原子磁力儀的空間應用及發展趨勢

寇 軍， 康海霞， 楊 然， 桑建芝， 王學鋒

(1.中國航天科技集團有限公司量子工程研究中心，北京100094；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

從發射第一個探空火箭到最近的行星際探測器,在人類開展太空探索的各個階段,磁傳感器都發揮著重要的作用。我們可以從空間測量出行星的磁場,并以此推斷行星的內部性質和動力學信息[1]。幾乎所有肩負著空間探索任務的飛行器都搭載了高精度磁力儀,而空間磁場測量的需求又反過來推動了過去50年來磁場測量技術的高速發展。

在太空探索中,很多有意義的科學發現建立在磁場測量的基礎之上。探空火箭攜帶的磁力儀首次證明了地球的電離層存在電流,以及電流對地磁場日變的影響[2]。這些數據不僅揭示了太陽風和地球之間的相互作用,還促進了針對Van Allen輻射帶的研究[3],從而為載人航天技術的發展鋪平了道路。應用空間磁力儀可以獲得行星及衛星的磁場,以木衛二和木衛四為例,它們的磁場信息有力地證明了地表冰層下存在液態水[4-5],這些液態水表明太陽系可能存在其他生命形態。上述探索發現已經成為未來進一步空間磁場探測的巨大動力。

與地面應用不同,空間應用除了對磁力儀的穩定性和準確度等指標提出基本要求外,還需要磁力儀能夠滿足功耗、體積、工作溫度、空間輻照等約束條件。針對航天器在軌運行過程中的姿態變化,轉向差和帶寬指標更高的標量磁力儀和矢量磁力儀被研發出來,以確保磁力儀能夠測量相對方向快速變化的空間磁場。為了滿足在軌工作的大溫度范圍的要求,人們一直在探索采用穩定性較高的標量原子磁力儀校準三分量矢量磁力儀,從而解決矢量磁力儀長期漂移的問題。目前,在大多數航天任務中,航天器自身的剩磁限制了磁測量結果的精度[6],一般通過發射任務前的地面測試建模和補償算法,將這一影響從在軌測量的數據中消除[7]。

空間用原子磁力儀通常用于測量磁場的低頻分量,以及校準磁通門磁力儀的測量結果。按照工作原理,原子磁力儀可分為光泵磁力儀和CPT磁力儀。按照工作介質,原子磁力儀可分為氦原子磁力儀和堿金屬原子(包括銣原子和銫原子)磁力儀。按照工作模式,原子磁力儀可分為標量磁力儀和矢量磁力儀。

1 原子磁力儀的工作原理

1.1 光泵磁力儀

光泵磁力儀利用原子的自旋進動反演待測磁場。所謂光泵就是利用光子改變原子光學能級之間的布居狀態,而這種改變后的分布狀態是有別于正常的Boltzmann分布的。如圖1所示,利用光的作用使各磁子能級的原子完全集中到某一個磁子能級上,從而實現了原子的極化。驅動線圈產生交變射頻磁場,與原子發生磁共振作用。此時,亞穩態原子需要重新吸收探測光。探測光透過氣室的光會變弱,透過氣室的光強最弱時對應的射頻場頻率f即為磁共振頻率,進而可推算出被測磁場B0。在19世紀60年代,光泵磁力儀的主流方案包括Mz型磁力儀、Mx型磁力儀(常采用自激振蕩模型)和雙氣室自激振蕩Mx型磁力儀[8]。

1.2 CPT磁力儀

如圖2所示,CPT(Coherent Population Trapping,相干布居俘獲)磁力儀利用激光光場與原子之間的相互作用使原子被俘獲在基態能級上,通過檢測光場透射譜線的變化實現磁場測量。原子的磁子能級在外磁場中發生Zeeman分裂,相鄰磁子能級的能量差與外界磁場的強度成正比。通過對反映磁場信息的CPT信號進行測量,就可得到外界磁場強度[9-10]。CPT磁力儀具有小體積、無盲區、高靈敏度等特點,已成為國內外研究的重點和熱點方向之一。

2 原子磁力儀的空間應用

2.1 光泵磁力儀的空間應用

(1)地磁場長期變化監測

20世紀60年代末,美國發射了一系列磁測衛星(POGO-2、POGO-4、POGO-6),這些衛星搭載了測量精度為6nT的銣光泵磁力儀。3個POGO任務返回數據證明了赤道電集流[11]的存在,可提供地磁場長期變化的測量結果[12]。最重要的是,這些空間磁場測量結果為建立第1個國際地磁參考場(IGRF)模型[13-14]和繪制全球磁異常圖[15]提供了數據基礎和科學依據。

(2)高分辨率地磁場測量

在完成全球磁場測量之后,1979年,美國地質調查局和美國航空航天局(NASA)合作研制的“地磁衛星(MagSat)”成功發射,其目標是完成更高分辨率的地磁場總場測量和三分量測量,并且修正由地磁場長期變化引起的IGRF模型誤差。

MagSat衛星選擇銫光泵磁力儀實現磁場總場測量并用于校準磁通門磁力儀。由于銫原子與銣原子相比具有更小的非線性Zeeman頻移[16],可以減小測量轉向差。科研人員基于MagSat衛星測得的數據構造了目前最精確的地磁參考場,地磁場模型球諧函數模型拓展到了第23階項。在探測任務結束后,科研人員經過長達十余年的數據處理,繪制出了精確的地磁異常圖[17-19]。

(3)木星磁場測量

由美國宇航局主導的 “先驅者10號”于1972年發射,成為第1個探訪木星的探測器[20]。如圖3所示,執行木星磁場測量任務的有效載荷是矢量氦光泵磁力儀,磁力儀的測量動態范圍達到±140000nT。

(4)研究地核和地幔的物理性質

如圖4所示,阿根廷國家空間活動委員會(CONAE)和美國宇航局合作于2000年發射了SAC-C衛星,其有效載荷包括標量氦光泵磁力儀,測量動態范圍為20000nT～70000nT,精度優于1nT,帶寬為0Hz～1Hz。標量氦光泵磁力儀使用單一的氦氣燈作為光源,泵浦2個垂直排布的氦原子氣室,其獲得的磁場總場值被用于校準矢量磁通門磁力儀的測量結果[21]。衛星采用三軸穩定控制方式,使磁力儀能夠在高度傾斜的極地軌道實現磁場測量。磁測量的目的是獲得地球磁場的長期變化的數據,研究地核和地幔的物理性質,以及地球磁場與太陽風之間的相互作用機理。

(5)地磁場磁源分析

“空間氣象先進研究任務”衛星星座由3顆小衛星組成,是歐洲航天局的首個用于測量地球核心、地幔、地殼、海洋和電離層磁場信息的地磁探測衛星星座,其主要科學目標是提高地磁場測量精度(多點測量)及研究地磁場隨時間、空間的變化規律,使人們對地球內部、大氣與氣候和氣象有關的變化過程,以及空間氣象和輻射危害有了新的認識。

“空間氣象先進研究任務”的主要磁測載荷包括氦光泵磁力儀[22]和磁通門磁力儀,氦光泵磁力儀的絕對精度優于0.3nT,分辨率在全量程范圍(15000nT～65000nT)內優于0.1nT,可用來對磁通門磁力儀進行校準,以長期維持地磁場測量的絕對精度,如圖5所示。

2.2 CPT磁力儀的空間應用

圖6為奧地利科學院空間研究所研制的基于CPT原理的暗態耦合磁力儀(Coupled Dark State Magnetometer,CDSM)[23],它采用多個CPT峰測量磁場值,可消除單個CPT峰測量時系統誤差的影響,靈敏度為30pT/Hz1/2@1Hz,最大測量范圍為100000nT,并已搭載中國ZH一號01星,用于監測與地震相關的空間電離層電磁異常。

3 發展趨勢

經過科研人員的不懈努力,原子磁力儀在空間磁場測量領域取得了長足的發展。我國在空間磁測方面已經規劃了電磁監測衛星計劃[24],致力于研發具有自主知識產權的磁測衛星和高精度原子磁力儀。原子磁力儀的發展趨勢主要體現在以下幾個方面。

(1)高靈敏度

原子磁力儀是目前最為靈敏的磁場測量儀器之一,但隨著探測需求的提高,應用領域的拓展,實際應用過程對磁力儀靈敏度的要求也逐步提高。因此,更高的靈敏度始終是原子磁力儀技術前進的目標。

(2)大動態范圍

空間地磁場的強度能夠達到70000nT,而行星際磁場的強度通常小于10nT,空間磁場測量要求原子磁力儀在保持超高靈敏度的前提下,磁場測量范圍更寬。因此,拓寬原子磁力儀的動態測量范圍也是一個重要的研究方向。

(3)微小型化

近年來,微納衛星的迅速發展,為空間磁場測量提供了應用平臺。同時,也要求原子磁力儀進一步減小體積、降低功耗,以滿足微納衛星平臺對載荷的要求。

(4)矢量磁場測量

磁場三分量測量功能是磁場測量應用的重要方向,也是未來原子磁力儀的發展方向之一。目前,國內外多家科研機構已開展了針對新型原子磁力儀的研發,其控制單元也可在2種工作模式之間切換,使磁力儀具備三軸矢量測磁和標量測磁2種工作模式,能夠滿足更多的應用需求。

4 結論

磁場是地球及類地行星的重要物理場之一,原子磁力儀在空間磁場測量中發揮著不可替代的作用。在國外,已有多種類的原子磁力儀實現了空間應用。而在國內,原子磁力儀仍處于衛星載荷研究階段,在提高測量靈敏度、拓展測量動態范圍、微小型化及矢量磁場測量等方面仍有諸多難題需要深入研究,亟需開展關鍵技術攻關,以研制出小型高靈敏度原子磁力儀,滿足我國地球物理研究和空間探索快速發展的需要。