原子传感器用磁屏蔽单元中磁噪声抑制技术的优化与性能验证

本研究针对原子传感器（如NMRG和OPM）对超低磁噪声环境的严苛需求，设计并优化了四层磁屏蔽单元与多层柔性线圈系统。通过热处理、消磁和场补偿等创新工艺，实现了X/Y/Z轴最高2957倍的屏蔽效能提升，最终获得<8 pT静态场和<16 fT/√Hz残余噪声的突破性成果，为高精度量子传感器开发提供了关键技术支撑。

　　

在量子精密测量领域，原子传感器如核磁共振陀螺仪(NMRG)和光泵磁力计(OPM)正引发技术革命。这类基于塞曼分裂(Zeeman splitting)原理的器件，其性能核心在于能否构建接近零磁场的"纯净"环境。然而现实充满挑战：地球磁场(20-60 μT)的干扰、材料磁化导致的低频噪声(如K-Rb-²¹Ne SERF系统会出现0.02°/h的漂移)、以及传统屏蔽结构的局限性，使得实现<10 nT的"零磁场"标准成为学界难题。

针对这一瓶颈，土耳其科学和技术研究委员会的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表了一项突破性研究。他们创新性地将四层优化磁屏蔽单元与六层柔性线圈电路结合，通过热处理、消磁和场补偿三步工艺的协同作用，最终创造了静态场<8 pT、噪声<16 fT/√Hz的极致环境——相当于将地球磁场削弱了数百万倍。

关键技术方法
研究采用多学科交叉策略：1) 通过COMSOL仿真优化四层圆柱形坡莫合金(mumetal)屏蔽结构；2) 开发集成三轴补偿功能的六层柔性印刷电路，实现X/Y/Z三轴独立调控；3) 采用阶梯式热处理(最高1120°C)消除材料应力；4) 创新分布式消磁线圈设计结合PVRC(相位补偿矢量共振控制器)实现动态补偿；5) 使用原子磁力计(灵敏度≤50 pT/√Hz)验证性能。

主要研究结果

Fundamentals and Simulations
理论计算显示，四层同轴圆柱结构在10 Hz下轴向屏蔽因子可达10⁶量级。COMSOL仿真验证了边缘开口设计能降低95%的磁场泄漏，而柔性线圈产生的补偿场均匀性误差<0.5%。

Production
选用NETIC AA/BB级坡莫合金，通过水射流切割与低温激光焊接制成直径30 cm的屏蔽体。六层柔性电路采用聚酰亚胺基底，集成12组独立线圈，可同时产生DC补偿场(精度±0.1 nT)和AC测试场(10-100 Hz)。

Results and Discussion
热处理使X/Y/Z轴屏蔽效能分别提升21.9/170.8/1.9倍；后续消磁与场补偿工艺进一步将增益提升至2.5/175/2957倍。在10-100 Hz频段，横向与纵向磁噪声分别降至135 fT/√Hz和16 fT/√Hz，优于同类报道的76 fT/√Hz(1 Hz处)。

Conclusion
该研究首次系统验证了工艺顺序对屏蔽效能的累积效应：热处理主要改善材料μ_r(相对磁导率)，消磁解决剩磁问题，而柔性线圈的动态补偿则克服了环境波动。所实现的16 fT/√Hz噪声水平，已满足SERF态原子传感器对磁场稳定性的严苛要求。

重要意义
这项研究为量子传感器的小型化与实用化扫清了关键技术障碍：1) 首创的柔性线圈集成方案突破了传统补偿系统的体积限制；2) 明确的工艺优化序列(热处理→消磁→补偿)为行业提供标准化流程；3) 2957倍的Z轴屏蔽增益刷新了薄壁结构的性能记录。正如作者强调，这项技术不仅适用于NMRG/OPM，还可拓展至脑磁图(MEG)和心磁检测等生物医学领域，为"芯片级"原子器件的发展铺平道路。