利用磁通集中器增强矢量场以实现NV型钻石磁强测量

《IEEE Sensors Letters》：Vector Field Enhancement With Magnetic Flux Concentrators for NV Diamond Magnetometry

　　

本研究介绍了一种基于钻石的矢量磁强计，该磁强计利用了氮空位（NV）中心和先进的3D磁通集中器（MFC）系统。MFC系统能够放大并引导外部磁场进入量子NV传感器，同时保持磁场的矢量特性。该设计采用了多组正交的三角形结构，这些高磁导率的MFC模块由聚合物3D打印支架支撑，从而在紧凑的外形尺寸内实现高效的磁场集中。这种多轴MFC结构有效解决了光学检测磁共振（ODMR）光谱拥挤问题，使得在μT磁场范围内工作的矢量型磁探测器能够可靠地检测到多个ODMR峰对。仿真和实验结果表明，当MFC对之间的距离为0.42毫米时，MFC系统可以将钻石探测区域内的磁场增强144.5倍。这项工作展示了工程化的3D MFC系统在提高磁矢量灵敏度方面的潜力，为导航、异常检测和生物医学传感等应用提供了实用的解决方案。

基于钻石中氮空位中心（NVD）的量子传感器在检测磁场方面非常有效，它们利用碳键的自然取向和光学检测磁共振（ODMR）技术实现矢量场检测[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。然而，要达到与其他量子矢量磁强计相当的灵敏度水平，通常需要笨重且昂贵的光电装置，这限制了它们在实验室外的应用[7]、[8]、[9]。虽然磁通集中器（MFC）传统上被用于增强各种标量磁强计[10]、[11]、[12]、[13]，但将其用于3D配置中进行矢量场放大是一个新的方法[14]、[15]。通常，传感器被放置在两个MFC结构之间的间隙中，这两个结构从较大区域收集磁通并将其集中到该间隙中。磁场幅度的增强效果受几何形状、间隙大小以及集中器材料的相对磁导率（μ_r）等因素的影响。最佳设计取决于应用需求，主要由形状、尺寸和与传感器的距离等因素决定[16]、[17]。在μT磁场范围内工作的NVD磁强计会遇到光谱拥挤问题[18]，这使得难以区分多个ODMR峰。然而，对于矢量检测而言，多个ODMR峰的存在对系统性能至关重要。在低磁场下，由于自旋跃迁之间的频率分离不足，不同氮空位（NV）取向类别相关的ODMR共振会重叠，从而导致光谱拥挤。