本文通過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。計算了不同氣室尺寸下，工作物質為87Rb、工作溫度為383.15 K 時緩沖氣體Ar 的最優壓強，此壓強值隨氣室尺寸減小而快速增大。在此基礎上，計算了不同氣室尺寸下磁力儀靈敏度上限。結果表明，磁力儀靈敏度上限隨原子氣室尺寸減小而快速惡化，當氣室直徑由1 cm 減小到0.1 cm 時，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越多的領域得到廣泛應用，如基礎物理、地球科學研究、醫學診斷等。相對于常用的超導量子磁力儀(SQU ID，superconducting quantum interference device)，原子磁力儀無需低溫、易于微型化，可制作成集成化的片上原子磁力儀(Chip-scale Atomic Magnetometer)，成為近年來的研究熱點。原子磁力儀的核心部件是儲存工作物質原子的原子氣室，其參數如氣室尺寸、緩沖氣體壓強、工作溫度等都會直接影響磁力儀的性能。傳統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，通過將氣室制作工藝與微納加工工藝相結合，微型原子氣室的尺寸可達亞毫米量級，這對原子磁力儀的微型化產生了巨大的推動作用。然而，原子氣室尺寸的減小會嚴重影響磁力儀靈敏度上限。在微型化原子磁力儀的研究過程中，如何根據磁力儀的靈敏度要求選取適當的原子氣室尺寸成為了亟待解決的問題。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驗經驗，相關理論分析還很不完善。

　　本文通過分析原子磁力儀的工作原理，對堿金屬原子在原子氣室中的自旋弛豫過程進行了深入分析，并通過理論計算探究了氣室尺寸對原子磁力儀靈敏度上限的影響規律，為微型化原子磁力儀的優化設計提供理論依據。

　　2、結論

　　本文對微型化原子磁力儀靈敏度上限的氣室尺寸依賴性進行了分析。通過分析堿金屬原子在原子氣室中的自旋弛豫過程，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、氣室材質為玻璃、Ar 為氣室緩沖氣體、工作溫度為383.15K，計算得出不同氣室尺寸下使87Rb 原子自旋弛豫時間最長的最優Ar 壓強值，此最優壓強值隨氣尺寸減小而快速增大。在此基礎上，得到了不同氣室尺寸下原子磁力儀靈敏度上限。

　　計算結果表明，原子磁力儀的靈敏度上限隨氣室尺寸減小而快速下降，當原子氣室直徑由1cm 減小到0.1 cm時，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不變，但相同條件下靈敏度上限較高，氣室直徑為0.1 cm 時其靈敏度上限為8 pT Hz-1/2。