原子磁力仪的空间应用及发展趋势

寇 军， 康海霞， 杨 然， 桑建芝， 王学锋

(1.中国航天科技集团有限公司量子工程研究中心，北京100094；2.北京航天控制仪器研究所，北京100039)

0 引言

从发射第一个探空火箭到最近的行星际探测器,在人类开展太空探索的各个阶段,磁传感器都发挥着重要的作用。我们可以从空间测量出行星的磁场,并以此推断行星的内部性质和动力学信息[1]。几乎所有肩负着空间探索任务的飞行器都搭载了高精度磁力仪,而空间磁场测量的需求又反过来推动了过去50年来磁场测量技术的高速发展。

在太空探索中,很多有意义的科学发现建立在磁场测量的基础之上。探空火箭携带的磁力仪首次证明了地球的电离层存在电流,以及电流对地磁场日变的影响[2]。这些数据不仅揭示了太阳风和地球之间的相互作用,还促进了针对Van Allen辐射带的研究[3],从而为载人航天技术的发展铺平了道路。应用空间磁力仪可以获得行星及卫星的磁场,以木卫二和木卫四为例,它们的磁场信息有力地证明了地表冰层下存在液态水[4-5],这些液态水表明太阳系可能存在其他生命形态。上述探索发现已经成为未来进一步空间磁场探测的巨大动力。

与地面应用不同,空间应用除了对磁力仪的稳定性和准确度等指标提出基本要求外,还需要磁力仪能够满足功耗、体积、工作温度、空间辐照等约束条件。针对航天器在轨运行过程中的姿态变化,转向差和带宽指标更高的标量磁力仪和矢量磁力仪被研发出来,以确保磁力仪能够测量相对方向快速变化的空间磁场。为了满足在轨工作的大温度范围的要求,人们一直在探索采用稳定性较高的标量原子磁力仪校准三分量矢量磁力仪,从而解决矢量磁力仪长期漂移的问题。目前,在大多数航天任务中,航天器自身的剩磁限制了磁测量结果的精度[6],一般通过发射任务前的地面测试建模和补偿算法,将这一影响从在轨测量的数据中消除[7]。

空间用原子磁力仪通常用于测量磁场的低频分量,以及校准磁通门磁力仪的测量结果。按照工作原理,原子磁力仪可分为光泵磁力仪和CPT磁力仪。按照工作介质,原子磁力仪可分为氦原子磁力仪和碱金属原子(包括铷原子和铯原子)磁力仪。按照工作模式,原子磁力仪可分为标量磁力仪和矢量磁力仪。

1 原子磁力仪的工作原理

1.1 光泵磁力仪

光泵磁力仪利用原子的自旋进动反演待测磁场。所谓光泵就是利用光子改变原子光学能级之间的布居状态,而这种改变后的分布状态是有别于正常的Boltzmann分布的。如图1所示,利用光的作用使各磁子能级的原子完全集中到某一个磁子能级上,从而实现了原子的极化。驱动线圈产生交变射频磁场,与原子发生磁共振作用。此时,亚稳态原子需要重新吸收探测光。探测光透过气室的光会变弱,透过气室的光强最弱时对应的射频场频率f即为磁共振频率,进而可推算出被测磁场B0。在19世纪60年代,光泵磁力仪的主流方案包括Mz型磁力仪、Mx型磁力仪(常采用自激振荡模型)和双气室自激振荡Mx型磁力仪[8]。

1.2 CPT磁力仪

如图2所示,CPT(Coherent Population Trapping,相干布居俘获)磁力仪利用激光光场与原子之间的相互作用使原子被俘获在基态能级上,通过检测光场透射谱线的变化实现磁场测量。原子的磁子能级在外磁场中发生Zeeman分裂,相邻磁子能级的能量差与外界磁场的强度成正比。通过对反映磁场信息的CPT信号进行测量,就可得到外界磁场强度[9-10]。CPT磁力仪具有小体积、无盲区、高灵敏度等特点,已成为国内外研究的重点和热点方向之一。

2 原子磁力仪的空间应用

2.1 光泵磁力仪的空间应用

(1)地磁场长期变化监测

20世纪60年代末,美国发射了一系列磁测卫星(POGO-2、POGO-4、POGO-6),这些卫星搭载了测量精度为6nT的铷光泵磁力仪。3个POGO任务返回数据证明了赤道电集流[11]的存在,可提供地磁场长期变化的测量结果[12]。最重要的是,这些空间磁场测量结果为建立第1个国际地磁参考场(IGRF)模型[13-14]和绘制全球磁异常图[15]提供了数据基础和科学依据。

(2)高分辨率地磁场测量

在完成全球磁场测量之后,1979年,美国地质调查局和美国航空航天局(NASA)合作研制的“地磁卫星(MagSat)”成功发射,其目标是完成更高分辨率的地磁场总场测量和三分量测量,并且修正由地磁场长期变化引起的IGRF模型误差。

MagSat卫星选择铯光泵磁力仪实现磁场总场测量并用于校准磁通门磁力仪。由于铯原子与铷原子相比具有更小的非线性Zeeman频移[16],可以减小测量转向差。科研人员基于MagSat卫星测得的数据构造了目前最精确的地磁参考场,地磁场模型球谐函数模型拓展到了第23阶项。在探测任务结束后,科研人员经过长达十余年的数据处理,绘制出了精确的地磁异常图[17-19]。

(3)木星磁场测量

由美国宇航局主导的 “先驱者10号”于1972年发射,成为第1个探访木星的探测器[20]。如图3所示,执行木星磁场测量任务的有效载荷是矢量氦光泵磁力仪,磁力仪的测量动态范围达到±140000nT。

(4)研究地核和地幔的物理性质

如图4所示,阿根廷国家空间活动委员会(CONAE)和美国宇航局合作于2000年发射了SAC-C卫星,其有效载荷包括标量氦光泵磁力仪,测量动态范围为20000nT～70000nT,精度优于1nT,带宽为0Hz～1Hz。标量氦光泵磁力仪使用单一的氦气灯作为光源,泵浦2个垂直排布的氦原子气室,其获得的磁场总场值被用于校准矢量磁通门磁力仪的测量结果[21]。卫星采用三轴稳定控制方式,使磁力仪能够在高度倾斜的极地轨道实现磁场测量。磁测量的目的是获得地球磁场的长期变化的数据,研究地核和地幔的物理性质,以及地球磁场与太阳风之间的相互作用机理。

(5)地磁场磁源分析

“空间气象先进研究任务”卫星星座由3颗小卫星组成,是欧洲航天局的首个用于测量地球核心、地幔、地壳、海洋和电离层磁场信息的地磁探测卫星星座,其主要科学目标是提高地磁场测量精度(多点测量)及研究地磁场随时间、空间的变化规律,使人们对地球内部、大气与气候和气象有关的变化过程,以及空间气象和辐射危害有了新的认识。

“空间气象先进研究任务”的主要磁测载荷包括氦光泵磁力仪[22]和磁通门磁力仪,氦光泵磁力仪的绝对精度优于0.3nT,分辨率在全量程范围(15000nT～65000nT)内优于0.1nT,可用来对磁通门磁力仪进行校准,以长期维持地磁场测量的绝对精度,如图5所示。

2.2 CPT磁力仪的空间应用

图6为奥地利科学院空间研究所研制的基于CPT原理的暗态耦合磁力仪(Coupled Dark State Magnetometer,CDSM)[23],它采用多个CPT峰测量磁场值,可消除单个CPT峰测量时系统误差的影响,灵敏度为30pT/Hz1/2@1Hz,最大测量范围为100000nT,并已搭载中国ZH一号01星,用于监测与地震相关的空间电离层电磁异常。

3 发展趋势

经过科研人员的不懈努力,原子磁力仪在空间磁场测量领域取得了长足的发展。我国在空间磁测方面已经规划了电磁监测卫星计划[24],致力于研发具有自主知识产权的磁测卫星和高精度原子磁力仪。原子磁力仪的发展趋势主要体现在以下几个方面。

(1)高灵敏度

原子磁力仪是目前最为灵敏的磁场测量仪器之一,但随着探测需求的提高,应用领域的拓展,实际应用过程对磁力仪灵敏度的要求也逐步提高。因此,更高的灵敏度始终是原子磁力仪技术前进的目标。

(2)大动态范围

空间地磁场的强度能够达到70000nT,而行星际磁场的强度通常小于10nT,空间磁场测量要求原子磁力仪在保持超高灵敏度的前提下,磁场测量范围更宽。因此,拓宽原子磁力仪的动态测量范围也是一个重要的研究方向。

(3)微小型化

近年来,微纳卫星的迅速发展,为空间磁场测量提供了应用平台。同时,也要求原子磁力仪进一步减小体积、降低功耗,以满足微纳卫星平台对载荷的要求。

(4)矢量磁场测量

磁场三分量测量功能是磁场测量应用的重要方向,也是未来原子磁力仪的发展方向之一。目前,国内外多家科研机构已开展了针对新型原子磁力仪的研发,其控制单元也可在2种工作模式之间切换,使磁力仪具备三轴矢量测磁和标量测磁2种工作模式,能够满足更多的应用需求。

4 结论

磁场是地球及类地行星的重要物理场之一,原子磁力仪在空间磁场测量中发挥着不可替代的作用。在国外,已有多种类的原子磁力仪实现了空间应用。而在国内,原子磁力仪仍处于卫星载荷研究阶段,在提高测量灵敏度、拓展测量动态范围、微小型化及矢量磁场测量等方面仍有诸多难题需要深入研究,亟需开展关键技术攻关,以研制出小型高灵敏度原子磁力仪,满足我国地球物理研究和空间探索快速发展的需要。