一种用于延长磁力仪弛豫时间的复合结构膜层及镀制方法技术

本发明专利技术属于测量技术领域，具体涉及一种用于延长碱金属原子磁力仪中原子池弛豫时间的复合膜层及镀制方法，对于提高原子磁力仪灵敏度具有重要意义。所述复合结构膜层镀制于原子池内壁，由内层OTS膜和外层烯烃膜两部分组成。提出了一种复合结构膜层以延长碱金属原子弛豫时间、提高膜层耐高温性能：通过OTS膜提高弛豫膜的耐高温性能，同时对碱金属原子表面弛豫起到一定程度的抑制作用；通过烯烃膜物理吸附于OTS膜表面，进一步利用烯烃膜的优势显著改善膜层抗弛豫效果，延长碱金属原子弛豫时间，最终提高原子磁力仪灵敏度。

Composite structure film layer for prolonging relaxation time of magnetometer and plating method

The invention belongs to the technical field of measurement, in particular to a composite coating and plating method of alkali metal atoms in the atomic magnetometer to extend the relaxation time of the pool, has an important significance for improving the sensitivity of atomic magnetometer. The composite structure film is plated on the inner wall of the atom pool, and consists of two parts: an inner layer, a OTS film and an outer olefin film. A composite structure layer to extend the alkali metal atom relaxation time and improve the film heat resistance relaxation film: to improve the high-temperature performance by OTS membrane, the alkali metal atom surface relaxation to a certain degree of inhibition; adsorption on OTS membrane surface membrane by olefin physics, further use of olefin membrane the advantages of improved film anti relaxation effect, prolong the relaxation time of alkali metal atoms, and ultimately improve the sensitivity of atomic magnetometer.

【技术实现步骤摘要】
一种用于延长磁力仪弛豫时间的复合结构膜层及镀制方法
本专利技术属于测量
，具体涉及一种用于延长碱金属原子磁力仪中原子池弛豫时间的复合膜层及镀制方法，对于提高原子磁力仪灵敏度具有重要意义。
技术介绍
磁场是磁性物质的重要属性，对磁场的测量具有重要意义，2000多年前，司南的出现，成为了最早的磁场测量工具。激光技术、量子技术等的飞速发展，极大地推动了精密磁场测量技术的进步。精密磁场测量技术在矿产资源探测、地质结构调查、临床医学诊断以及地震预测等领域具有重要应用。半导体激光器的出现以及长弛豫时间原子池的制备推动了原子磁力仪的发展，目前原子磁力仪已经取代超导量子器件(SuperconductingQuantumInterferenceDevices,SQUID)成为最灵敏的磁场测量装置。碱金属原子磁力仪通过观测碱金属原子在待测磁场作用下的自旋进动实现磁场测量。磁场测量灵敏度作为原子磁力仪最重要的性能指标，其极限灵敏度可表示为：提高原子磁力仪的灵敏度，主要通过延长原子池弛豫时间T、增加原子池内碱金属原子密度N两种方法实现。原子池内存在多种弛豫机制，主要包括：碱金属原子与原子池内壁碰撞引起的表面弛豫、碱金属原子之间的自旋交换碰撞弛豫、碱金属原子之间以及碱金属原子与缓冲气体原子(分子)之间的自旋破坏碰撞弛豫等，其中碱金属原子与原子池内壁碰撞引起的表面弛豫最为显著。为减小原子与原子池内壁碰撞引起的表面弛豫，延长碱金属原子弛豫时间，目前普遍采用的方法有两种：一是在原子池内充入缓冲气体以延长碱金属原子向原子池内壁的扩散时间；二是在原子池内壁镀制抗弛豫膜，通常选用极化率和吸附能较低的膜层材料，从而有效地避免了碱金属原子与原子池玻璃内壁的直接作用，减小碱金属原子在膜层表面的吸附时间。与在原子池内充入缓冲气体相比，采用抗弛豫膜抑制碱金属原子表面弛豫具有下述显著优势：(1)由于原子池内不存在缓冲气体，避免了因碱金属原子与缓冲气体原子(分子)碰撞导致的压制展宽，磁力仪信号线宽变窄；(2)镀膜情况下，碱金属原子在原子池内快速运动，可对整个样品空间进行采样，降低了对泵浦光和探测光光束尺寸等的要求，同时有利于推动光纤在原子磁力仪中的应用；(3)镀膜情况下，碱金属原子在原子池内的快速运动可有效抑制原子池内剩余磁场梯度引起的弛豫作用。国内外对原子池内抗弛豫膜层材料开展了大量研究。石蜡是最早应用于原子池内的抗弛豫膜层材料，美国Califormia大学Berkeley分校D.Budker(【GrafMT,KimballDF,RochesterSM,etal.Relaxationofatomicpolarizationinparaffin-coatedcesiumvaporcells[J].PhysicalReviewA,2005,72(2):023401.】)，以及俄罗斯Petersburg大学M.V.Balabs等对在碱金属原子池内壁镀制石蜡膜的情况开展了大量研究(【BalabasMV,BudkerD,KitchingJ,etal.Magnetometrywithmillimeter-scaleantirelaxation-coatedalkali-metalvaporcells[J].JOSAB,2006,23(6):1001-1006.】)。镀石蜡膜情况下，碱金属原子与原子池表面的有效碰撞次数可高达104，证实了石蜡膜的抗弛豫效果。然而，石蜡的熔点较低，通常在60℃～80℃，镀石蜡膜的原子池工作温度一般不能高于80℃，从而限制了石蜡膜在小型化原子磁力仪以及无自旋交换(Self-ExchangeRelaxation-Free,SERF)磁力仪等领域的应用。随着SERF原子磁力仪、小型化原子磁力仪的发展，对抗弛豫膜层材料的高温稳定性提出了更高要求。Princeton大学S.J.Seltzer、M.V.Romalis等对耐高温的OTS(Octadecyltrichlorosilane,十八烷基三氯硅烷)膜开展了大量研究(【SeltzerSJ,RomalisMV.High-temperaturealkalivaporcellswithantirelaxationsurfacecoatings[J].JournalofAppliedPhysics,2009,106(11):114905.】)，国内复旦大学赵凯峰等也开展了OTS膜的系列研究，通过对空气中水分含量的控制形成不同的OTS膜层(干燥环境下，形成自组织单层OTS膜；潮湿环境下，形成多层OTS膜，不同OTS分子键形成十字交叉构型)，实验研究了水分含量对OTS膜抗弛豫性能的影响(【ZhangG,WeiL,WangM,etal.Effectsofwaterconcentrationinthecoatingsolutiononthewallrelaxationrateofoctadecyltrichlorosilanecoatedrubidiumvaporcells[J].JournalofAppliedPhysics,2015,117(4):043106.】)。多层OTS膜在不高于170℃的环境下具有较好抗弛豫效能，而单层自组织OTS膜最高工作温度甚至可高达400℃。OTS膜较之石蜡膜具有较好的高温稳定性，但其抗弛豫效果不如石蜡，弛豫时间一般在ms量级，目前已经实现的最高碰撞次数为2100，一般在几百左右。M.V.Balabas等人将含有不饱和C＝C键的烯烃膜应用于Rb原子池内，证实了烯烃膜具有较好的抗弛豫性能，其横向弛豫时间可达77s，碰撞次数达到106(【BalabasMV,KaraulanovT,LedbetterMP,etal.Polarizedalkali-metalvaporwithminute-longtransversespin-relaxationtime[J].Physicalreviewletters,2010,105(7):070801.】)，较之石蜡膜提高了两个量级。但烯烃膜的熔点更低，要求工作温度一般不超过33℃。为保证碱金属原子磁力仪的高灵敏度，迫切需要设计一种同时具有较好的抗弛豫效果和耐高温的膜层材料。本专利技术提出了一种用于延长碱金属原子池弛豫时间的复合结构膜层设计方案，在原子池内壁首先镀制一层OTS膜，再于OTS膜上镀制一层烯烃膜(如C18-C24)，可同时起到抗弛豫和耐高温的作用，对于提高碱金属原子磁力仪灵敏度具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对通过延长碱金属原子弛豫时间以提高磁力仪灵敏度问题，现有的两种常用方案(充缓冲气体、原子池内壁镀抗弛豫膜)均存在一定不足：在原子池内充入缓冲气体可延缓碱金属原子向原子池内壁的扩散时间，但同时由于碱金属原子与缓冲气体的碰撞，引起共振线宽展宽；常用的石蜡、OTS等抗弛豫膜，不能达到同时具备高效的抗弛豫效果和耐高温的目标。针对上述不足，本专利技术提出了一种用于延长磁力仪弛豫时间的复合结构膜层及镀制方法，可同时满足高温及抗弛豫要求。本专利技术采用的技术方案是：一种用于延长磁力仪弛豫时间的复合结构膜层，其特征在于：所述复合结构膜层镀制于原子池内壁，由内层OTS膜和外层烯烃膜两部分组成。本专利技术还提供一种如上所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于延长磁力仪弛豫时间的复合结构膜层，其特征在于：所述复合结构膜层镀制于原子池内壁，由内层OTS膜和外层烯烃膜两部分组成。

【技术特征摘要】
1.一种用于延长磁力仪弛豫时间的复合结构膜层，其特征在于：所述复合结构膜层镀制于原子池内壁，由内层OTS膜和外层烯烃膜两部分组成。2.一种权利要求1所述用于延长磁力仪弛豫时间的复合结构膜层的镀制方法，该方法包括以下步骤：S1镀制OTS膜：S1.1清洗原子池：利用“排气法”将“食人鱼”溶液注入到原子池内，目的在于去除原子池内壁上的有机杂质，避免其与OTS发生反应，并使真正的玻璃表面暴露出来，所述“排气法”就是用注射器连接特氟龙毛细管通过大气压使溶液倒灌入原子池内，所述“食人鱼”溶液由双氧水和浓硫酸按照3:7的体积比配置而成，配置过程中利用胶头滴管将双氧水缓慢加入到浓硫酸中，并不断进行搅拌；S1.2待原子池内充满“食人鱼”溶液后，将原子池放置约1小时，并抽出原子池内溶液；S...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅杨颖，丁志超，袁杰，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43