論新型磁力儀展望

1、論新型磁力儀展望    【論文關(guān)鍵詞】：磁力儀；光泵；超導(dǎo)SQUID；原子    引言     目前，在空間、海洋、勘探、在醫(yī)院和其它實(shí)驗(yàn)室中廣泛的應(yīng)用著各種磁力儀，用于測(cè)量地磁場(chǎng)以及生物學(xué)磁場(chǎng)。在這些領(lǐng)域，新型的光泵磁力儀、超導(dǎo)磁力儀（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）；以及處于研究、試驗(yàn)階段的固體電子自旋共振磁力儀（Electron Spin Resonance ,

2、ESP）、原子磁力儀（Atomic Magnetometer, AM）必將以其超高的精度擔(dān)負(fù)起越來(lái)越重的任務(wù)。   過(guò)去測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是奧斯特(Oersted,Oe)，采用和推廣國(guó)際單位制(SI)以后，測(cè)量磁 感 應(yīng) 強(qiáng)度( 磁 通量密度)的 單 位 是 特 斯 拉(Tesla,T)或高斯(Gaus ,Gs)。 它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為1nT= 10-9 T = 1gamma()。特&#

3、160;斯 拉的換算關(guān)系為:1T(特斯拉)= 109nT (納特)=1012pT(皮特)=1015fT(飛特)=1018aT(阿特)1。   磁場(chǎng)強(qiáng)度曾經(jīng)用過(guò)T、F、Be等幾個(gè)符號(hào)表示，許多文獻(xiàn)中曾采用F、Be。文章中為了規(guī)范、清晰采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位T。    .光泵磁力儀     光泵磁力儀是高靈敏的磁測(cè)設(shè)備。它是以某些元素的原子在外磁場(chǎng)中產(chǎn)生的蔡曼分裂為基礎(chǔ)，并采用光泵技術(shù)與磁共振技術(shù)研制成的。   按照量子理論，在外磁場(chǎng)T中，具有自旋的亞原子粒子（如核子和電子）能級(jí)簡(jiǎn)并（

4、degeneracy）解除，分裂為一些磁次能級(jí)（或稱為蔡曼能級(jí)），在光譜上的表現(xiàn)，就是譜線分裂，這就是蔡曼效應(yīng)，蔡曼因此獲得1902(第二屆)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。分裂的能級(jí)間的能量差一般與外界磁場(chǎng)成正比。當(dāng)粒子在分裂的能級(jí)間發(fā)生躍遷時(shí)，就會(huì)發(fā)射或吸收電磁波，其頻率與磁次能級(jí)間的能量差成正比，測(cè)定這個(gè)電磁波的頻率，即可測(cè)定磁場(chǎng)。   光泵磁力儀是目前實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)應(yīng)用中靈敏度較高的一種磁測(cè)儀器。它靈敏度高，一般為0.01nT量級(jí)，理論靈敏度高達(dá)10-10nT;響應(yīng)頻率高，可在快速變化中進(jìn)行測(cè)量;可測(cè)量地磁場(chǎng)的總向量T及其分量，并能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。   光泵磁

5、力儀的種類甚多。按共振元素的不同，可分為氦（He）光泵磁力儀和堿金屬光泵磁力儀，共振元素有氦（He4）、銣（Rb85、Rb87）、銫（Cs133）、鉀（K39）、汞（Hg）等。對(duì)堿金屬而言，受溫度影響較大，如銫（Cs133）元素在恒溫430C左右，方可變成蒸汽狀態(tài)，而只有在蒸汽狀態(tài)時(shí)才能產(chǎn)生光泵作用。對(duì)He3、He4而言，因其本身是氣體狀態(tài)，無(wú)需加熱至恒溫，只需將它激勵(lì)使其處于亞穩(wěn)態(tài)，就能產(chǎn)生光泵作用。這些條件在設(shè)計(jì)與制造儀器時(shí)，必須予以重視。   光泵磁力儀未來(lái)的發(fā)展水平，主要取決于光泵光源及共振元素的發(fā)展程度。法國(guó)曾用可調(diào)諧的激光器代替常規(guī)的氦燈制成光泵磁力儀，由于譜線

6、的選擇性較好，激光又比氦燈的光要強(qiáng)，因此提高了磁力儀的靈敏度，達(dá)到10pT/Hz1/2。美國(guó)的R.Slcum博士利用二極管激光器作為氦同位素光泵磁力儀的光源，并申請(qǐng)了專利，與氦燈光源相比，靈敏度提高一個(gè)量級(jí)。最新的激光光泵氦（He4）磁力儀的靈敏度已突破PT/Hz1/2的界限，達(dá)到0.4 PT/Hz1/2，而用高頻激發(fā)的燈室作為光泵的光源的氦航空磁力儀達(dá)到了20pT/Hz1/2的靈敏度2-3。在共振元素的選擇上，為了提高精度，需要選擇譜線較窄的物質(zhì)，堿金屬符合譜線窄的要求，但需要一定的溫度（40-55）加熱為氣態(tài)。現(xiàn)在已經(jīng)有很多利用堿金屬制成的磁力儀，前不久問(wèn)世的鉀磁力儀，由于譜線很

7、窄又不重疊，方位誤差很小，維修方便，分辨率達(dá)到0.1pT，在取樣率為20Hz時(shí)，靈敏度可達(dá)到0.014nT。因此鉀光泵磁力儀在光泵磁力儀中占有優(yōu)勢(shì)地位。當(dāng)然隨著靈敏度，取樣率的提高，其價(jià)格也顯著提高。    .超導(dǎo)量子干涉磁力儀     超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）是上世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型的靈敏度極高的磁敏傳感器。它是以約瑟夫遜（Josephson）效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，用超導(dǎo)材料制成的，是超導(dǎo)量子干涉磁力儀的核心。   SQUID可以檢測(cè)非常微弱的磁場(chǎng)，足以檢測(cè)生物電流產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)，人類心臟產(chǎn)生的磁場(chǎng)約為10-

8、10T（0.1nT），人腦的磁場(chǎng)約為10-13T（0.1pT）。如果有一個(gè)恒定的電流維持在SQUID中，則測(cè)得的電壓隨兩個(gè)結(jié)上相位的變化而振蕩，而相位的變化取決于磁通的變化。量子理論得出的十分重要的結(jié)論是，若有一超導(dǎo)體環(huán)路，則它包圍的磁通量只能取0的整數(shù)倍。   0h/(2e)=2.0678506(54)×10-15Wb2.07×10-15 Wb =2.07×nT.cm2   這就是磁通量的量子化，0叫做磁通量量子。如果磁場(chǎng)發(fā)生變化，則0的個(gè)數(shù)也跟著變化，對(duì)0個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)就可測(cè)得磁場(chǎng)值。超導(dǎo)磁力儀是矢量磁

9、力儀，它測(cè)量垂直于超導(dǎo)環(huán)路平面的磁場(chǎng)4。   SQUID靈敏度極高，可達(dá)10-15T，比靈敏度較高的光泵磁力儀要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)；它測(cè)量范圍寬，可從零場(chǎng)測(cè)量到數(shù)千特斯拉；其響應(yīng)頻率可從零響應(yīng)到幾千兆赫。這些特性均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常用的磁通門(mén)磁力儀和質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀。   量子超導(dǎo)磁力儀具有高精度、高靈敏度的同時(shí)不足之處也相對(duì)十分明顯，超導(dǎo)材料自身易碎、不易加工，成本極其昂貴且SQUID磁測(cè)儀器要求在低溫條件下工作、需要昂貴的液氦（或液氮）和制冷設(shè)備，這給SQUID磁測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用帶來(lái)許多困難。在超導(dǎo)領(lǐng)域的這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，世界各國(guó)都在不斷探索，超導(dǎo)從低溫向高溫的方向進(jìn)步

10、，同時(shí)生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)也持續(xù)的提高。可以預(yù)計(jì)，量子超導(dǎo)干涉磁力儀隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展將會(huì)在許多領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。 .原子磁力儀  新型原子磁力儀可用于物理學(xué)基本理論的研究，高精度地質(zhì)調(diào)查和油、氣等礦產(chǎn)普查，生物磁學(xué)研究。前已提及,現(xiàn)在光泵磁力儀已成功地測(cè)繪出心臟產(chǎn)生的磁場(chǎng),磁場(chǎng)幅度為0.1nT，人腦的磁場(chǎng)很弱,只有幾個(gè)fT。高靈敏度的原子磁力儀,在繪制心磁圖、腦磁圖作醫(yī)學(xué)診斷乃至是生物磁測(cè)、空間磁測(cè)，軍事偵察等領(lǐng)域，無(wú)疑是非常合適的，但仍需進(jìn)行完善才適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需要。    結(jié)束語(yǔ):  雖然現(xiàn)在許多小巧的新興磁敏傳感器（如霍爾磁敏傳感器，巨磁阻傳感器

11、等）也十分活躍，但其精度遠(yuǎn)不能與文中涉及的磁力儀相比較。隨著磁力儀的發(fā)展，磁場(chǎng)探測(cè)精度的提高，新興學(xué)科-磁法應(yīng)用有著廣泛的發(fā)展空間。    參考文獻(xiàn)  1張昌達(dá). 量子磁力儀研究與開(kāi)發(fā)近況. 物探與化探. 2005年8月第29卷第4期：283-287.  2SlocumRE,SchearerLD,TinP,etal.Nd:LNAlaseropticalpumpingof4He-ApplicationtospacemagnetometersJ. Jour- nalofAppliedPhysics,1988,

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