科技前沿 | OSCAR-QUBE金刚石量子磁力仪在轨运行10个月

OSCAR-QUBE金刚石量子

磁力仪在轨运行10个月

#楔子#

2021年，一颗名为OSCAR-QUBE的金刚石量子磁力计在国际空间站上持续运行了10个月，相关研究成果近日以《国际空间站搭载的金刚石磁力仪》（Diamond-based magnetometer aboard the International Space Station）为题发表在物理学期刊《物理评论应用》（PHYSICAL REVIEW APPLIED）上。

以下内容整理自论文原文及The Quantum Insider的报道

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概述

OSCAR-QUBE金刚石量子磁力计由比利时哈瑟尔特大学与比利时微电子研究中心联合开发，重420克，功耗仅5瓦，成品符合1U立方星标准（边长10厘米），约为一个葡萄柚大小，于2021年8月29日通过SpaceX CRS-23补给任务发射升空，2021年9月2日安装于国际空间站欧洲“哥伦布”舱，运行至2022年6月，累计在轨约10个月，共采集约231GB原始数据。

该金刚石量子传感器在国际空间站运行10个月，在太空强辐射和温度剧烈波动的恶劣环境下，保持对地球磁场的高灵敏度且性能没有衰减。该设备传感器从大约距离地球400公里、倾角51.6度的轨道上扫过地球表面的广阔区域并记录磁场强度，实现了超过300nT/√Hz的分辨率 ，运营记录涵盖了多个太阳活动周期和季节性磁层变化，地磁测量结果与丹麦国家空间中心发布的CHAOS模型高度吻合。

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空间地磁测量现状

空间地磁测量有助于深入探究地磁动力学、行星形成机制及各类地质过程。作为抵御太阳辐射的天然屏障，地球磁场对地球空间环境安全至关重要。高精度磁场探测技术，可进一步揭示地磁场的动态演化规律及其与空间天气的相互作用机制。同时，空间地磁观测数据不仅能够支撑卫星导航技术的优化升级，还可通过监测空间环境变化、修正环境扰动影响，有效提升星载设备与卫星系统的运行可靠性。

测量地磁场有利于获得着地球外核熔融铁流体的对流活动、地壳岩石的磁性特征、太阳风与空间天气对高层大气的扰动，甚至海洋潮汐带来的微弱磁场变化等多重信息。通过精细化地磁观测，科研人员能够反演地球内部构造、预判可损毁电网与在轨卫星的地磁暴，追溯漫长地质年代里磁极的缓慢漂移与偶发倒转现象。

凭借对认知地球磁环境、保障现代航天任务运行的重要价值，航天磁场探测可实现全球不间断探测，已成为全球重点研究方向。目前，国际主流的天基地磁观测任务为欧空局Swarm蜂群卫星星座。另外，当前在轨的CSES、MSS-1等地磁探测卫星，以及规划中的NanoMagSat、美国NASA MagQuest等项目，充分印证了基于立方星小型化平台开展高精度地磁测量的技术趋势与应用价值。此类项目旨在搭建规模化磁力仪卫星星座，实现全球地磁场同步观测，大幅提升磁场变化的时间与空间分辨率。其采集的观测数据，将持续支撑CHAOS地球磁场模型、国际地磁参考场IGRF等主流地磁标准模型的迭代优化。

卡西尼号航天器示意图，左侧的磁力仪臂用于将磁力仪与飞行器内部噪声源隔离

测量空间磁场存在诸多挑战，传感器必须耐受极端工况，包括高低温循环变化、高能电离辐射、微重力以及各类微振动。上述各类因素会造成传感器参数劣化、校准零点漂移，进而影响设备长期工作性能，因此所有搭载磁力仪载荷的航天任务都必须配套星上在轨校准机制。

磁通门磁力仪技术成熟、应用积淀深厚且灵敏度优良，但零点与刻度系数易随温度、器件老化发生漂移，同时存在磁滞特性，需要定期重新校准，对卫星整星磁洁净度也有着严苛要求。与之相比，微型机电系统（MEMS）磁力仪在体积、重量、功耗方面优势突出，但基底噪声更高，零点与刻度系数受温度漂移影响更显著，若不频繁开展校准补偿，很难在高精度测量场景下保障绝对测量精度。

部署于Dellingr 6U立方星上的磁通门磁力仪

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金刚石量子磁力仪

基于金刚石氮空位（NV）色心的量子磁力仪是极具潜力的新一代星载磁探测技术。该类传感器兼具高灵敏度与优良环境耐受性，弥补了现有器件的多项短板。金刚石本身抗辐照、热稳定性佳、机械强度高，天然适配太空恶劣工况。NV 磁力仪动态范围宽广（＞0.1T）、探测带宽覆盖直流至兆赫兹频段，可实现矢量磁场测量，还能同步完成温度采集。依托光纤读出、LED 激发、片上 CMOS 集成等小型化方案，现有工程化样机灵敏度已经突破亚纳特斯拉级别（~100pT）。金刚石内部的氮空位色心沿晶格四个晶向排布，因此该传感器既可测得磁场总幅值，还能分辨磁场矢量方向；依托这项矢量探测技术，观测数据能更好支撑地球内部动力学建模。

OSCAR-QUBE金刚石量子磁力仪采用连续波光探测磁共振（CW-ODMR）技术，实测灵敏度优于300nT/√Hz。设备搭载至国际空间站，在近地轨道环境开展在轨试验，这也是全球首台完成太空实地验证的整机一体化便携式金刚石NV磁力仪。尽管受工程条件制约，该设备灵敏度不及同期顶尖台式实验室样机，但仍可连续稳定在轨工作十个月，精准采集地磁数据并与标准地磁模型完成数据对标。

该装置所用的核心传感材料为电子辐照后的CVD金刚石（由元素六提供），平均氮浓度为14ppm，NV浓度为2ppm，FWHM为100kHz，晶格取向为100面。

传感器整体由四块印刷电路板（PCB）叠加而成，板间通过铝制隔离柱隔开。

最下层电路板搭载主控与电源子系统，同时集成FPGA和一颗MEMS参考磁场传感器。

第二层为激光子系统与激光基座，该基座兼具散热与光路汇聚功能，可将激光精准聚焦至金刚石样品上。

第三层布设金刚石、微波电路与光电流读出电路；侧边伸出悬臂支架，支架紧贴样品固定一块尺寸5×5×1.2mm³的钕铁硼永磁体。该偏置磁铁用于预先产生塞曼分裂，同时尽可能降低对外界磁场的干扰，悬臂结构在升空试验前已完成力学稳定性标定。偏置磁铁的安装位置、磁场强度与位置稳定性，是实现矢量磁场均匀劈裂、保障矢量测量的关键。

顶层电路板搭载光学探测系统，用于采集第三层金刚石发出的荧光信号；微波天线布设在金刚石晶片正上方，激光光路尽量贴近天线区域，此处产生的微波场均匀度最优。系统光路经过优化设计，最大限度提升红色荧光的收集效率。

整体方案兼顾小型化、轻量化与模块化设计思路。全光路的机械对位由壳体锁死固定，经过振动、热真空环境试验前后核验，光路标定参数无明显偏移。受国际空间站搭载带来的体积、重量、功耗指标约束，结构布局经过针对性取舍优化。系统布线与器件排布充分规避各子系统之间、子系统与金刚石探头间的电磁串扰，经仿真估算，极端工况下各电路模块产生的杂磁干扰低于传感器探测下限。

整机设计阶段重点把控热稳定性与结构稳定性两方面指标：热设计以抑制温度波动引入的测量噪声为目标，对激光器、微波器件等主要发热源建立仿真模型，依托仿真结果优化器件排布；激光基座自身充当散热器，及时导出激光器工作余热。整机外壳与隔离柱均选用铝材，兼顾导热效率与结构强度。设备升空之前经过多轮严苛环境测试，保证在轨全周期工作稳定。

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在轨运行

在轨运行期间，OSCAR-QUBE传感器计算出的金刚石理论灵敏度在6.90至7.60nT/√Hz之间波动，月平均值的标准差为±0.26nT/√Hz。通过功率谱密度分析测量得到，传感器实际实现的灵敏度为300nT/√Hz。地球的总磁场强度约为25,000nT至65,000nT，300nT的灵敏度足以产生有应用价值的地磁数据。

尽管受狭小封装尺寸限制，金刚石量子磁传感器整机光路被迫做小型化精简设计，压低了探测灵敏度，但本次任务证实：该量子传感器件可耐受发射冲击振动、空间辐照、近地轨道冷热交变循环等严苛环境，并长期产出有效观测数据，且测量结果与丹麦国家空间中心发布的CHAOS模型高度吻合。

测量磁场与Chaos-7模型之间的差异分布

数值越低表明两组数据之间的对齐程度越高

本次在轨运行证明了紧凑型金石NV色心量子传感器能够在低地球轨道的恶劣环境中生存和正常工作，标志金刚石量子磁力仪首次航天搭载取得关键性突破，未来有望依托大量低成本微型卫星组网，实现比现有方案更密集的全球地磁探测。

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结语

金刚石量子磁力仪拥有超宽动态量程，强弱磁场均可精准测量且不易饱和等优势，应用场景不再局限于地磁测绘，还可用于航天器姿态控制、太空矿产勘探、月球地下资源勘查，以及坑道、水下等无 GPS 信号区域的地磁无源导航。

据悉，本项目团队正在规划升级新一代量子载荷，将设备布置在空间站舱外，彻底消除平台自生磁场干扰，无遮挡地采集地磁场数据，同时还能获得更平稳的温度环境。

论文原文链接 ：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/483m-8hfc

The Quantum Insider报道链接：

https://thequantuminsider.com/2026/05/11/grapefruit-sized-quantum-sensor-mapped-earths-magnetic-field-from-space/