地球磁场诞生于大约40亿年前，地球上的一切生命、物质皆依存于此。在探索物质演化、生物和化学反应磁效应等过程中，磁场的稳定性与可控性是保证精密实验的基石。然而，自然界存在的背景磁噪声、空间磁干扰以及地磁场长期漂移问题，往往对精密实验构成极大破坏，导致微弱信号被淹没，磁场条件一致性难以保障，实验结果的置信度和可重复性面临显著挑战。因此，发展高灵敏度、高分辨率的磁场测量与模拟系统，实现对环境磁场的实时监测、稳定控制，成为推动相关领域精密测量水平提升的核心关键技术之一。
为应对这一挑战，北京航空航天大学大科学装置研究院自主研发了高灵敏宽量程原子磁强计，成功构建了磁场精确模拟与稳定控制系统。该系统以量子精密测量原理为基础，利用原子自旋对磁场的极端敏感性，实现了对外界波动的pT级磁场实时监测；结合高性能三轴线圈系统与数字反馈控制算法，能够实现从低于地球磁场六个数量级的“亚磁环境”（~0.01 nT）到“地磁环境”（~ 50 μT）之间磁场的精确模拟。
基于原子与磁场和激光相互作用机理，对原子磁强计进行了深入建模得到了外界磁场与输出信号的关系。根据输出信号的特征，能够快速识别背景干扰磁场，并利用磁场补偿线圈进行稳定控制。在亚磁环境下，补偿系统分辨率优于10 pT，传感器磁场测量灵敏度可达19 fT/Hz1/2，散粒噪声约10.5 fT/Hz1/2。
图1 亚磁环境下背景磁场的动态补偿与稳定控制。(a) x轴背景磁场的补偿过程；(b) y轴背景磁场的补偿过程；(c) z轴背景磁场的补偿过程；(d) 亚磁环境下传感器噪声水平
通过原子自旋系综的精密调控，拓展原子磁强计的量程到地磁量级磁场，结合优化设计的高均匀磁场线圈以及线圈常数与非正交角度的原位校准，实现磁场的精确模拟，并进一步利用主动磁场控制技术抑制环境中的干扰磁场。提出了一种基于模型预测控制的磁场稳定方法，大幅抑制了环境磁场的波动，在0.1 Hz处实现了42.6 dB的噪声抑制比。
图2 地磁量级磁场精确模拟与稳定控制。(a) 高均匀磁场模拟系统；(b) 磁场精确模拟与稳定控制效果验证；(c) 模拟磁场噪声评估；(d) 模拟磁场长期稳定性评估
该研究实现了从“亚磁环境”到“地磁环境”磁场的高灵敏宽量程精密测量，研制了基于原子磁强计的高精度磁场模拟系统，为量子精密测量、生物磁效应研究、化学效应测试等提供了稳定、可靠研究环境，保障实验数据的准确性与创新研究的可行性。
研究成果分别发表于国际期刊Sensors and Actuators A: Physical和IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，研究受基础科学中心项目资助。
1. 张昌镐，刘佳丽，赵鑫，陈俊霖，杨嘉琦，李建利*，姜丽伟. In-situ magnetic field compensation for zero-field NMOR atomic magnetometer[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2025, 387: 116385
2. 陈俊霖，姜丽伟*，刘希明，杨嘉琦，刘佳丽，赵鑫，张昌镐，柴延超. Model predictive control for real-time stabilization of magnetic field using NMOR atomic magnetometers[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2025, 74: 1017910
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