第4章磁傳感器6-8

第六節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器基本原理：利用質(zhì)子在外磁場中的旋進(jìn)現(xiàn)象，根據(jù)磁共振原理研制而成。一、質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的磁測原理物理學(xué)已證明物質(zhì)是具有磁性的。對(duì)水分子（H2O）而言，從其分子結(jié)構(gòu)、原子排列和化學(xué)價(jià)的性質(zhì)分析得知：水分子磁矩（即氫質(zhì)子磁矩）在外磁場作用下繞外磁場旋進(jìn)。帶電粒子自旋產(chǎn)生磁矩質(zhì)子的旋進(jìn)頻率:γp

為質(zhì)子旋磁比；T為外磁場強(qiáng)度f=γpT

/2π第六節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子的磁矩M在外磁場T的作用下，繞著磁場T旋進(jìn)，它的軌跡描繪出一個(gè)圓錐體，旋進(jìn)的角頻率為ω，稱為拉莫爾頻率（LarmorFrequency）。根據(jù)解析運(yùn)動(dòng)方程可知：則：f=γpT/2π可以看出，頻率與磁場成正比，只要能測出頻率，即可求出外磁場大小，從而達(dá)到測磁目的。強(qiáng)調(diào)：此處沒有考慮弛豫時(shí)間，是在a角不變、信號(hào)不衰減的前提下得到的。實(shí)際工作中有弛豫時(shí)間和信號(hào)衰減問題。ω=γpT，ω=2πf第六節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器二、磁場的測量與旋進(jìn)信號(hào)在核磁共振中，共振信號(hào)的幅度與被測磁場T3/2成正比。當(dāng)被測磁場很弱時(shí)，信號(hào)幅度大大衰減。對(duì)微弱的被測磁場，用一般的核磁共振檢測方法是接收不到旋進(jìn)信號(hào)的。為了測得質(zhì)子磁矩M繞外磁場的旋進(jìn)頻率信號(hào)，必須采取特殊方法：使沿外磁場方向排列的質(zhì)子磁矩，在極化場的激勵(lì)下，建立質(zhì)子宏觀磁矩，并使其方向于外磁場方向垂直或接近垂直,即施加一個(gè)強(qiáng)人工磁場。第六節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器當(dāng)沒有外界磁場作用于含氫液體時(shí)，其中質(zhì)子磁矩?zé)o規(guī)則的任意指向，不顯現(xiàn)宏觀磁矩。若垂直于地磁場T的方向，加一強(qiáng)人工磁場H0，則樣品中的質(zhì)子磁矩，將按方向排列起來，此過程稱為極化。第六節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器在垂直于外磁場方向加一極化場H（該場強(qiáng)約為外磁場的200倍）。在極化場作用下，質(zhì)子磁矩沿極化場方向排列，形成宏觀磁矩。預(yù)極化法示意圖H*MMMHTθ第六節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器若切斷人工磁場H0，則地磁場對(duì)質(zhì)子有力矩作用，試圖將質(zhì)子拉回到地磁場方向，由于質(zhì)子自旋，因而在力矩作用下，質(zhì)子磁矩M將繞著地磁場T的方向做旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)（拉莫爾旋進(jìn)），好像地面上傾斜旋轉(zhuǎn)的陀螺，在重力作用下并不立刻倒下，而是繞著鉛垂方向作旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)一樣。實(shí)際中：用圓柱形玻璃容器裝滿水樣品或含氫質(zhì)子液體，作為靈敏元件，在容器周圍繞上極化線圈和測量線圈或共用一個(gè)線圈，使線圈軸向垂直于外磁場T方向。第六節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器當(dāng)質(zhì)子磁矩在旋進(jìn)過程中切割線圈，使線圈環(huán)繞面積中的磁通量發(fā)生變化，于是在線圈中就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。當(dāng)去掉極化場H，質(zhì)子磁矩則以拉莫爾旋進(jìn)頻率繞外磁場旋進(jìn)。M

υω=γTT2tM衰減示意圖感應(yīng)信號(hào)衰減示意圖xy第六節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器組成核心：500cc左右有機(jī)玻璃容器,在容器外面繞以數(shù)百匝的導(dǎo)線,使線圈軸向與外磁場方向大致垂直,線圈中通以1～3A的電流,而形成約0.01T的極化場,使水中質(zhì)子磁矩指向極化場H的方向。第六節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器主要優(yōu)點(diǎn)：◆精度高，一般在（0.1~10）nT范圍內(nèi)；◆穩(wěn)定性好（因旋磁比γp是一常數(shù)，其值只與質(zhì)子本身有關(guān)，它的值與外界溫度、壓力、濕度等因素均無關(guān)）；◆工作速度快，可直讀外磁場值；◆絕對(duì)值測量缺點(diǎn)是：極化功率大，只能進(jìn)行點(diǎn)測；受磁場梯度影響較大。第六節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器第六節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀第七節(jié)光泵式磁敏傳感器光泵式磁敏傳感器是以某些元素的原子在外磁場中產(chǎn)生的塞曼分裂為基礎(chǔ)，并采用光泵和磁共振技術(shù)研制成的。光泵磁力儀目前實(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儀器。特點(diǎn)：靈敏度高，一般為0.01nT量級(jí)，理論靈敏度高達(dá)10-2~10-4nT。響應(yīng)頻率高，可在快速變化中進(jìn)行測量?？蓽y量磁場的總向量T，并能進(jìn)行連續(xù)測量。第七節(jié)光泵式磁敏傳感器磁力儀種類：氦(He)光泵磁力儀，其中又分He3、He4光泵磁力儀；堿金屬光泵磁力儀，其共振元素有銣(Rb85、Rb87)、銫(Cs133)、鉀(K39)、汞(Hg)等。應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用于國防工程、空間磁場測量、地磁場微變測量、探礦及天然地震預(yù)報(bào)等。第七節(jié)光泵式磁敏傳感器一、氦（He4）光泵式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)概念1：原子能級(jí)——原子系統(tǒng)能量量子化的形象化表示。按照量子力學(xué)理論，可計(jì)算出原子系統(tǒng)的能量是量子化的，能量取一系列分立值；能量值取決于一定的量子數(shù)，因此能級(jí)用一定的量子數(shù)標(biāo)記。第七節(jié)光泵式磁敏傳感器塞曼效應(yīng)：指在外磁場中原子能級(jí)產(chǎn)生分裂的現(xiàn)象。xSSNv2v0v1Ov2v0v1zyπ成分σ成分正常塞曼效應(yīng)：在弱磁場中,電子自旋量子數(shù)為零時(shí)(S=0)產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)。反常塞曼效應(yīng)：在弱磁場中,電子自旋量子數(shù)不為零(S≠0)時(shí)產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)光泵式磁敏傳感器，不管是堿金屬Cs、Rb還是He4、He3光泵傳感器，電子自旋量子數(shù)均不為零（S≠0），并且均是在弱磁場中工作，故屬反常塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖譜線的分裂是以原子能級(jí)分裂為基礎(chǔ)，分裂間距v1-v0=v0-v2與外磁場強(qiáng)度成正比。第七節(jié)光泵式磁敏傳感器1、反常的塞曼效應(yīng)能級(jí)分裂當(dāng)原子在弱磁場H中，總的軌道動(dòng)量矩Pl和總的自旋動(dòng)量矩PS之間的“耦合”沒有被拆開，此時(shí)，原子的殼層動(dòng)量矩Pj將帶著PS一起繞磁場H旋進(jìn)。磁場將使原子獲得的附加能量為：

為殼層磁矩uj與磁場H之間的夾角。對(duì)于堿金屬，由于只有一個(gè)外層電子在起作用，只考慮單電子的內(nèi)量子數(shù)即可，即：第七節(jié)光泵式磁敏傳感器另外：將上式代入

得：第七節(jié)光泵式磁敏傳感器假設(shè)原子躍遷能級(jí)為E1、E2。在外磁場作用下，這兩個(gè)能級(jí)各自有附加能量ΔE1、ΔE2。原子就在附加能量的能級(jí)上產(chǎn)生躍遷。躍遷頻率為：可以看出，磁場中產(chǎn)生分裂的譜線，相對(duì)于中心頻率的間距：第七節(jié)光泵式磁敏傳感器根據(jù)原子物理學(xué)原理可知，原子能級(jí)的躍遷是按躍遷規(guī)則進(jìn)行的：若則若則此兩個(gè)式子即為磁場中反塞曼效應(yīng)時(shí)譜線分裂的間距。至于分裂后譜線的條數(shù)和間距大小，因情況不同而不同。第七節(jié)光泵式磁敏傳感器氦原子有2個(gè)電子，2個(gè)質(zhì)子，2個(gè)中子，核自旋互相抵消，核磁矩為0。一般情況下，2個(gè)電子都處于1S軌道，充滿n=1軌道，L=0，表現(xiàn)不出軌道磁矩；根據(jù)泡利不相容原理，2個(gè)電子的自旋相反，顯示不出電子的自旋磁矩；因而氦原子在外磁場中不會(huì)產(chǎn)生塞曼分裂，因而無法直接進(jìn)行光泵磁測。為此，需要將一個(gè)電子激發(fā)到較高能級(jí)軌道上，另一個(gè)電子仍處于1S態(tài)（基態(tài)）。處在激發(fā)態(tài)的高能級(jí)上的電子，根據(jù)空間量子化原理，自旋狀態(tài)有兩種：和基態(tài)電子自旋方向相同：總自旋量子數(shù)S=1/2+1/2=1和基態(tài)電子自旋方向相反：總自旋量子數(shù)S=1/2-1/2=02、氦（He4）原子能級(jí)的塞曼分裂第七節(jié)光泵式磁敏傳感器當(dāng)S=0時(shí)，在磁場作用下，原子能級(jí)不發(fā)生分裂，稱為仲氦。當(dāng)S=1時(shí)，在磁場作用下，原子能級(jí)可分裂為3個(gè)能級(jí)，即能級(jí)表現(xiàn)為三重態(tài)，稱為正氦。根據(jù)原子物理學(xué)，氦原子發(fā)生躍遷，服從的定則為：由于輻射過程不影響電子的自旋運(yùn)動(dòng)，因而這樣就有根據(jù)定則，S能級(jí)只能和P能級(jí)互相產(chǎn)生躍遷，由于所以，單重能級(jí)和三重能級(jí)之間不存在躍遷，即仲氦和正氦之間不能直接產(chǎn)生躍遷，根據(jù)選擇定則，單重能級(jí)和三重能級(jí)不能直接躍遷到基態(tài)，而23S1是比較穩(wěn)定的，稱為亞穩(wěn)態(tài)。2、氦（He4）原子能級(jí)的塞曼分裂第七節(jié)光泵式磁敏傳感器2、氦（He4）原子能級(jí)的塞曼分裂亞穩(wěn)態(tài)正氦塞曼分裂能級(jí)圖第七節(jié)光泵式磁敏傳感器二、氦（He4）光泵式磁敏傳感器的測磁原理He4原子在穩(wěn)態(tài)下既不具有核磁矩，也不具有殼層磁矩，整個(gè)原子不顯示磁性，在外磁場中不產(chǎn)生塞曼能級(jí)分裂。當(dāng)把He4原子中一電子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，對(duì)正氦s=1的情況，則具有電子自旋磁矩。這時(shí)是單個(gè)電子的自旋磁矩，即原子的總磁矩μj等于電子的總自旋磁矩μs，即μj=μs。由于電子自旋磁矩μj是在外磁場作用下，故γs——電子的總磁矩比He4光泵式磁敏傳感器測磁原理公式頻率f與外磁場T成正比關(guān)系，只要測出頻率f即可求得外磁場T的大小。第七節(jié)光泵式磁敏傳感器1、光泵作用光泵作用的實(shí)質(zhì)：利用光使原子磁矩達(dá)到定向排列的過程，也稱光學(xué)取向。D1線作用下He亞穩(wěn)態(tài)原子的光泵作用示意圖第七節(jié)光泵式磁敏傳感器2、磁共振作用磁共振作用：用射頻場打亂原子磁矩定向排列的過程在垂直外磁場方向（即垂直于光軸）加一交變的磁場，使射頻場的頻率f0等于相鄰磁子能級(jí)間的躍遷頻率。根據(jù)躍遷受激躍遷原則，射頻場將使富集在

磁子能級(jí)上的原子產(chǎn)生受激躍遷，先向磁子能級(jí)上躍遷，再向激的磁子能級(jí)上躍遷，使得原子的分布規(guī)律服從波爾茲曼分布規(guī)律。于是原子磁矩的定向排列被打亂，完成磁共振過程。第七節(jié)光泵式磁敏傳感器從吸收室光的強(qiáng)弱角度分析：在原子磁矩取向前，吸收室中大量亞穩(wěn)態(tài)正氦原子吸收氦燈射來的D線，原子通過光泵作用將原子磁矩定向排列到某一能級(jí)上，這時(shí)透過吸收室的光線相對(duì)比較小，稱為光弱（暗）；當(dāng)原子磁矩取向后，吸收室內(nèi)的原子磁矩已排列好，不再吸收D線，透過吸收室的光相對(duì)變強(qiáng)，稱為光強(qiáng)（亮）。當(dāng)發(fā)生磁共振時(shí)，原子磁矩取向被打亂，吸收D線產(chǎn)生光泵作用重新取向，此時(shí)為暗。若能測量出通過吸收室樣品光線最暗時(shí)的射頻場頻率，也就求得了磁共振（吸收頻率）。磁共振頻率在數(shù)值上等于原子在亞穩(wěn)態(tài)的磁子能級(jí)間的躍遷頻率，測得此頻率值也就得到外磁場值：第七節(jié)光泵式磁敏傳感器He4光泵式磁敏傳感器的組成框圖1—高頻激發(fā)振蕩器；2—氦燈；3—透鏡1；4—偏振片

5—λ/4；6—吸收室；7—RF振蕩器；8—射頻線圈；9—透鏡2；10—光敏元件He4光泵式磁敏傳感器系由吸收室、氦燈、兩個(gè)透鏡、偏振片、λ/4、光敏元件等元器件組成。三、光泵式磁敏傳感器的組成及工作原理第八節(jié)SQUID磁敏傳感器靈敏度最高的磁傳感器——SQUID磁傳感器英文：SQUID（SuperconductingQuantumInterferenceDevice）中文：超導(dǎo)量子干涉器Itisme???SQUID特點(diǎn)：靈敏度極高，可到10-15T量級(jí)，超出光泵磁傳感器2~3數(shù)量級(jí)；測量范圍大，從零場測量到幾kT；響應(yīng)頻率寬，從零響應(yīng)到幾MHz。SQUID以上特性是其他磁測傳感器所望塵莫及的。第八節(jié)SQUID磁敏傳感器SQUID應(yīng)用領(lǐng)域：地球物理：大地電磁測深、古地磁考古、巖石剩磁測量、重力（梯度）勘探、地震預(yù)報(bào)等；生物磁測：心磁、腦磁測量、低場核磁共振等，從而出現(xiàn)了神經(jīng)磁學(xué)、腦磁學(xué)等新興學(xué)科，為醫(yī)學(xué)研究開辟了新領(lǐng)域；軍事領(lǐng)域：探潛、未爆炸物（UXO）探測等；金屬無損探傷：飛機(jī)翅膀、輪子的內(nèi)部缺陷檢測第八節(jié)SQUID磁敏傳感器一、超導(dǎo)效應(yīng)（a）ρT/K0T/K

ρ0ρ0Kρ0TC（b）電阻隨溫度變化曲線（a）正常導(dǎo)體（b）超導(dǎo)體超導(dǎo)電性：在某一溫度Tc以下電阻突然消失的現(xiàn)象。超導(dǎo)體：具有超導(dǎo)電性的物體。臨界溫度（Tc）：超導(dǎo)體從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶娮钑r(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。超導(dǎo)體特性：理想導(dǎo)電性、完全逆磁性、全磁通量子化，約瑟夫森效應(yīng)。不純金屬純金屬第八節(jié)SQUID磁敏傳感器1、理想導(dǎo)電性——零電阻效應(yīng)SNHSNH（a）T＞TcH≠0（b）T＜TCH≠0（c）T＜TCH=0

若將一超導(dǎo)環(huán)置于外磁場中，然后使其降溫至臨界溫度以下，再撤掉外加磁場，此時(shí)超導(dǎo)環(huán)內(nèi)有一感應(yīng)電流I，因?yàn)槌瑢?dǎo)環(huán)內(nèi)無電阻消耗能量，此電流將永遠(yuǎn)維持下去。第八節(jié)SQUID磁敏傳感器2、完全逆磁性——邁斯納效應(yīng)磁場不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部而使其具有排磁性。第八節(jié)SQUID磁敏傳感器3、全磁通量子化效應(yīng)在超導(dǎo)體上取任一閉合曲線，曲線上電子對(duì)波在閉合曲線上的位相變化：電流引起的位相差磁場引起的位相差該式子稱為電子對(duì)波相位條件超導(dǎo)體第八節(jié)SQUID磁敏傳感器3、全磁通量子化效應(yīng)改寫上式子：通過閉合曲線所包圍面積的全磁通磁通量子磁通量子：普朗克常數(shù)：電子電量：電子質(zhì)量第八節(jié)SQUID磁敏傳感器4、約瑟夫森效應(yīng)超導(dǎo)體中有弱連接存在時(shí)，電子對(duì)可以隧穿弱連接而形成超導(dǎo)電流，即約瑟夫森（Josephson）效應(yīng)。兩塊超導(dǎo)體距離較大時(shí)，電子對(duì)波位相完全無關(guān)h大第八節(jié)SQUID磁敏傳感器二、RFSQUID基本原理超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）是利用超導(dǎo)體的全磁通量子效應(yīng)和約瑟夫森效應(yīng)原理制成的。分RFSQUID和DCSQUID。含有一個(gè)弱連接的超導(dǎo)環(huán)

超導(dǎo)環(huán)中總磁通量：由電子對(duì)波位相條件，磁場沿閉合曲線引起的位相差：第八節(jié)SQUID磁敏傳感器由電子對(duì)波相位條件可知，超導(dǎo)體中沿閉合曲線由電流引起的位相差和由磁場引起的位相差之和為整數(shù)倍超導(dǎo)環(huán)電流遠(yuǎn)小于其臨界電流，超導(dǎo)電流密度小，動(dòng)