基于氮空位中心金刚石的低频交流电场幅值重构方法

《Applied Sciences》：A Low-Frequency AC Electric-Field Amplitude Reconstructed Method Based on Nitrogen-Vacancy Center in Diamond

　　

新兴电力系统中的电场测量需兼容多频段、高强度及复杂电磁环境。研究人员提出一种基于金刚石氮空位（NV）中心的低频交流电场幅值重构方法。该方法利用哈恩回波（Hahn–echo）序列将电场诱导的量子相位累积转换为NV荧光变化，并通过时域拟合与频域特征提取反演场强幅值。研究人员首先采用标准电光探针标定平行板电场发生器，随后在2500 Hz下开展测量；以电光探针结果为参考，重构电场幅值在中场强区间定量吻合良好，最佳单点绝对偏差为0.0219 kV/m，而在被测幅值高低两端偏差较大。通过调整哈恩回波时序匹配不同场周期，1500 Hz与2000 Hz下的幅值亦成功反演。结果表明该方法适用于已知频率的窄带交流电场，为量子传感技术应用于电力设备状态监测与复杂电磁环境测量提供实验依据。

研究背景方面，电场是表征电气设备运行状况、电磁环境与绝缘性能的重要物理量，其测量贯穿发输变配用电全过程。随着可再生能源大规模接入与电力电子装置广泛部署，电力系统电磁过程呈现宽频谱、多时间尺度动态耦合与非均匀分布特征，电场测量由工频传统应用演变为涉及多频段、耦合工况与弱信号检测的复杂任务。常规电场传感器受材料特性、温湿度、老化等制约，难以满足电力物联网对微型化、宽带响应与高密度分布部署的需求，且转换系数需定期标定。量子传感为解决上述局限提供路径：超导量子干涉仪（SQUIDs）与无自旋交换弛豫（SERF）原子磁强计依赖低温或磁屏蔽且仅测磁场；里德伯原子主要适用于兆赫至吉赫射频电场；而金刚石NV中心具备室温工作、固态集成、小传感体积、宽温区与光学读出优势，适于电力设备微型分布式传感。已有研究在单NV三维电场传感、系综NV低频电场与浅层单NV射频电场方面取得进展，但千赫兹低频交流电场幅值重构的室温实验验证仍有限。为此，研究人员开展基于NV中心与哈恩回波序列的低频交流电场幅值重构原理验证。

关键技术方法方面，研究人员选用（100）切向单晶金刚石样品（氮浓度约0.9 ppm），以532 nm激光初始化与读出NV^?电子自旋，施加横向偏置磁场使选定NV轴、电场方向与磁场方向两两正交以最大化电场响应；采用哈恩回波脉冲序列（激光初始化—等待—π/2微波—自由演化τ—π微波—自由演化τ—π/2微波—荧光读出），按目标电场周期设置自由演化时间τ实现周期匹配；电场发生器由函数发生器经高压放大器驱动平行板电极，并以标准电光探针（Kapteos EL1-LK）标定参考场强；信号处理端对荧光时序作时域拟合与快速傅里叶变换（FFT），利用贝塞尔函数展开关系由偶次频谱峰反演幅值。

研究结果部分，仿真分析中研究人员模拟2500 Hz标准交流电场下哈恩回波荧光响应，显示时域为余弦相位调制波形，FFT谱呈离散谱线与偶次谐波结构，证实电场信息经量子相位累积编码于荧光频谱，可由频谱峰幅结合贝塞尔函数反演幅值。实验装置与标定中，研究人员以电光探针标定平行板系统，线性区（1–11 Vpp）拟合决定系数R²=0.997，迟滞最大差2.26%，8次重复测量变异系数最高3.764%，短时稳定性测试无单向漂移，证明参考场可靠。幅值重构实验中，2500 Hz下取256次平均平衡时长与拟合质量，中场强段重构值与参考值吻合最佳单点绝对偏差0.0219 kV/m、相对偏差0.60%，低场端因荧光调制弱受噪声与拟合不确定影响偏差增大（最高相对46.05%），高场端因电场系统非线性压缩与小相位近似失效偏差升至20.16%；在1500 Hz与2000 Hz调整τ后同样获得重构结果，相对偏差分别为8.34%与10.68%，验证方法对已知频率窄带交流电场具频率可扩展性。

讨论部分指出，该方法原理上不限于单一频率，但当前需预先获知目标频率，不能自动跟踪频漂或分辨多未知频率分量，亦不直接适用瞬态与宽带场；实验验证的频率与幅值区间有限，应视为已知或可识别频率的周期/准周期窄带交流电场幅值重构原理验证。未来需拓展频幅范围、研究连续带宽与频率容限、引入扫频与高级动力学解耦序列及自适应时序控制。

结论部分翻译：总体而言，研究人员提出并实验验证一种基于金刚石NV中心与哈恩回波序列的低频交流电场幅值重构方法。通过周期匹配实现电场诱导相位建设性累积，结合时域荧光拟合、FFT频谱特征与贝塞尔函数关系反演场强幅值。上述发现为金刚石NV量子传感应用于电力设备状态监测与复杂电磁环境低频电场测量提供实验支撑。论文发表于《Applied Sciences》。