基于光纖耦合金剛石NV 色心系綜磁強計的電路診斷方法

高 揚，徐超群Δ，黃 魁Δ，高羽婷，劉超波，王 斌，武南開，劉明君，張 超，肖 琦，孟立飛，易 忠*

（1. 北京衛星環境工程研究所； 2. 中國空間技術研究院：北京 100094）

0 引言

金剛石NV 色心系綜磁強計是一種基于量子技術的新型磁場測量裝置，相比于需要液氦制冷的超導量子干涉儀具有室溫磁測的優勢，相比于光泵磁強計具地磁場環境下的磁測能力和極高的空間分辨率，相比于磁通門磁強計具有非常高的磁場靈敏度，同時還具有低溫下靈敏度高、可進行溫度測量、可用于活體測磁等諸多優點。這使得金剛石NV 色心系綜磁強計成為熱門磁測設備，在物理學、生物學、材料科學、地質學、航空航天等領域被廣泛應用。

磁科學在航空航天領域有諸多應用，如航天器姿態調整、飛行器磁矩設計、磁陀螺等。其中，通過磁場反演不僅可以獲得航天器及其內部元件的磁矩信息，還可以利用電子電磁感應原理得到內部電流信號，進一步獲得元件的工作電流信息。但這些應用要求磁強計具有較高的磁場靈敏度和空間分辨率，傳統磁通門磁強計、光泵磁強計無法實現，而光纖耦合金剛石NV 色心系綜磁強計是一種可用于電路診斷的理想磁強計，可在保障磁場靈敏度的同時提供較高的空間分辨率。

在電路診斷中，電流分辨率決定了對同一元件不同狀態的分辨能力，空間分辨率決定了對不同位置元件的區分能力。為獲取磁強計的電流分辨率和空間分辨率參數，需要在不同電流強度和空間距離下測定導線的磁場信號。本文對磁強計沿NV 色心某一軸向的信號進行分析，系統研究不同電流強度和空間距離下導線的磁信號，獲得電流分辨率、空間分辨率的底限，以便為后續實際診斷和設備優化提供參考。

1 原理

金剛石具有體心立方晶格結構，如圖1(a)所示，沿[11ˉ1ˉ]晶向的1 個氮原子和臨近的空穴組成一種點缺陷，即NV 色心。NV 色心的電子具有C對稱結構，圖1(b)為其能級結構，基態能級和激發態為電子自旋投影=±1 和=0 的自旋三重態，和為亞穩態能級。

當不存在外磁場時，基態能級的=±1，處于兼并狀態。如圖1(b)右側所示，對處于基態能級的=0 基態電子施加532 nm 泵浦激光后可以將電子泵浦至激發態并保持=0，電子退激發時會發出637 nm 熒光并回到能級的=0。若對NV 色心施加頻率為2.87 GHz 的微波場，可以將基態電子從=0 激發至=±1；再用532 nm 激光泵浦處于能級=±1 的基態電子，電子將被泵浦至激發態并保持=±1。能級=±1 的激發態電子有光學退激發和系間竄越（intersystem crossing，ISC）過程退激發2 種退激發模式，少量電子經過光學退激發會發出637 nm熒光并回到能級=±1，而大部分電子經過ISC 過程不發出熒光光子即退激發至亞穩態，發出1042 nm 光子后最終退激發至能級=0。相較于不施加微波場，施加微波場后部分電子經過不發光的ISC 過程退激發，因此金剛石NV 色心的熒光發射效率明顯降低。當然，微波場頻率與NV 色心電子所需頻率不匹配時，無法將基態電子從=0 激發至=±1，也就無法觀察到這一現象。因此，當掃描微波頻率時可得到圖2(a)所示的ESR（電子回旋共振）譜線，其中心頻點為=2.87 GHz。

圖1 金剛石NV 色心及其能級結構Fig. 1 Diamond NV color center and its energy level structure

當存在外磁場時，根據塞曼效應譜線的裂距公式以及NV 色心電子哈密頓量可以得到共振頻率

其中：≈2.003，是NV 色心的電子參數； μ是玻爾磁子；是普朗克常量；是外磁場強度。因此，如圖2(b)所示，當施加一個外磁場后，掃描微波頻率可以觀測到2 個共振峰，通過2 個共振峰的峰位差值即可獲得外磁場大小。而根據圖1(a)所示，金剛石NV 色心具有4 個軸向，因此當外磁場在金剛石4 個晶格軸向均有分量且大小不同時，可以清晰觀測到4 對峰（8 峰），其中每對峰的峰位差對應某一軸向方向的磁場投影大小，通過4 個軸向峰位差即可合成反演出外磁場的矢量值。繼而可根據畢薩定律，通過外磁場的信號變化得到外界待測電路信號的變化。

圖2 不同外磁場條件下金剛石NV 色心ESR 譜線Fig. 2 ESR spectra of diamond NV center in different external magnetic fields

2 實驗

圖3 展示了本實驗的基本原理，連續激光器產生532 nm 激光，經過多模光纖傳輸形成極小光斑（理論上，光斑越小空間分辨率越高）直接入射至金剛石表面。本系統對光纖和金剛石耦合進行了重點優化，不再使用金剛石顆粒粘貼光纖的方式，而是采用大片金剛石與光纖直接固定，大大簡化了耦合難度，提高了耦合穩定性，更加適合小型化設備使用。微波源提供實驗所需的微波，微波經由微波天線近場輻射至金剛石表面。將微波天線置于金剛石與待測直導線之間，一方面可以保障光纖中的激光發射至金剛石，另一方面還可使受激發的金剛石距離待測直導線盡量近。直流源提供實驗所需低噪聲電流，經過待測直導線產生磁場信號。直導線固定在三維平移臺表面，與金剛石垂直距離0.5 mm左右，利用三維平移臺可以調節金剛石和直導線之間的距離。

圖3 光纖耦合金剛石NV 色心系綜磁強計測試實驗系統原理示意Fig. 3 Schematic diagram of experiment system of fiber coupled diamond NV center ensemble magnetometer

實驗測試光纖耦合金剛石NV 色心系綜磁強計的性能：

1）ESR 譜測量。在直導線無電流條件下，對金剛石施加約2.5 mT 的預偏磁場，測量其ESR 譜。為了便于觀測多峰結構，對原始數據歸一化后提取出峰值信號，得到如圖4 所示的信號圖像。從圖中可以看出，2750～2980 MHz 微波頻率區間內具有非常清晰的8 峰結構，外加預偏磁場在金剛石4 個軸向的磁場投影大小不同且差值均勻，非常適合開展進一步實驗。通過對信號進行洛倫茲擬合可以發現，擬合信號和測量信號峰型匹配度好，峰位清晰可見，與其他研究小組結果相近。

圖4 外加預偏磁場時金剛石NV 色心磁強計的ESR 譜Fig. 4 ESR spectra of diamond NV center magnetometer with pre-biased magnetic field

2）磁強計電流信號的靈敏度測量。采用電流源為直導線輸出0 mA、50 mA、100 mA 電流。實驗發現，沿第1 個峰、第8 個峰軸向的信號變化最大，本文為簡便起見僅討論該兩峰的信號變化。0 mA、50 mA、100 mA 所對應峰位差值為159.45 MHz、158.96 MHz、158.08 MHz。將0 mA 對應值認為無外磁場，得到不同電流強度下外磁場強度的實驗結果如圖5 所示，其中磁信號負值說明電流產生的磁場與預加外磁場方向相反。由圖5 可見：隨電流增大，NV 色心感受到的整體磁場減小，本系統磁場分辨率的底限為13 μT，這與其他小組的研究結果相吻合；電流大小和磁信號強度基本滿足線性關系，符合畢薩定律，且3 種電流強度下信號清晰可區分，故可認為本系統的電流分辨率優于50 mA。目前各種航天器關鍵部件的特征電流在幾百mA量級，50 mA 的電流分辨率基本可以滿足關鍵部件的損壞性診斷和可靠性降低診斷的需求，若要求滿足各類元件的診斷需求還應進一步優化電流分辨率至10 mA 量級。

圖5 不同特征電流下磁強計信號變化Fig. 5 Variations of magnetometer signal in different characteristic currents

第三，磁強計空間分辨率測量。保持直導線電流為100 mA 不變，利用三維平移臺沿垂直于直導線方向移動改變NV 色心與直導線相對距離，同時測量第1 個峰、第8 個峰的峰位差值，結果如圖6所示。

圖6 磁強計空間分辨率測量結果Fig. 6 Measurement result of spatial resolution of the magnetometer

從圖6(a)可以看出明顯的臺階信號，此時磁強計探頭位于直導線正上方，距離最近、磁場信號最大。根據瑞麗判據，兩直導線磁信號疊加50%時即認為兩信號不可區分，此時兩直導線的距離為磁信號的半高全寬0.4 mm，本距離即為磁強計的空間分辨。圖6(a)中峰值左側有翹邊，這是由于三維平移臺移動過程中并不能保證絕對的水平且垂直于直導線方向，外加長時間測量引起的誤差積累。由于改變距離時磁強計要垂直于導線移動，圖6(b)中的直導線與金剛石NV 色心距離是經過計算給出的。實驗結果顯示，直導線與金剛石NV 色心距離增大時磁場強度呈反比下降，衰減符合畢薩定律。

3 結束語

實驗說明，利用光纖耦合金剛石NV 色心系綜磁強計優異的空間分辨率和磁場靈敏度可以對電路進行診斷，通過磁場信息反演電路內部信息。從實驗結果可以看出，磁強計對電流信號測量的靈敏度優于50 mA，空間分辨率優于0.4 mm，這對于特定場景下的電路診斷和微小區域的磁場測量具有重要意義。

實驗中也還存在一些不足：首先，由于實驗條件的限制，未能給出該系統對電流分辨率和空間分辨率的準確下限，且在空間分辨率實驗中出現翹邊現象，須在后續工作中予以解決；另外，本實驗僅針對直導線進行診斷，而實際電路更加復雜多樣，不僅包括大量的電容、電感等元件，還存在多層電路等情況，下一步應根據實際電路環境開展深入研究。