Квантовый магнитометр
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 DE 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: , где - Планка постоянная, w - частота электромагнитного поля. Частота w точно равна частоте прецессии магнитного момента вокруг направления магнитного поля, т. е. w = gН, где g - 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 w 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 Н с частотой w = g pH, где g 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 w. В магнитном поле Земли H3 ~ 0,6 э,w = 2,55 кгц. Прецессия постепенно затухает благодаря процессу релаксации,обусловленному слабым взаимодействием между протонами и атомами парамагнитных примесей, растворимых в рабочей жидкости. Для чистой воды время релаксации ~3 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 ~ 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, < 1 э. Чувствительность, которая может быть достигнута при помощи таких приборов, ~10-6-10-7 э,что позволяет измерять очень слабые поля, в частности в космическом пространстве.
Сверхпроводящий магнитометр основан на квантовании 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/ Ф, 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 2g. 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.