磁测量技术介绍及其应用领域在哪些方面？

有关磁测量技术介绍及其应用领域，在报告《量子精密测量系列报告：量子磁力计报告》中可以找到答案，具体以原报告内容为准，下面的内容也出自该报告。

一、磁测量技术

磁测量技术通常围绕着两个物理量：磁场强度与磁感应强度。对于该技术来 说比较重要的参数包括灵敏度、带宽、动态范围等，这些参数决定了磁测量技术 的应用范围。目前，磁测量技术的应用领域包括地球物理勘探（地磁测绘及导航）、 生物磁学成像（心磁图、脑磁图）、材料检测（磁异常、无损检测）以及科学研 究（磁化率测量）等。

对于大部分磁测量应用来说，测量微弱的低频磁场信号是非常重要的，特别 是 1mHz 到 1kHz 这个频率范围的磁场信号。对于地磁测绘或者磁异常这类的应 用来说，通常会基于载具来进行勘探，因此信号的频率范围会受到载具移动速度 的影响。而为了精确分析，通常要求这类应用中使用的磁测量系统能够分别测得 纳特斯拉量级的磁场19。

二、量子磁力计应用领域

1、生物医学

量子磁力计在生物医学的应用宽泛，包括神经康复监测、脑科学、脑认知、 脑机接口、心血管与脑疾病精准诊断、细胞原位成像等前沿应用。目前，生物磁 方 面 的 目 前 主 要 应 用 为 脑 磁 图 （ Magneto-encephalography ， MEG ） 与 心 磁 图 （Magneto-cardiography，MCG），因为心脏和脑部的神经传导电流较大，其周围的 磁信号也相对较强。这种非侵入性方法可以对患者的预后产生积极影响，为临床 医生提供评估神经系统疾病和手术治疗所需的宝贵信息。

脑磁场强度为心磁场强度的百分之一左右，有效探测难度更大并且容易受到 低频干扰。对脑部磁场的探测是对神经元活动放电产生磁场的直接探测，拥有毫 秒级时间分辨率，在脑疾病诊断如癫痫病灶定位、脑功能区定位、术前规划上有 广泛的应用。

心磁图在未来普及率有望增加。欧美有关心磁图的临床医学研究，传统的心 电图检查手段只能获取心脏电生理信号所携载的 10%的病理信息，而心磁图能补 充获取剩余的 90%的心脏病理信息。相比于心电图来说，心磁图能够展示更多更 深的心脏病理信息20。胎儿心磁图（fMCG）是一种新的替代产前监测方法，记 录由胎儿心脏中的传导电流产生的磁场。与胎儿心电图相比，磁场的传播相对不 受周围组织的干扰，这使 fMCG 具有更高信噪比的优势，并且可以在怀孕早期获 得。此外，信号的高时间分辨率使其比胎儿超声显着更精确地确定胎儿心率参数。

前，医院主要使用的 MEG 与 MCG 的诊断方式是通过 SQUID 磁力计获得 磁场数据，设备占地面积大、装置复杂、价格昂贵、需液氦制冷、运行维护成本 高，以及探头距头皮位置较远带来的测量精准度问题，限制其大范围推广应用， 并且全球氦气正在消耗殆尽，脑磁图需要原子磁力计更新迭代摆脱对氦气制冷依 赖。而新一代的 SERF 磁力计能够实现这一目标，其具有对低频信号敏感、室温 运行、功耗低、小型化、可穿戴等优点，分辨率也与 SQUID 接近或超越，适合 大规模推广应用。目前氦气的短缺也推动了相关研究发展。

未来，量子磁力计能实现对生物磁的进一步探索，在脑认知、脑科学、脑机 接口方面，脑磁场成像也是为数不多可以实现高时间、空间分辨率的非侵入功能 性成像手段。MEG 是脑成像和人机接口的基础，在短期内，脑磁图可能会以头 盔的形式，以便在受伤的情况下进行持续和远程的医疗监测和诊断。未来可能进 一步完善人机接口，达成实用的非侵入性认知与机器和自主系统的通信22。

2、工业检测

量子磁力计在工业检测的应用主要为金属探测、材料分析、无损探伤、电池 缺陷检测。量子磁力计主要特点为能够对物体或材料进行无创的磁性鉴别，从而 控制材料的质量，这种检测不会改变被测材料的性状23，尤其是金属类的材料。 当金属材料内部存在缺陷时，在缺陷处，材料的电导率会发生变化。在施加交流 电后，由于电磁感应原理，缺陷处会产生磁场梯度。通过测量磁场梯度，可以确 定缺陷部位与程度24。

目前，已经发现了无损检测在多个工业领域中的潜在应用，例如市场需要一 种快速和敏感的电池缺陷识别诊断工具，协助固态电池技术以安全、高效的方式 提供灵活的电能存储，当前随着新能源汽车普及率逐渐提高，厂商需要一种精准 反应锂电池内部结构缺陷的检测方案，维护人们的生命财产安全是至关重要的， 这也是目前量子磁力计主要研究发展方向。该技术需要极高的灵敏度，目前，主 要解决方案为基于 SQUID 的磁测量与原子磁力计。其中，原子磁力计的优势主 要为提供了一种低成本、便携和灵活实施电池质量控制和表征技术的可能性25。 

基于量子磁力计的电池缺陷检测技术可能短期能实施落地。目前，英国工艺 创新中心（CPI）已经开始了量子传感器应用于工业检测的研究，该项目期间为 2020 年 8 月至 2023 年 8 月，由 Innovate UK 提供 540 万英镑。量子传感器项目 旨在开发一个能够使用 OPM 对电池进行连续在线测试的中试系统。该系统将配 备一系列 OPM 作为量子传感器，检测合格锂电池发出的小磁场。该技术可用于 监控生产线上电池的质量，以便快速剔除故障电池并提供详细的质量保证。该项 目将涉及英国制造光学加工材料供应链的开发，包括蒸汽电池生产、激光制造、 光学封装、磁屏蔽、电子控制和数据处理系统。该项目的最终目标是创建一个可 在试验生产线上实施的中试规模电池测试系统26。

3、物理科研

地球物理：地球本身具有强大的磁场，会使许多岩石和矿物产生弱磁性或被 感应磁化，并在地磁场中引起扰动，称为“磁异常”。同时包含铁或钢的人造物 体通常也会被高度磁化，并且在局部会引起高达数千纳特斯拉的磁异常。 量子磁力计通过精确捕捉地磁场信息的微弱变化，利用地磁观测资料得到地 磁异常。具有精确测量各种地磁样品的能力，可满足利用海洋、湖泊、黄土等不 同类型的地磁样品开展研究27。在物理学基础研究、环境、气候变化、地球动力 学过程、大地构造学和磁性地层学、深空深地磁场测量等方面都有着广阔的科研 和市场潜力。还可应用于石油工业的钻井定向、矿产资源勘查和地质灾害预警。

科学研究：量子磁力计能作为科学研究工具，是研究材料磁学性质的新利器， 在磁畴成像、二维材料、拓扑磁结构、超导磁学、细胞成像等领域有着广泛应用。 例如，金刚石 NV 色心磁力计通过对自旋进行量子操控与读出，可实现磁学性质 的定量无损成像，能研究单个细胞、蛋白质、DNA 或进行单分子识别、单原子 核磁共振等。

地质勘探：量子磁力计是地球物理勘探中最有效的方法之一，并被广泛应用 于地质勘探的各个阶段：寻找铁矿和其他矿物（包括碳氢化合物）、地质填图、 构造研究等。高精度精密磁力测量在考古调查和工程测量中同样发挥着重要的作 用。有系统地将磁力计用于勘探目的可以追溯到上个世纪初。在这些年的技术发 展中，至少使用了四种类型的磁力计。在第一阶段，光机平衡磁力计使用了 50 多年。随后，磁通门、质子和光泵磁力计被研制出来。目前，磁勘探主要采用核 进动（质子）磁力计和光泵磁力计。针对各种测量条件，地面、井下、海上和空 中作业用的专用磁力计被大量生产28。

卫星磁测：量子磁力计也应用于空间磁测探测，卫星上使用的磁力计要求功 耗小、性能稳定、工作时间长，部分量子磁力计刚好符合这一特性。土星及其最 大的一颗卫星 Titan 的飞船 Cassini-Huygens 上装备有氦光泵磁力计，测量土星的 磁场。阿根廷发射的磁测卫星 SAC—C，装备有丹麦制造的磁通门磁力计 FGM 和美国制造的氦 4 光泵磁力计，2000 年 11 月 18 日发射，寿命 4 年。丹麦的 Oersted 磁测卫星和德国的 CHAMP 重、磁两用卫星，都采用 OVM 测地磁场的标量，由 法国 LETI（信息技术电子实验室）设计制造。欧洲航天局（ESA）计划发射的 AMPERE 卫星也准备采用 OVM 测量地球磁场的标量。