Page 42 - 无损检测2024年第八期

余志武，等：

金属表面裂纹的氮 - 空位色心漏磁检测

刚石氮-空位（NV）色心的量子磁传感器可以实现
高灵敏度和高空间分辨率的磁场测量。美国加州大
学Acosta团队提出一套共聚焦NV色心磁测量系统，
[2]
其磁测量分辨率达到5 pT 。2020年，美国新墨西
哥大学的Fescenko团队利用磁聚集技术结合NV色
心测磁，在频率10 Hz~1 000 Hz内将磁场测量灵敏
度提到0. 9 pT · Hz −1[3] 。中国科学技术大学的王
鹏飞团队将金刚石NV色心测磁应用到单细胞成像 图 1 金刚石 NV 色心结构示意
中，其成像空间分辨率达10 nm 。中国科学院武汉
[4]
NV色心荧光辐射稳定且相干时间长，存在两
物理与数学研究所等单位在微弱磁场测量方面进入
种不同的带电状态：电中性状态的NV 和带负电负
0
深入研究，搭建了相应的原理样机 。然而，还少有
[5]
−
荷状态的NV 。由于NV色心是金刚石中的一个
团队将金刚石NV色心测磁高灵敏度的优势应用到
N原子替换掉C原子形成，这个N原子与周围的
传统的工业检测中，且NV色心制作困难，复杂的光
C原子并未配对，此时会形成4个游离键。呈中性的
学系统以及量子操纵的困难性阻碍了其从实验室原
NV 有5个电子，电子自旋量子数S=1/2，而带负电
0
理样机到实际工业检测的过渡。
的NV 多一个从晶格捕获的自由电子，共有6个电
−
鉴于此，笔者围绕金属表面裂纹的漏磁检测，提
子。两者可以通过光谱特性区分，前者的零声子线
出一种基于金刚石NV色心量子磁传感器的漏磁检
（ZPL）在576 nm附近，后者的零声子线在637 nm附
测方法。通过搭建基于金刚石NV色心量子磁传感
近。其中NV 在测磁领域应用有限 ，故不做特殊
0
[7]
器的量子精密测量系统，完成金属微裂纹检测和高
−
提离值状态下的检测，旨在将量子精密测量的优势 说明，文中的NV为NV 。
应用到金属表面裂纹的无损检测中。 电子的自旋与轨道耦合相互作用，使其具有稳
定的能级结构。电子自旋是电子的一个内禀性质，
1 检测原理 可以看作是电子围绕自身轴旋转产生的磁矩。电
1.1 氮-空位色心漏磁检测原理 子自旋有两种可能的取向，即向上和向下。NV色
金刚石NV色心量子磁传感器的核心传感单元 心的基态能级根据自旋状态不同，表现为m s =±1，
是金刚石中的人造晶格缺陷 ，金刚石NV色心结构 m s =0的自旋三重态 [8-10] ，NV色心能级跃迁示意如
[6]
如图1所示。NV色心是利用离子注入的方式，将原 图2所示，图中B为偏置磁场。当外磁场为零时，NV
金刚石结构中的一个C原子用N原子取代，并在相 色心的m =+1 和m =－1 处于简并态，并与m =0
s
s
s
邻位置形成一个空穴（V），两者共同组成带电的NV 态之间存在零场劈裂，零场劈裂大小D=2. 87 GHz。
色心。 金刚石NV色心在基态的哈密顿量可以表示为

图 2 NV 色心能级跃迁示意
 状态，此时NV色心的m =0和m =±1会回落到基
= H 2 + DS g μ BS （1） s s
S s B
态，并辐射红色荧光。施加微波并扫频，当微波频率
式 中：S为自旋算符；g 为电子自旋g因子，一般 与基态能级共振频率一致时，收集的荧光强度会降
s
取 2. 003； μ 为波尔磁子，表示旋磁比，一般取 低，也就是探测的信号会出现一个峰（或者谷），这
B


2. 8 MHz/Gs； B 为矢量磁场； S 为矢量自旋算符。 就是光学探测磁共振（ODMR）法的原理 [11-12] 。
利用 532 nm绿色激光激发，基态的m =0 和 当外磁场发生改变时，m =±1发生塞曼劈裂，
s
s
m =±1会从基态跃迁到激发态，这不是一个稳定的 此时NV色心的哈密顿量求解之后可以表示为
s
8
2024 年 第 46 卷 第 8 期
无损检测