基于光纤耦合金刚石NV 色心系综磁强计的电路诊断方法

高 扬，徐超群Δ，黄 魁Δ，高羽婷，刘超波，王 斌，武南开，刘明君，张 超，肖 琦，孟立飞，易 忠*

（1. 北京卫星环境工程研究所； 2. 中国空间技术研究院：北京 100094）

0 引言

金刚石NV 色心系综磁强计是一种基于量子技术的新型磁场测量装置，相比于需要液氦制冷的超导量子干涉仪具有室温磁测的优势，相比于光泵磁强计具地磁场环境下的磁测能力和极高的空间分辨率，相比于磁通门磁强计具有非常高的磁场灵敏度，同时还具有低温下灵敏度高、可进行温度测量、可用于活体测磁等诸多优点。这使得金刚石NV 色心系综磁强计成为热门磁测设备，在物理学、生物学、材料科学、地质学、航空航天等领域被广泛应用。

磁科学在航空航天领域有诸多应用，如航天器姿态调整、飞行器磁矩设计、磁陀螺等。其中，通过磁场反演不仅可以获得航天器及其内部元件的磁矩信息，还可以利用电子电磁感应原理得到内部电流信号，进一步获得元件的工作电流信息。但这些应用要求磁强计具有较高的磁场灵敏度和空间分辨率，传统磁通门磁强计、光泵磁强计无法实现，而光纤耦合金刚石NV 色心系综磁强计是一种可用于电路诊断的理想磁强计，可在保障磁场灵敏度的同时提供较高的空间分辨率。

在电路诊断中，电流分辨率决定了对同一元件不同状态的分辨能力，空间分辨率决定了对不同位置元件的区分能力。为获取磁强计的电流分辨率和空间分辨率参数，需要在不同电流强度和空间距离下测定导线的磁场信号。本文对磁强计沿NV 色心某一轴向的信号进行分析，系统研究不同电流强度和空间距离下导线的磁信号，获得电流分辨率、空间分辨率的底限，以便为后续实际诊断和设备优化提供参考。

1 原理

金刚石具有体心立方晶格结构，如图1(a)所示，沿[11¯1¯]晶向的1 个氮原子和临近的空穴组成一种点缺陷，即NV 色心。NV 色心的电子具有C对称结构，图1(b)为其能级结构，基态能级和激发态为电子自旋投影=±1 和=0 的自旋三重态，和为亚稳态能级。

当不存在外磁场时，基态能级的=±1，处于兼并状态。如图1(b)右侧所示，对处于基态能级的=0 基态电子施加532 nm 泵浦激光后可以将电子泵浦至激发态并保持=0，电子退激发时会发出637 nm 荧光并回到能级的=0。若对NV 色心施加频率为2.87 GHz 的微波场，可以将基态电子从=0 激发至=±1；再用532 nm 激光泵浦处于能级=±1 的基态电子，电子将被泵浦至激发态并保持=±1。能级=±1 的激发态电子有光学退激发和系间窜越（intersystem crossing，ISC）过程退激发2 种退激发模式，少量电子经过光学退激发会发出637 nm荧光并回到能级=±1，而大部分电子经过ISC 过程不发出荧光光子即退激发至亚稳态，发出1042 nm 光子后最终退激发至能级=0。相较于不施加微波场，施加微波场后部分电子经过不发光的ISC 过程退激发，因此金刚石NV 色心的荧光发射效率明显降低。当然，微波场频率与NV 色心电子所需频率不匹配时，无法将基态电子从=0 激发至=±1，也就无法观察到这一现象。因此，当扫描微波频率时可得到图2(a)所示的ESR（电子回旋共振）谱线，其中心频点为=2.87 GHz。

图1 金刚石NV 色心及其能级结构Fig. 1 Diamond NV color center and its energy level structure

当存在外磁场时，根据塞曼效应谱线的裂距公式以及NV 色心电子哈密顿量可以得到共振频率

其中：≈2.003，是NV 色心的电子参数； µ是玻尔磁子；是普朗克常量；是外磁场强度。因此，如图2(b)所示，当施加一个外磁场后，扫描微波频率可以观测到2 个共振峰，通过2 个共振峰的峰位差值即可获得外磁场大小。而根据图1(a)所示，金刚石NV 色心具有4 个轴向，因此当外磁场在金刚石4 个晶格轴向均有分量且大小不同时，可以清晰观测到4 对峰（8 峰），其中每对峰的峰位差对应某一轴向方向的磁场投影大小，通过4 个轴向峰位差即可合成反演出外磁场的矢量值。继而可根据毕萨定律，通过外磁场的信号变化得到外界待测电路信号的变化。

图2 不同外磁场条件下金刚石NV 色心ESR 谱线Fig. 2 ESR spectra of diamond NV center in different external magnetic fields

2 实验

图3 展示了本实验的基本原理，连续激光器产生532 nm 激光，经过多模光纤传输形成极小光斑（理论上，光斑越小空间分辨率越高）直接入射至金刚石表面。本系统对光纤和金刚石耦合进行了重点优化，不再使用金刚石颗粒粘贴光纤的方式，而是采用大片金刚石与光纤直接固定，大大简化了耦合难度，提高了耦合稳定性，更加适合小型化设备使用。微波源提供实验所需的微波，微波经由微波天线近场辐射至金刚石表面。将微波天线置于金刚石与待测直导线之间，一方面可以保障光纤中的激光发射至金刚石，另一方面还可使受激发的金刚石距离待测直导线尽量近。直流源提供实验所需低噪声电流，经过待测直导线产生磁场信号。直导线固定在三维平移台表面，与金刚石垂直距离0.5 mm左右，利用三维平移台可以调节金刚石和直导线之间的距离。

图3 光纤耦合金刚石NV 色心系综磁强计测试实验系统原理示意Fig. 3 Schematic diagram of experiment system of fiber coupled diamond NV center ensemble magnetometer

实验测试光纤耦合金刚石NV 色心系综磁强计的性能：

1）ESR 谱测量。在直导线无电流条件下，对金刚石施加约2.5 mT 的预偏磁场，测量其ESR 谱。为了便于观测多峰结构，对原始数据归一化后提取出峰值信号，得到如图4 所示的信号图像。从图中可以看出，2750～2980 MHz 微波频率区间内具有非常清晰的8 峰结构，外加预偏磁场在金刚石4 个轴向的磁场投影大小不同且差值均匀，非常适合开展进一步实验。通过对信号进行洛伦兹拟合可以发现，拟合信号和测量信号峰型匹配度好，峰位清晰可见，与其他研究小组结果相近。

图4 外加预偏磁场时金刚石NV 色心磁强计的ESR 谱Fig. 4 ESR spectra of diamond NV center magnetometer with pre-biased magnetic field

2）磁强计电流信号的灵敏度测量。采用电流源为直导线输出0 mA、50 mA、100 mA 电流。实验发现，沿第1 个峰、第8 个峰轴向的信号变化最大，本文为简便起见仅讨论该两峰的信号变化。0 mA、50 mA、100 mA 所对应峰位差值为159.45 MHz、158.96 MHz、158.08 MHz。将0 mA 对应值认为无外磁场，得到不同电流强度下外磁场强度的实验结果如图5 所示，其中磁信号负值说明电流产生的磁场与预加外磁场方向相反。由图5 可见：随电流增大，NV 色心感受到的整体磁场减小，本系统磁场分辨率的底限为13 μT，这与其他小组的研究结果相吻合；电流大小和磁信号强度基本满足线性关系，符合毕萨定律，且3 种电流强度下信号清晰可区分，故可认为本系统的电流分辨率优于50 mA。目前各种航天器关键部件的特征电流在几百mA量级，50 mA 的电流分辨率基本可以满足关键部件的损坏性诊断和可靠性降低诊断的需求，若要求满足各类元件的诊断需求还应进一步优化电流分辨率至10 mA 量级。

图5 不同特征电流下磁强计信号变化Fig. 5 Variations of magnetometer signal in different characteristic currents

第三，磁强计空间分辨率测量。保持直导线电流为100 mA 不变，利用三维平移台沿垂直于直导线方向移动改变NV 色心与直导线相对距离，同时测量第1 个峰、第8 个峰的峰位差值，结果如图6所示。

图6 磁强计空间分辨率测量结果Fig. 6 Measurement result of spatial resolution of the magnetometer

从图6(a)可以看出明显的台阶信号，此时磁强计探头位于直导线正上方，距离最近、磁场信号最大。根据瑞丽判据，两直导线磁信号叠加50%时即认为两信号不可区分，此时两直导线的距离为磁信号的半高全宽0.4 mm，本距离即为磁强计的空间分辨。图6(a)中峰值左侧有翘边，这是由于三维平移台移动过程中并不能保证绝对的水平且垂直于直导线方向，外加长时间测量引起的误差积累。由于改变距离时磁强计要垂直于导线移动，图6(b)中的直导线与金刚石NV 色心距离是经过计算给出的。实验结果显示，直导线与金刚石NV 色心距离增大时磁场强度呈反比下降，衰减符合毕萨定律。

3 结束语

实验说明，利用光纤耦合金刚石NV 色心系综磁强计优异的空间分辨率和磁场灵敏度可以对电路进行诊断，通过磁场信息反演电路内部信息。从实验结果可以看出，磁强计对电流信号测量的灵敏度优于50 mA，空间分辨率优于0.4 mm，这对于特定场景下的电路诊断和微小区域的磁场测量具有重要意义。

实验中也还存在一些不足：首先，由于实验条件的限制，未能给出该系统对电流分辨率和空间分辨率的准确下限，且在空间分辨率实验中出现翘边现象，须在后续工作中予以解决；另外，本实验仅针对直导线进行诊断，而实际电路更加复杂多样，不仅包括大量的电容、电感等元件，还存在多层电路等情况，下一步应根据实际电路环境开展深入研究。