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磁场广泛存在于自然界中,对于极弱磁场的精确测量可以促使各领域的研究人员探索新发现。极弱磁场的精确探测需要超高灵敏的磁场测量装置,随着量子调控技术与光电检测技术的飞速发展,利用原子自旋效应测量微弱磁场已成为新兴研究方向,其中,尤以基于无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free,SERF)原理的超高灵敏磁场测量备受瞩目。目前,已实现0.16 fT/Hz1/2的磁场测量灵敏度,这是人类已获得的最高磁场测量灵敏度。本文以SERF超高灵敏磁场装置为研究对象,以提升磁场测量灵敏度为研究目标,开展了 SERF超高灵敏磁场测量装置磁噪声抑制方法与实验研究,主要包括高屏蔽因子磁屏蔽桶优化模型的建立与实验研究、三轴磁线圈参数的标定与实验研究、碱金属原子密度数原位高精度实时监测等方法与实验研究。本论文主要创新工作如下:1、针对SERF超高灵敏磁场测量装置当前灵敏度受限于磁噪声问题,建立了 SERF超高灵敏磁场测量装置输出信号方程,基于此方程分析了磁噪声来源。本方程为抑制磁噪声提升磁场测量灵敏度提供了理论基础。2、针对原子自旋SERF态的实现需要隔离外界环境磁场干扰问题,提出了磁屏蔽桶优化设计方法,建立了基于高屏蔽因子的磁屏蔽桶优化模型,分析了磁屏蔽桶各结构参数对屏蔽因子的影响程度。基于此优化模型自主设计研制的磁屏蔽桶的屏蔽因子可达105,且与普通磁屏蔽桶相比具有体积小、重量轻、成本低、均匀区大、屏蔽性能高等优点。高屏蔽因子磁屏蔽桶优化模型可为未来磁屏蔽桶小型化设计提供理论参考。3、针对现有三轴磁线圈常数标定方法的精度受限于磁探头摆放位置精度以及测量设备精度问题,立足于仅利用SERF超高灵敏磁场测量装置而不依赖额外仪器设备的目标,提出了三轴磁线圈常数的高精度原位快速标定方法,为SERF超高灵敏磁场测量装置灵敏度的精确估算提供了基础保证。三轴磁线圈的非正交角将导致实际产生磁场幅值与理论估算存在偏差,从而影响SERF超高灵敏磁场测量装置灵敏度的精确估算。为了解决这一问题,提出了三轴磁线圈非正交角的精确测算方法。本方法为后期的三轴磁线圈非正交角误差建模以及误差补偿提供了实际参考。针对无法同步快速获得三轴磁线圈常数和非正交角问题,提出了三轴磁线圈常数与非正交角一体化精确原位测量方法。4、为了提升磁场测量灵敏度,一方面要抑制磁噪声,另一方面还需要提升SERF超高灵敏磁场测量装置灵敏度的信号强度。原子密度数与SERF超高灵敏磁场测量装置的信号成正比,因此,对原子密度数的精确监测意义重大。为此,提出了基于磁共振线宽的高精度原子密度数原位高精度监测方法。由于温度传感器无法探测碱金属气室内部的实际温度,本方法亦可用于估算气室内部实际温度。最后,基于上述研究内容,对SERF磁场测量装置进行了性能的综合测试,测试结果表明本实验装置实现了 9.7fT/Hz1/2的磁场测量灵敏度。