«Квантовый магнитометр»

прибор для измерения напряжённости магнитных полей, основанный на квантовых явлениях. Такими явлениями служат свободная упорядоченная прецессия ядерных или электронных магнитных моментов (см. Магнитный резонанс),Квантовые переходы между магнитными подуровнями атомов, а также квантовые изменения магнитного потока в сверхпроводящем контуре (см. Сверхпроводимость).

К. м. применяются главным образом для измерения напряжённости слабых магнитных полей и, в частности, магнитного поля Земли и его аномалий как на её поверхности, так и на больших высотах, соответствующих орбитам баллистических ракет и искусственных спутников Земли, для измерения магнитных полей планет Солнечной системы в космическом пространстве. К. м. применяются также для разведки полезных ископаемых, для магнитного каротажа, поиска затонувших судов и т.п.

Уровни энергии атомных ядер, электронов атомов или молекул, обладающих магнитными моментами, в магнитном поле расщепляются на несколько подуровней, разность энергий между которыми ΔE зависит от величины напряжённости Н магнитного поля и во многих случаях пропорциональна Н (см. Зеемана эффект). Частицы могут переходить с одного магнитного подуровня на другой, поглощая или излучая порцию (квант) электромагнитной энергии, равную: ħω, где ħ — Планка постоянная, ω — частота электромагнитного поля. Частота ω точно равна частоте прецессии магнитного момента вокруг направления магнитного поля, т. е. ω =γН, где γ — гиромагнитное отношение (см. Магнитомеханическое отношение, Лармора прецессия, Ядерный магнитный резонанс). Частота 0.1 лежит в радиодиапазоне. Измеряя её, например по резонансному поглощению веществом радиоволн (см. Радиоспектроскопия), можно определить напряжённость магнитного поля Н. Так как коэффициент пропорциональности между частотой ω и полем Н выражается через атомные константы, характеризующиеся чрезвычайно высокой стабильностью и воспроизводимостью, то чувствительность таких К. м. высока. Наиболее совершенные К. м. этого типа обладают чувствительностью до 10^–8 э или 10^–3 гамм (1 гамма = 10^–5 э).

Протонный магнитометр. Датчиком магнитометра является ампула с диамагнитной жидкостью, молекулы которой содержат атомы водорода (например, воду или бензол). Магнитные моменты молекул обусловлены только магнитными моментами ядер атомов водорода — протонами (электронные магнитные моменты в молекулах таких жидкостей скомпенсированы; см. Диамагнетизм).Ампулу помещают в катушку L, через которую пропускают в течение нескольких секунд ток, создавая в ней вспомогательное магнитное поле H₀ напряжённостью в несколько сот э (рис. 1). Под действием поля H₀ магнитные моменты протонов ориентируются и жидкость приобретает суммарный магнитный момент М. После выключения тока магнитные моменты протонов начинают прецессировать вокруг направления измеряемого магнитного поля Нс частотой ω = γ _pH, где γ _р = (2,67513 ± 0,00002) 10⁴ гс^–1сек^–1— магнитомеханическое отношение для протонов. Прецессия суммарного магнитного момента М приводит к появлению в катушке П переменной эдс с частотой, равной частоте прецессии ω. В магнитном поле Земли H₃ Квантовый магнитометр 0,6 э,ω = 2,55 кгц. Прецессия постепенно затухает благодаря процессу релаксации (См. Релаксация),обусловленному слабым взаимодействием между протонами и атомами парамагнитных примесей, растворимых в рабочей жидкости. Для чистой воды время релаксации Квантовый магнитометр3 сек. Для повторного измерения поля цикл повторяют. Цикличность работы датчика устраняют, например, с помощью системы из 2 датчиков, работающих поочерёдно.

Электронный К. м. аналогичен протонному. В нём используется прецессия в магнитном поле магнитных моментов неспаренных электронов парамагнитных атомов, частота которой в несколько сот раз больше частоты прецессии протонов (см. Электронный парамагнитный резонанс). Частота прецессии для электронов в поле Н Квантовый магнитометр 1 э равна 2,8 Мгц. Изменение поля на 1 гамму приводит к изменению частоты прецессии на 28 гц, что в 660 раз больше, чем для протонных магнитометров.

Для получения достаточно больших эдс применяют методы динамической поляризации ядер. При этом ориентация магнитных моментов протонов осуществляется благодаря их взаимодействию с электронными моментами парамагнитных ионов (в воде растворяют парамагнитную соль). Таким способом ядерную намагниченность удастся увеличить в несколько сот раз. Применение вещества, содержащего радикалы нитрозодисульфоната калия, позволяет увеличить намагниченность ещё примерно в 40 раз.

Оптический магнитометр (магнитометр с оптической накачкой: рис. 2). Датчиком прибора является стеклянная колба, наполненная парами щелочного металла (например, Rb), атомы которого парамагнитны, т.к. содержат один неспаренный электрон (см. Парамагнетик). При пропускании через колбу, помещенную в измеряемое поле Н, циркулярно поляризованного света, частота которого равна частоте оптического квантового перехода между основным состоянием атома и одним из его возбуждённых состояний, происходит резонансное рассеяние света. При этом момент количества движения квантов рассеиваемого света передаётся атомам, которые таким образом «оптически ориентируются», скапливаясь на одном из магнитных подуровней основного состояния. Если в объёме колбы датчика создать переменное магнитное поле, частота которого равна частоте квантового перехода между магнитными подуровнями основного состояния, то населённость атомов на магнитных подуровнях выравнивается, атомы теряют приобретённую преимущественную ориентацию магнитных моментов и приходят в исходное состояние. При этом пары металла, наполняющие колбу, вновь начинают сильно поглощать и рассеивать свет. Измеряя частоту переменного поля со, можно определить напряжённость магнитного поля Н, в котором находится колба датчика.

Оптические К. м. особенно удобны для измерения слабых полей, э. Чувствительность, которая может быть достигнута при помощи таких приборов, Квантовый магнитометр10^–6—10^–7 э,что позволяет измерять очень слабые поля, в частности в космическом пространстве.

Сверхпроводящий магнитометр основан на квантовании магнитного потока (См. Квантование магнитного потока), захваченного сверхпроводящим кольцом. Величина захваченного потока кратна кванту магнитного потока Ф₀= 2․10^–7 э ․см². Полный ток, протекающий через параллельные соединения двух переходов Джозефсона (сверхпроводящее кольцо, разделённое по диаметру очень тонким слоем изолятора; см. Джозефсона эффект) в результате сложения токов, проходящих по каждой из ветвей (рис. 3), изменяется пропорционально cos e/ħФ, где Ф — магнитный поток, охватываемый кольцом, е — заряд электрона. Этот ток достигает максимума всякий раз, когда Ф = nФ₀ (n — целое число). Наблюдая за изменениями тока, проходящего через двойной переход Джозефсона, можно измерять магнитный поток Ф и, зная площадь сечения перехода, определить напряжённость измеряемого магнитного поля. Если площадь, охватываемая двумя переходами, равна 1 мм²,то максимумы тока разделены интервалом в 2γ. Таким методом можно регистрировать десятую часть этого интервала. Чувствительность метода составляет в этом случае 0,2 гаммы. Для рассмотренного примера наиболее сильное поле, которое можно измерить, составляет около 20 гамм.

Все К. м. не боятся вибраций; их показания не зависят от ориентации прибора относительно измеряемого поляН, слабо зависят от изменения температуры, давления, влажности и т.п.

Лит.: Померанцев Н. М., Рыжков В. М., Скроцкий Г. В., Физические основы квантовой магнитометрии, М., 1972; Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1963.

Г. В. Скроцкий.

Рис. 1. Схема протонного магнитометра: L — катушка, создающая вспомогательное намагничивающее поле H₀; П — катушка, в которой возникает эдс, обусловленная прецессией ядерных моментов вокруг измеряемого магнитного поля Н; У — усилитель сигнала; Ч — частотомер, градуированный в э.

Рис. 2. Схема оптического квантового магнитометра: Л — источник света; СФ — светофильтр; П₁ — поляроид; П₂ — пластинка (λ/4), создающая разность фаз 90° для получения циркулярно поляризованного света; К — колба, наполненная парами щелочного металла: ф — фотоприёмник; Н — измеряемое поле.

Рис. 3. Схема сверхпроводящего магнитометра: С — сверхпроводящее кольцо с двумя переходами Джозефсона (а и б); Т — согласующий трансформатор; У₁ — узкополосный усилитель с детектором; У₂ — усилитель постоянного тока; Р — самописец. Магнитный поток через кольцо (перпендикулярный плоскости рисунка — сверху вниз) изображен крестиками. Его изменение приводит к появлению периодической эдс на входе усилителя У₁.

КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР - прибор для прецизионного измерения магнитных полей, действие которого основано на квантовых переходах парамагнитных атомов или ионов из одного состояния в другое.

quantum-mechanical magnetometer

atomic-type magnetometer

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 частотойw₀=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 _яд Н вокруг Н (затухающая свободная прецессия). Для измерения частоты прецессии индукционную катушкучерез 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: абсолютностьизмерений, 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 Землирабочие 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 междуэнергетич. 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.