本文通過(guò)分析堿金屬原子在原子氣室中的自旋弛豫作用，得出了原子磁力儀靈敏度上限受氣室尺寸影響的理論模型。計(jì)算了不同氣室尺寸下，工作物質(zhì)為87Rb、工作溫度為383.15 K 時(shí)緩沖氣體Ar 的最優(yōu)壓強(qiáng)，此壓強(qiáng)值隨氣室尺寸減小而快速增大。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了不同氣室尺寸下磁力儀靈敏度上限。結(jié)果表明，磁力儀靈敏度上限隨原子氣室尺寸減小而快速惡化，當(dāng)氣室直徑由1 cm 減小到0.1 cm 時(shí)，磁力儀靈敏度上限由0.4 pT Hz-1/2 惡化為15 pT Hz-1/2。

　　1、引言

　　高靈敏度磁力儀在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如基礎(chǔ)物理、地球科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)診斷等。相對(duì)于常用的超導(dǎo)量子磁力儀(SQU ID，superconducting quantum interference device)，原子磁力儀無(wú)需低溫、易于微型化，可制作成集成化的片上原子磁力儀(Chip-scale Atomic Magnetometer)，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。原子磁力儀的核心部件是儲(chǔ)存工作物質(zhì)原子的原子氣室，其參數(shù)如氣室尺寸、緩沖氣體壓強(qiáng)、工作溫度等都會(huì)直接影響磁力儀的性能。傳統(tǒng)原子氣室使用玻璃吹制工藝制成，氣室尺寸較大。

　　近十多年來(lái)，通過(guò)將氣室制作工藝與微納加工工藝相結(jié)合，微型原子氣室的尺寸可達(dá)亞毫米量級(jí)，這對(duì)原子磁力儀的微型化產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。然而，原子氣室尺寸的減小會(huì)嚴(yán)重影響磁力儀靈敏度上限。在微型化原子磁力儀的研究過(guò)程中，如何根據(jù)磁力儀的靈敏度要求選取適當(dāng)?shù)脑�子氣室尺寸成為了亟待解決的問(wèn)題。目前，在不同研究中所使用的原子氣室尺寸差異較大，氣室尺寸的選取多依靠實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)理論分析還很不完善。

　　本文通過(guò)分析原子磁力儀的工作原理，對(duì)堿金屬原子在原子氣室中的自旋弛豫過(guò)程進(jìn)行了深入分析，并通過(guò)理論計(jì)算探究了氣室尺寸對(duì)原子磁力儀靈敏度上限的影響規(guī)律，為微型化原子磁力儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

　　2、結(jié)論

　　本文對(duì)微型化原子磁力儀靈敏度上限的氣室尺寸依賴(lài)性進(jìn)行了分析。通過(guò)分析堿金屬原子在原子氣室中的自旋弛豫過(guò)程，得出了原子磁力儀靈敏度上限受氣室尺寸影響的理論模型。然后選取87Rb 作為磁力儀工作物質(zhì)、氣室材質(zhì)為玻璃、Ar 為氣室緩沖氣體、工作溫度為383.15K，計(jì)算得出不同氣室尺寸下使87Rb 原子自旋弛豫時(shí)間最長(zhǎng)的最優(yōu)Ar 壓強(qiáng)值，此最優(yōu)壓強(qiáng)值隨氣尺寸減小而快速增大。在此基礎(chǔ)上，得到了不同氣室尺寸下原子磁力儀靈敏度上限。

　　計(jì)算結(jié)果表明，原子磁力儀的靈敏度上限隨氣室尺寸減小而快速下降，當(dāng)原子氣室直徑由1cm 減小到0.1 cm時(shí)，磁力儀靈敏度上限由0.4pT Hz-1/2 惡化為15pT Hz-1/2。若磁力儀工作于SERF 模式，其靈敏度上限隨氣室尺寸的變化趨勢(shì)不變，但相同條件下靈敏度上限較高，氣室直徑為0.1 cm 時(shí)其靈敏度上限為8 pT Hz-1/2。