1、 ICS 33.100.01 CCS L 06 34 安徽省地方标准 DB34/T 45502023 固态自旋量子磁力测量技术性能表征 Characterization of solid state spin quantum magnetic measurement technology2023-10-07 发布2023-11-07 实施安徽省市场监督管理局发 布 DB34/T 45502023 I 前言 本文件按照 GB/T 1.12020标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由安徽省国
2、盛量子科技有限公司提出。本文件由安徽省市场监督管理局归口。本文件起草单位：安徽省国盛量子科技有限公司、中国科学技术大学。本文件主要起草人：赵博文、孙方稳、张少春、陈向东、范永胜、陈英。DB34/T 45502023 1 固态自旋量子磁力测量技术性能表征 1 范围 本文件界定了固态自旋量子磁力测量技术的性能表征，涵盖基于此技术的固态自旋量子磁力测量装置（以下简称“量子磁力测量装置”）的性能表征、表征值的测试方法。本文件适用于基于固态自旋量子磁力测量技术的磁场测量。2 规范性引用文件 本文件没有规范性引用文件。3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。性能表征 performance chara
3、cterization 对反映某项技术性能的参数进行检测和分析。量子测量 quantum measurement 利用量子相干、量子压缩、量子纠缠等特性开展的高精度测量活动。固态自旋 solid state spin 固态材料中的电子自旋和原子核自旋。磁场频率 magnetic field frequency 检测到的被测磁场周期性变化次数。带宽 bandwidth 量子磁力测量装置进行磁场测量时的频率响应范围。4 概述与原理 概述 固态自旋测量系统中的原子或者电子呈现稳定的能级系统，利用激光或者射频能够对其进行稳定激发与操控，是常见的一种量子系统。原理 固态自旋量子磁力测量技术以固态自旋测量
4、系统中电子自旋在外磁场作用下的塞曼劈裂为原理，采用激光或者射频探测其电子自旋共振频率，通过测量出共振峰随磁场的变化，测算出外磁场的大小。DB34/T 45502023 2 固态自旋量子磁力测量技术可以实现高空间分辨率、高灵敏度、高带宽的磁场测量。固态自旋量子磁力测量技术原理如图1所示。图1 固态自旋量子磁力测量技术原理 注：图中“1”和“2”分别代表两种量子自旋态。在零磁场下，两种量子自旋态处于简并状态；在非零磁场下，两种量子自旋态发生塞曼劈裂。5 指标要求 固态自旋量子磁力测量技术指标要求见表1。表1 固态自旋量子磁力测量技术原理 序号 指标 范围要求 单位 1 动态范围 210-2 T 2
5、 灵敏度 510-9 T/Hz 3 线性偏差 0.001-0.1/4 带宽 DC-104 Hz 6 测试环境 测试环境配置 6.1.1 测试配置 在进行固态自旋量子磁力测量装置性能测试前，磁场线圈产生待测均匀磁场误差不大于110-10 T。测试配置见图2。DB34/T 45502023 3 图2 固态自旋量子磁力测量装置性能测试配置 6.1.2 磁屏蔽装置 磁屏蔽装置采用磁屏蔽技术对外界磁场实施屏蔽，产生的磁场强度近似为零的空间。磁屏蔽空间内，剩余磁场强度小于 110-8 T，磁场噪声不大于 110-11，剩余磁场的稳定性小于310-10 T/h。6.1.3 高精密可调电流源 高精密可调电流源
6、产生磁场线圈的驱动电流，支持产生交变磁场、阶跃磁场、直流磁场、锯齿波磁场的驱动电流，最大输出电流不小于 1 A，电流源稳定性优于 10-6，支持多量程电流输出。6.1.4 磁场线圈 磁场线圈产生的磁场不高于 2.510-2 T。磁场线圈均匀区域内的磁场均匀性引起的磁场测量误差不大于量子磁力测量装置最大允许误差绝对值的 1/5。6.1.5 标准磁力仪 标准磁力仪其允许误差不超过待测量子磁力测量装置最大允许误差绝对值的 1/3，在一年内的误差改变量不超过其最大允许误差。恒温、恒湿、恒压环境 要求温度的波动的均方根不超过 110-2 K，湿度变化不超过 1，压强变化不超过 1。7 检测方法 动态范围
7、 7.1.1 测试内容 DB34/T 45502023 4 利用高精密可调电流源及磁场线圈产生待测磁场，通过量子磁力测量装置对该待测磁场进行测量，记录量子磁力测量装置测量输出数据，绘制动态范围响应曲线，得出动态范围。7.1.2 测试配置 测试配置如图2 所示，将待测量子磁力测量装置的探头放置于磁屏蔽装置中的均匀磁场区域内。连接高精密可调电流源与磁场线圈，通过控制高精密可调电流源驱动线圈调节磁场。连接量子磁力测量装置上位机与主机，通过上位机记录量子磁力测量装置输出结果。7.1.3 测试步骤 7.1.3.1 控制高精密可调电流源，驱动磁场线圈产生均匀待测磁场；启动量子磁力测量装置与标准磁力仪，标定
8、待测磁场，校正量子磁力测量装置参数。7.1.3.2 控制高精密可调电流源，驱动线圈产生的磁场，量子磁力测量装置对待测磁场进行测量，记录测量输出结果。7.1.3.3 控制高精密可调电流源，驱动线圈步进产生磁场，重复进行 7.1.3.2 操作进行测量，直至量子磁力测量装置无响应。7.1.3.4 上位机对记录的数据绘制动态范围响应曲线，根据动态范围响应曲线确定磁场测量无响应的临界点，得出动态范围。灵敏度 7.2.1 测试内容 利用高精密可调电流源及磁场线圈产生均匀待测磁场，通过量子磁力测量装置对该待测磁场进行测量，记录量子磁力测量装置测量输出数据，绘制功率谱密度曲线，得出灵敏度。7.2.2 测试配置
9、 测试配置如图2 所示，将待测量子磁力测量装置的探头放置于磁屏蔽装置中的均匀磁场区域内。连接高精密可调电流源与磁场线圈，通过控制高精密可调电流源驱动线圈调节磁场。连接量子磁力测量装置上位机与主机，通过上位机记录量子磁力测量装置输出结果。7.2.3 测试步骤 7.2.3.1 控制高精密可调电流源，驱动磁场线圈产生均匀待测磁场；启动量子磁力测量装置与标准磁力仪，标定待测磁场，校正量子磁力测量装置参数，设定量子磁力测量装置采样率和采集时间。7.2.3.2 控制高精密可调电流源，驱动磁场线圈产生均匀交变磁场，磁场大小按式（1）计算：B=Bm sin(2ft)(1)式中：B 为产生磁场大小，单位为特斯拉
10、（T）；Bm为磁场幅度，单位为特斯拉（T）；f 为磁场频率，单位为赫兹（Hz）；t 为时间，单位为秒（s）。7.2.3.3 启动量子磁力测量装置对待测磁场进行测量，记录测量输出结果，连续采集一段时间后，记录一组测量数据。7.2.3.4 量子磁力测量装置的测量数据进行功率谱密度分析，绘制功率谱密度曲线，计算频率 f 处的幅值 Bx，得到校正系数，校正系数按式（2）计算：DB34/T 45502023 5 =BxBm (2)式中：为校正系数；Bx 为量子磁力测量装置测量的磁场幅值，单位为特斯拉（T）；Bm 为线圈产生的磁场幅值，单位为特斯拉（T）。7.2.3.5 控制高精密可调电流源，驱动磁场线圈
11、关闭均匀交变磁场；保持量子磁力测量装置采样率和采集时间设定不变，启动量子磁力测量装置对待测磁场进行测量，记录测量输出结果，连续采集一段时间后，记录一组测量数据。7.2.3.6 对量子磁力测量装置测量数据进行功率谱密度分析，绘制功率谱密度曲线，利用功率谱密度估计和校正系数，得出灵敏度。线性偏差 7.3.1 测试内容 利用高精密可调电流源及磁场线圈产生待测磁场，通过量子磁力测量装置对该待测磁场进行测量，对量子磁力测量装置测量输出信号进行计算，得出线性偏差。7.3.2 测试配置 测试配置如图2 所示，将待测量子磁力测量装置的探头放置于磁屏蔽装置中的均匀磁场区域内。连接高精密可调电流源与磁场线圈，通过
12、控制高精密可调电流源驱动线圈调节磁场。连接量子磁力测量装置上位机与主机，通过上位机记录量子磁力测量装置输出结果。7.3.3 测试步骤 7.3.3.1 控制高精密可调电流源，驱动磁场线圈产生递增磁场和递减磁场，递增磁场和递减磁场的最大值与最小值均保持一致；启动量子磁力测量装置与标准磁力仪，标定待测磁场，校正量子磁力测量装置参数，设定量子磁力测量装置采样率和采集时间。7.3.3.2 控制高精密可调电流源，驱动磁场线圈调节步进磁场，产生递增磁场，每调节一次，量子磁力测量装置相应进行一次测量，记录测量结果，当递增磁场达到最大值，完成递增磁场测量，记录量子磁力测量装置的输出数据。7.3.3.3 保持量子
13、磁力测量装置采样率和采集时间设定不变，控制高精密可调电流源，驱动磁场线圈调节步进磁场，产生递减磁场，每调节一次，量子磁力测量装置相应进行一次测量，记录测量结果，当递增磁场达到最小值，完成递减磁场测量，记录量子磁力测量装置的输出数据。7.3.3.4 按照 7.3.3.2 和 7.3.3.3 重复进行测量，完成多次测量后，记录测量输出数据。7.3.3.5 根据量子磁力测量装置的输出数据，进行拟合，绘制拟合曲线，得出线性偏差。带宽 7.4.1 测试内容 利用高精密可调电流源及磁场线圈产生均匀待测磁场，通过量子磁力测量装置对该待测磁场进行测量，量子磁力计测量输出信号进行数据处理，得出带宽。7.4.2
14、测试配置 DB34/T 45502023 6 测试配置如图2 所示，将待测量子磁力测量装置的探头放置于磁屏蔽装置中的均匀磁场区域内。连接高精密可调电流源与磁场线圈，通过控制高精密可调电流源驱动线圈调节磁场。连接量子磁力测量装置上位机与主机，通过上位机记录量子磁力测量装置输出结果。7.4.3 测试步骤 7.4.3.1 控制高精密可调电流源，驱动磁场线圈产生均匀待测磁场；启动量子磁力测量装置与标准磁力仪，标定待测磁场，校正量子磁力测量装置参数，设定量子磁力测量装置采样率达到最大值。7.4.3.2 控制高精密可调电流源，驱动磁场线圈产生均匀交变磁场，磁场大小按式（1）计算。7.4.3.3 保持保持交变磁场幅度稳定，步进调节待测磁场频率，记录量子磁力测量装置输出结果,绘制量子磁力测量装置带宽幅频特性曲线，其-3dB 处对应的频率，即为量子磁力测量装置的带宽。
