● 摘要
原子自旋器件是利用电子所具有的超精细能级跃迁、量子化等特点，而对特定物理量进行检测的仪器设备。原子自旋器件在工作时容易受到外界磁场干扰，使原子自旋器件的分辨率和稳定性降低。所以必须对原子自旋器件进行高效能的外界磁场屏蔽。本文旨在通过对影响磁场屏蔽装置性能的各相关因素的分析，研制适用于原子自旋器件的小型化磁场屏蔽装置，实现对小型化、集成化原子自旋器件的高效能被动磁场屏蔽，为小型化的原子自旋器件提供稳定的，低磁场工作环境。
本文在对国内外原子自旋器件用磁场屏蔽装置所作的大量调研工作的基础上，针对原子自旋器件对磁场屏蔽的要求，对磁场屏蔽性能的影响因素进行了研究和仿真分析。研究了在小尺度条件下，屏蔽装置的形状、嵌套方式和屏蔽材料特性等各相关因素对磁场屏蔽性能的影响，并使用Ansys等有限元仿真软件验证各屏蔽装置的屏蔽性能。设计了在小尺度条件下，确保磁场屏蔽装置具有高屏蔽效能的最优方案。
根据优化方案，研制了可用于原子自旋器件的小型化磁场屏蔽装置。屏蔽装置采用筒形屏蔽壳多层嵌套的结构，使用多种不同特性的磁屏蔽材料。同时，为了满足原子自旋器件在工作时对温度和磁场扫描的不同需求，在确保屏蔽装置小型化的条件下，将用于原子自旋器件的温度调节装置和磁场调控装置集成在了屏蔽装置内部。为了实现对屏蔽装置测试的抽运激光频率调制，设计了双路频率、相位可调的频率调制子系统。
本文还设计了用于测试屏蔽装置内部磁场强度的Bell-Bloom测试系统。在完成对屏蔽装置的加工制作和后期处理的基础之上，对最终实现的小型化磁场屏蔽装置进行了常温下磁通门磁强计直接测试实验，以Cs原子作为敏感介质的单光束Bell-Bloom测试方法测试以及对屏蔽装置内部的磁场扫描测试实验。实验数据表明：在常温下，屏蔽装置在300mG-900mG范围内，屏蔽效能为73dB。在120℃下，屏蔽效能为47dB。屏蔽装置整体体积为336cm3，体积远小于实验室之前研制的主动磁场屏蔽装置，初步验证了高效能的被动磁场屏蔽技术在原子自旋器件的小型化磁屏蔽装置研制中的可行性，可以满足小型原子自旋器件在工作时对外界地磁场的屏蔽要求。
关键词：原子自旋器件，磁场屏蔽装置，屏蔽效能，小型化
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