量小电流的通电导体时，将聚磁器置于待测通电导体的外围，将金刚石NV色心探头置于聚磁器的聚磁气隙中，且使得金刚石(14)的[100]晶向与聚磁气隙内的磁场平行，激光激发及反射光接收分析设备发射原始激光束，通过原始激光束照射金刚石(14)，与此同时启动微波源(9)，微波源(9)产生调制的微波并且将相同调制频率的射频作为荧光分析处理器(10)的参考信号，通过调制的微波对NV色心发射的荧光进行扫频，得到ODMR谱，利用光学探测磁共振方法精确计算出外界磁场的大小，进而计算通电导体中的电流大小；

3)结合测量法

为准确测量通大电流的通电导体，先使用全光学测量法估算出聚磁气隙处磁场的大小，再取其中一磁场估算值B₁，在聚磁气隙处施加反向的磁场B₁，该磁场用于对聚磁气隙处的原磁场进行削弱，之后再通过光学探测磁共振方法精确计算出削弱后磁场的大小B₂，根据磁场B₂方向是否改变，将两个磁场相减或相加即可得大电流通电导体在聚磁气隙处产生的磁场，再计算出电流大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心的电流测量装置的测量方法，其特征在于：使用时，所述激光器(1)对着反射镜(2)发射原始激光束，经过反射的原始激光束通过双色片(3)二次反射后经一个光纤耦合器(4)耦合后进入光纤(6)，最后进入金刚石NV色心探头，金刚石NV色心探头受原始激光束照射后产生反射荧光，该反射荧光与原始激光束组成混合激光束，混合激光束沿光纤(6)返回，经过双色片(3)的过滤作用，混合激光束中的反射荧光穿透双色片(3)，该部分反射荧光再经滤波片(5)二次过滤后得到检测荧光，得到的检测荧光经过另一个光纤耦合器(4)耦合后进入与光电探测器(7)连接的光纤中，光电探测器(7)对检测荧光进行探测，并将探测数据传输进入荧光分析处理器(10)中进行信号分析和处理。

3.根据权利要求2所述的一种基于金刚石NV色心的电流测量装置的测量方法，其特征在于：所述金刚石(14)通过熔接或粘结的方式设置在光纤(6)的端面中部。

4.根据权利要求2所述的一种基于金刚石NV色心的电流测量装置的测量方法，其特征在于：所述光电探测器(7)为雪崩二极管或光电二极管，所述荧光分析处理器(10)为锁相放大器。