квантовый магнитометр

КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР (тесламетр) - прибор для измерения слабых магн. полей, основанный на определении частоты квантового перехода парамагн. частиц с одного зеемановского подуровня на другой. Разность энергий между зеемановскими подуровнями пропорц. напряжённости магн. поля H (см. Зеемана эффект). К. м. обладает высокой чувствительностью, постоянной в широком диапазоне ср. и малых значений H. Применяется для магн. разведки полезных ископаемых, исследования магн. поля Земли и др. планет Солнечной системы и межпланетного пространства, а также для биомагн. исследований и др. Принцип работы. В наиб. распространённом К. м. частота перехода w между выбранными подуровнями определяется по резонансному поглощению эл--магн. излучения. Т. к. разность энергий DE между магн. подуровнями в равновесном состоянии мала (DE=hw, по частоте w соответствует радиодиапазону), то населённости этих уровней близки. Поэтому измерение DE затруднительно. Для достижения высокой чувствительности необходимо нарушить равновесное состояние системы путём магн. поляризации вещества, т. е. увеличить разность населённостей для выбранных подуровней. Существует неск. способов магн. поляризации вещества, напр., наложение сильного дополнит. магн. поля (я д е р н о-п р е ц е с с и о н н ы й или протонный К. м.) или воздействие на систему световым излучением резонансной частоты (К. м. с оптич. накачкой). В основе действия и тех и других лежит явление магнитного резонанса. Существуют также К. м. нерезонансного типа, основанные на оптич. ориентации атомов и использовании явления пересечения или антипересечения магн. подуровней в слабом магн. поле (магнитометр Ханле), и на Джозефсона эффекте (см. Сквид). Протонный К. м. основан на прецессии протонов в магн. поле. В отсутствие внеш. магн. поля магн. моменты отд. протонов ориентированы хаотично. Внеш. подмагничивающее поле H_п ориентирует протоны в направлении Н_п. В результате вещество приобретает макроскопич. ядерную парамагн. намагниченность, вектор к-рой М после выключения H_п прецессирует вокруг Н с частотой w₀=g_ядH, где g_яд- гиромагн. отношение протона. Т. к. g_яд известно с большой точностью, то Н определяется измерением w₀ также с высокой точностью. В протонных К. м. сосуд с богатой протонами жидкостью (спирт, вода, керосин и др.) помещают внутрь катушки, создающей поле H_п~ 10 мТл, обеспечивающее необходимую поляризацию вещества и направленное приблизительно перпендикулярно измеряемому полю Н. Т. к. вещество находится под действием двух полей - слабого измеряемого Н и поляризующего Н_п, то прецессия вектора ядерной намагниченности происходит вокруг вектора суммарного поля H+H_n. Если затем ноле H_п быстро выключить, вектор намагниченности будет прецессировать с частотой w₀=g_ядН вокруг Н (затухающая свободная прецессия). Для измерения частоты прецессии индукционную катушку через усилитель подключают к частотно-измерит. устройству (рис. 1). Точность протонного К. м. достигает 10 пТл. Протонные К. м. применяют для геофиз. исследований (в обсерваториях, на море, при аэромагн. и спутниковых измерениях, для решения задач вулканологии и археологии и др.).

Рис. 1. Схема протонного магнитометра.

Их достоинства: абсолютность измерений, высокая стабильность коэф. преобразования поле-частота и независимость его от внеш. условий; высокая точность измерения частоты, превосходящая точность измерения др. физ. величин. Недостатки: малая величина сигнала, невозможность непрерывного режима работы, значит. погрешность при поворотах прибора (3,7 нТл.с.рад^-1). К. м. с оптической накачкой лишён этих недостатков. В нём поляризация вещества достигается воздействием на парамагн. атомы светового излучения определ. частоты. Реальная система зеемановских уровней парамагн. атомов (К, Rb, Cs), применяемых в К. м., сложна. Однако принцип оптич. накачки может быть проиллюстрирован на простейшей двухуровневой схеме. Свет накачки должен быть таким, чтобы вероятности его поглощения существенно различались для разных подуровней. В этом случае под действием света накачки примерное равенство населённостей этих подуровней нарушится и в ансамбле атомов возникнет макроскопич. электронный магн. момент - система станет поляризованной (см. Оптическая накачка, Оптическая ориентация атомов). Степень поляризации определяется конкуренцией процессов накачки и тепловой релаксации, приводящей к потере поляризации за счёт тепловых столкновений атомов со стенками ячейки. Для того чтобы свести эффект тепловой релаксации к минимуму, в поглощающую ячейку наряду с парами щелочного металла помещают небольшое кол-во диамагн. газа (Не, Аг, N и т. д.), замедляющего диффузию к стенкам, либо покрывают стенки защитными покрытиями (парафин, полиэтилен). Т. к. плотность рабочих атомов в ячейке мала (~10¹⁰ см^-3), то намагниченность, полученная при помощи оптич. накачки, также мала и прецессия макроскопич. момента не обнаруживается по эдс, наводимой ею в индукц. катушке, как в протонных К. м. Методы обнаружения прецессии в этом случае основаны на наблюдении изменения интенсивности поглощения света ансамблем поляризованных атомов при воздействии на него резонансного радиочастотного поля Н₁. Один из методов основан на том, что поле Н₁, частота к-рого w₀ совпадает с частотой перехода между зеемановскими подуровнями, приводит к выравниванию их населённостей. Это проявляется в уменьшении степени магн. поляризации пара и увеличении поглощения света накачки. Изменяя в небольших пределах частоту радиоволны и регистрируя её в момент наиб. поглощения света накачки, можно точно определить Н (оптич. индикация). В схеме такого К. м. радиочастотный генератор периодически перестраивают вокруг w₀ (обычно в магн. поле Земли рабочие частоты для щелочных металлов лежат в диапазоне 200-700 кГц) при помощи вспомогат. звукового генератора, а частоту w₀ определяют синхронным детектором или при помощи осциллографа (рис. 2).

Рис. 2. Схема квантового магнитометра с оптической накачкой и оптической индикацией.

Др. метод состоит в измерении частоты генерации w₀ в схеме самогенерирующего К. м., в к-ром пары щелочного металла играют роль резонансного элемента в цепи обратной связи усилителя (рис. 3). Суммарный магн. момент, прецессируя в измеряемом поле Н с частотой w₀, периодически с той же частотой меняет прозрачность паров для света накачки.

Рис. 3. Схема самогенерирующего квантового магнитометра с оптической накачкой.

Это регистрируется фотоприёмником как модуляция амплитуды фототока на частоте w₀. Переменный фототок усиливается и подаётся в катушки радиочастотного возбуждения, окружающие ячейку с паром (замкнутая цепь самовозбуждения). Избирательность этой цепи обеспечивается прецессией магн. момента в поле Н. Частоту w₀ сигнала, генерируемого таким К. м., можно точно измерить (автоматически и дистанционно). В К. м. с оптич. накачкой макс. чувствительность достигается для Rb или Cs (реже К и Не). При измерениях индукции В магн. поля Земли порог чувствительности таких К. м. достигает 10^-12 Тл. Для полей с B>10^-3 Тл они не применяются. Для Не рабочий диапазон 10^-12-10^-3 Тл, для Rb - 10^-13- 10^-10 Тл. Абс. погрешность измерений В, как правило, значительно выше порога чувствительности (0,1 - 1 нТл). Осн. достоинство - возможность точных измерений величины поля (модуля) с неориентированных платформ и в движении. К. м. с оптич. накачкой позволили измерить геомагн. поле, установить его пространств. и вековые изменения (см. Земной магнетизм), обнаружить ионосферные приэкваториальные токовые системы и внеионосферное токовое кольцо, а также токи вдоль силовых линий в полярных областях (см. Ионосфера, Магнитосфера Земли). К. м. нерезонансного типа основан на оптич. ориентации атомов с использованием явлений пересечения зеемановских подуровней осн. состояния атомов в магн. поле (Ханле эффект ).В К. м. этого тина колба (внутр. поверхности стенок к-рой покрыты парафином), заполненная парами ⁸⁷Rb, освещается циркулярно поляризованным излучением ⁸⁷Rb, проходящим через фильтр, пропускающий только одну спектральную линию (D₁ - линию). Измеряемое поле Н и вспомогат. радиочастотное поле H₁cos wt ориентированы перпендикулярно направлению света. Свет, прошедший через колбу с парами, воспринимается фотоприёмником и регистрируется синхронным детектором, на к-рый подаётся также сигнал с частотой w (рис. 4).

Рис. 4. Схема Ханле магнитометра.

Радиочастотное поле H₁cos wt, параллельное измеряемому полю H, модулирует расщепление между энергетич. подуровнями атомов ⁸⁷Rb, что приводит к модуляции интенсивности регистрируемого света. Контур наблюдаемой линии имеет лоренцеву форму (1+W²t²)^-1, где W= | E₂-E₁ | /h, E₂, E₁ - энергии пересекающихся уровней, t - время жизни возбуждённого атома. Максимум наблюдаемой линии соответствует пересечению уровней E₂-E₁=0. Для измерения компонент поля Н удобно наблюдать кривую дисперсии. При этом в пределах ширины линии Г, амплитуда регистрируемого оптического сигнала проходит через нуль при H=0 и пропорц. измеренной компоненте поля. Частота w радиочастотного поля, воздействующего на атомы ⁸⁷Rb, не является резонансной частотой этих атомов, поэтому Ханле магнитометр не является резонансным, несмотря на то, что наблюдаемый сигнал имеет лоренцеву форму. С помощью Ханле магнитометра могут быть измерены слабые магн. поля с индукцией B~100-1000 нТл при отношении сигнала к шуму ~10³ и пороге чувствительности 1-2 нТл. Такая чувствительность сравнима лишь с чувствительностью магнитометров, в к-рых используется квантование магн. потока в двухсвязных проводниках. Ханле магнитометры применяют для измерения сверхслабых магн. полей, напр., магн. полей в космосе, полей ферромагн. экранов и др. Лит.: Померанцев Н. М., Рыжков В. М., Скроцкий Г. В., Физические основы квантовой магнитометрии, М., 1972; Скроцкий Г. В., Соломахо Г. И., Явление пересечения магнитных подуровней в основном состоянии и его применение в магнитометрии, "Геофизич. аппаратура", 1973, в. 52, с. 3; Александров Е. Б., Мамырин А. Б., Наумов А. П., СТС - магнитометр для абсолютных измерений магнитной индукции слабых магнитных полей, "Измерит. техника", 1977, № 7, с. 73; Козлов А. Н., Майоршин В. В., Компонентные гелиевые магнитометры на эффекте Ханле, в сб.: Геомагнитное приборостроение, М., 1977, с. 9; Александров Е. Б., Абсолютные измерения малых магнитных полей, "Вестник АН СССР", 1978, № 11, с. 14; его же, Атомно-резонансные магнитометры с оптической накачкой, в кн.: Исследования в области магнитных измерений, Л., 1978, с. 3; Б л и н о в Е. В. и др., Щелочно-гелиевый магнитометр с оптической ориентацией атомов калия, "ЖТФ", 1984, т. 54, в. 2, с. 287. Е. И. Дашевская.

   <<      Предметный указатель      >>