[发明专利]基于量子自然基准的正弦交变电流的测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于量子自然基准的正弦交变电流的测量装置，其特征在于，所述装置包括：本底磁场产生组件、抽运-检测型原子磁力仪、信号源6、开关7和负载8；

所述本底磁场产生组件包括恒流源9、标准线圈2和磁屏蔽筒1，磁屏蔽筒1用于屏蔽地磁场，标准线圈2轴对称地置于磁屏蔽筒1的内部，恒流源9用于向标准线圈2输入电流以产生z轴均匀稳定的本底磁场；

所述抽运-检测型原子磁力仪包括亥姆霍兹线圈3、铷泡加热模块4、铷泡5、圆偏振抽运光10和线偏振探测光11；铷泡加热模块4使铷泡5保持恒温，圆偏振抽运光10与z轴平行，用于制备铷泡5内铷原子系综的极化态，线偏振探测光11与x轴平行，用于测量铷泡5内铷原子磁共振塞曼跃迁的内态演化信号；

所述信号源6分别与所述亥姆霍兹线圈3、开关7和负载8相连，所述开关7用于打开或关闭所述信号源6向所述亥姆霍兹线圈3和负载8输入的待测正弦交变电流信号。

2.根据权利要求1所述的正弦交变电流的测量装置，其特征在于，所述亥姆霍兹线圈3中通入正弦交变电流用于产生线偏振磁场；基于二能级磁共振塞曼跃迁的经典理论，所述线偏振磁场由振幅相同的左旋场和右旋场组成，所述左旋场或右旋场在磁共振塞曼跃迁中与原子磁矩绕外磁场进动方向相同时起作用。

3.根据权利要求1所述的正弦交变电流的测量装置，其特征在于，正弦交变电流的频率被溯源至以铯原子钟为代表的量子自然基准。

4.根据权利要求1所述的正弦交变电流的测量装置，其特征在于，标准线圈2和亥姆霍兹线圈3的线圈系数被溯源至约瑟夫森效应、量子化霍尔效应和拉莫尔进动效应三种量子自然基准。

5.根据权利要求1所述的正弦交变电流的测量装置，其特征在于，所述磁屏蔽筒为圆柱形，筒内直径为500mm，筒内长度大于或等于700mm。

6.根据权利要求1所述的正弦交变电流的测量装置，其特征在于，所述磁屏蔽筒1被替换为磁屏蔽系数小于10^-4的磁屏蔽室。

7.根据权利要求1所述的正弦交变电流的测量装置，其特征在于，所述负载8为电阻、电容或电感元件。

8.根据权利要求1所述的正弦交变电流的测量装置，其特征在于，抽运-检测型铷原子磁力仪的圆偏振抽运光10的频率被锁定至⁸⁷Rb原子的D1线跃迁，所述⁸⁷Rb原子的D1线跃迁为5²S_1/2→5²P_1/2，线偏振探测光11的频率相比于圆偏振抽运光10的频率红失谐3GHz至10GHz。

9.根据权利要求1所述的正弦交变电流的测量装置，其特征在于，开关7采用TTL电平触发来实现打开或关闭所述信号源6输出的待测正弦交变电流信号。

10.一种基于量子自然基准的正弦交变电流的测量方法，其特征在于，应用于上述权利要求1-9任一所述的基于量子自然基准的正弦交变电流的测量装置，所述方法包括：

步骤1：严格控制实验装置的磁场环境，保持磁屏蔽筒1恒温；

步骤2：启动信号源6，测量信号源6输出的正弦交变信号的频率为f；

步骤3：基于抽运-检测型原子磁力仪的工作原理设定圆偏振抽运光10和开关7的控制时序，时序变化的周期为1/f的整数倍，以保证重复测量时磁共振塞曼跃迁信号能重复，使测量的正弦交变电流的相位保持稳定不变；

步骤4：设定恒流源9向标准线圈2输入的电流I₉＝2πf₀/(γC₂)，设定开关7的时序使正弦交变电流信号的脉冲时长为L₁，使抽运-检测型原子磁力仪能够正常工作，通过调整恒流源9向标准线圈2输入的电流I₉，使标准线圈2中心位置磁场B₀对应的拉莫尔进动频率f₀等于待测射频正弦交变电流信号的频率f；

步骤5：设定开关7的时序使待测射频正弦交变电流信号的脉冲时长为L₂，在脉冲时长L₂内采集在x轴方向线偏振探测光11测量的磁共振塞曼跃迁内态演化的差分放大信号；

步骤6：删除步骤5中射频场在第一个π脉冲时长内的实验数据及末尾信噪比不符合预期的数据，根据表达式分步拟合出Aμ、B_rf、f₀、δ和T₂参数，其中，V_x-singal为抽运-检测型原子磁力仪在x轴方向输出的差分放大信号，A为比例系数，μ为单个原子的原子磁矩，γ为铷原子的旋磁比，B_rf为x-y面内旋转场的振幅，f₀为与恒定磁场B₀呈正比的拉莫尔进动频率，δ为初始时刻旋转坐标系相对于实验室坐标系的角度，与射频场初始相位有关，T₂为原子系综宏观磁化强度的弛豫时间；

步骤7：根据参数B_rf和表达式B_rf＝C₃I₀/2计算所述亥姆霍兹线圈3中待测正弦交变电流信号的振幅I₀，其中C₃为亥姆霍兹线圈3的线圈系数；根据参数δ、抽运-检测型原子磁力仪的时序控制参数和数据截取位置分析得到所述亥姆霍兹线圈3中待测正弦交变电流信号的相位。