空间钻石磁强计研究

Magnetic measurement is an important technique in space physic study. Many space phenomena are in virtue of the real time magnetic field survey. The sensitivities of magnetometer in the space explore missions have been remarkable increased throughout the exploration history, which greatly add the knowledge of varies space physical processes. More and more small scale structures and weak magnetic field processes are discovered by magnetometers, which give us rich information about the space and help us understand the physics inside. More sensitive and stable device is desired in the detection of magnetic field of reconnection and wave, especially during study on the details of the magnetic diffusion region and tiny structure, as well as the long time monitor on the space weather. Recently, magnetometer with NV ensembles in diamond has been developed and used in many measurements since its high sensitivity and remarkable stability. This project will focus on the study of the diamond magnetometer to improve its performance on the space magnetic field measurement, which, in turn , will satisfy the space physical study requirements.

磁场测量是空间物理研究的重要手段，很多空间物理过程的研究都离不开对磁场的观测。空间探测任务搭载的磁强计,经过多年的发展灵敏度得到了显著的提高，为深入认识各种空间物理过程提供了技术支持。尤其是对空间中的小尺度结构及微弱磁场活动过程，可以给出更丰富的观测细节。高灵敏度和稳定的磁场观测对磁场重联及波动等物理过程的精细研究尤为重要。随着人们对磁场重联扩散区结构、磁零点等动态变化的小尺度微弱磁场结构的深入研究，对空间灾害性天气事件的长期持续磁场监测等，都对空间磁场探测仪器的稳定性等性能提出了越来越高的要求。现有的空间探测仪器在时间稳定性和温度稳定性上有待提高，难以满足上述磁场观测需求。近年来钻石磁强计以其高稳定性高灵敏度等特点在多学科领域快速发展起来。本项目拟对钻石磁强计进行研究，优化钻石磁强计性能，为钻石磁强计在空间磁场探测领域的应用，以满足空间磁场探测和空间科学研究需求。

磁场测量是空间物理研究的重要手段，很多空间物理过程的研究都离不开对磁场的观测。高灵敏度和稳定的磁场观测对磁场重联及波动等物理过程的精细研究尤为重要。随着人们对磁场重联扩散区结构、磁零点等动态变化的小尺度微弱磁场结构的深入研究，对空间灾害性天气事件的长期持续磁场监测等，都对空间磁场探测仪器的稳定性等性能提出了越来越高的要求。现有的空间探测仪器在时间稳定性和温度稳定性上有待提高，难以满足上述磁场观测需求。近年来钻石磁强计以其高稳定性高灵敏度等特点在多学科领域快速发展起来。本项目对影响钻石磁强计灵敏度和温度稳定性的物理因素进行了研究。通过对不同掺杂浓度和退火温度对灵敏度影响的研究，确定了可以满足空间探测需要的钻石磁强计的掺杂浓度和退火温度；通过对不同掺杂技术对温度稳定性的研究，优化钻石磁强计的温度稳定性；通过对不同NV中心的比对研究，揭示了激发功率对NV-零声子线信噪比的影响，提出了优化测量灵敏度的功率优化方法。研究表明钻石磁强计的灵敏度主要受到NV-浓度的影响，而影响NV-浓度的主要因素包括钻石基底制备过程中的掺杂和退火温度及时间，辐照强度及光激发功率；钻石磁强计的噪声水平主要由钻石基底的声子边带，激光功率起伏，磁共振频率稳定性以及热噪声引起。钻石磁强计的温度稳定性主要是由和零场劈裂相关的温度稳定性造成的，零场劈裂的能级差主要来源于内部浓度及应力不均匀。通过本项目的研究结果，进一步优化了钻石磁强计的温度稳定性和灵敏度，为未来深空探测提供技术和理论支持。