Квантовые магнитометрические и гальваномагнитные приборы

Измерения магнитного поля методами магнитного резонанса основаны на избирательном поглощении излучения электромагнитных волн веществом, которое помещено в магнитное поле. Резонанс обусловлен взаимодействием частиц - молекул, атомов, электронов, ядер, - обладающих магнитным моментом и собственным моментом количества движения. Энергия таких взаимодействий зависит оториентации собственныхмомен-тов частиц относительно вектора магнитной индукции. В соответствии с принципами квантовой механики эта ориентация имеет дискретный характер. Изменение ориентации момента, а следовательно, и изменение ее энергии происходит скачкообразно. Разность энергий до и после скачка равна энергии кванта излучения или поглощения hν, где h - постоянная Планка и ν - частота излучения, равная с/λ, где с - скорость света и λ - длина волны излучения. Например, для протона ΔЕ = hν = 2μ_p•В, где μ_p - магнитный момент протона. Следовательно,

(7.18)

где γ_p - гиромагнитное отношение протона, равное отношению магнитного момента протона к его спину.

Принцип действия квантового магнитометра состоит в заселении верхних энергетических уровней системы каким-либо способом, например облучением вещества мощным электромагнитным полем, светом частоты, близкой к резонансной, наложением сильного магнитного поля, электрическим или СВЧ разрядом и т.д. После этого наблюдают либо спектр поглощения излучения, либо спектр испускания в послесвечении исследуемого вещества.

В зависимости от типа микрочастицы, взаимодействующей с измеряемым магнитным полем, квантовые приборы могут быть разделены на ядерные, электронные и атомные.

Процесс измерения заключается в регистрации частоты высокочастотной энергии, подводимой к образцу, которая максимально поглощается веществом образца. Чтобы зафиксировать значение этой частоты, последняя изменяется в некоторых пределах вблизи от резонансной частоты. В ряде случаев частота фиксируется, и измеряется величина магнитной индукции.

Тесламетры, основанные на вынужденной прецессии протонов, являются самыми точными измерительными средствами в области средних и сильных магнитных полей. Структурная схема тесламетра для измерения магнитной индукции методом вынужденной прецессии изображена на рис. 7.13 .

Рис. 07.13. Структурная схема тесламетра с вынужденной прецессией протонов

 

 

В тесламетре, схема которого приведена на рисунке 7.13 , фиксируется момент резонанса, т. е. совпадение частоты прецессии ядер с частотой генератора ВЧ. На горизонтальные пластины подается напряжение модуляции, на вертикальные - напряжение ядерного сигнала.

Тесламетры с оптическим возбуждением (оптической накачкой) используют зеемановское или сверхтонкое расщепление уровней энергии в магнитном поле. Напомним физический смысл этих эффектов.

Определенный фиксированный уровень в атоме имеет определенное «вырождение», т. е. несколько состояний могут иметь одну и ту же энергию. При наложении внешнего магнитного поля это вырождение снимается, т. е. моменты электрона в атоме, либо полный момент, либо спиновый, либо орбитальный, прецессируя вокруг направления внешнего поля, получают дополнительную энергию. Согласно квантовой механике эта дополнительная энергия также квантуется, т. е. добавляется или отнимается от начальной энергии порциями. Значение добавочной энергии зависит от величины магнитного поля. Это означает, что при наложении магнитного поля на ансамбль излучающих атомов большинство линий расщепляется на несколько линий, расстояние между которыми пропорционально величине магнитного поля. На рис. 7.14 поясняется эта ситуация.

Рис. 07.14. Зеемановское расщепление уровней энергии в атомах и расщепление спектральных линий

 

 

Измерение магнитного поля B₀ сводится к измерению разности частот между компонентами зеемановской структуры.

Аналогичным образом в измерениях магнитных полей проявляется сверхтонкое расщепление уровней энергии. Принципиальное его отличие отзеемановского расщепления в том, что вокруг направления магнитного поля прецессируют не моменты электрона, а моменты ядра. Энергетические добавки оказываются значительно меньшими, чем при прецессии моментов электрона, следовательно, в спектре это проявляется не как появление новых линий, а как искажение контуров линий. Точное измерение сверхтонкого расщепления, а следовательно, и измерение магнитных полей более точно возможно в радиочастотной области по поглощению энергии внешнего поля, подводимого к веществу. Схема таких измерительных устройств аналогична схемам установок для регистрации электронного парамагнитного резонанса или ядерного магнитного резонанса (рис. 7.15 ).

Рис. 07.15. Структурная схема квантового тесламетра на эффекте Зеемана

 

 

Существует целый ряд квантовых эффектов, на основе которых созданы магнитные преобразователи, позволяющие измерять характеристики магнитных полей. Поскольку данное изложение не предполагает наличия у читателя достаточно полного представления, например, о характеристиках сверхпроводимости или о магнитооптических эффектах, ограничимся кратким описанием сути этих явлений и упоминанием о том, что подобного рода эффекты нашли практическое применение в технике измерений параметров магнитного поля.

Явление сверхпроводимости заключается в том, что многие металлы или сплавы при температуре ниже определенной (критической) T_c обладают способностью проводить электрический ток практически без сопротивления. При этом очень важно, чтобы индукция внешнего магнитного поля не превышала бы некоторого критического значения B_c.

Другим важным свойством сверхпроводников является вытеснение магнитного поля из занимаемого объема. Это происходит независимо от того, помещается ли сверхпроводник при температуре ниже T_c в магнитное поле или охлаждается ниже температуры T_c во внешнем магнитном поле. То, что магнитное поле не может проникнуть внутрь сверхпроводника, полностью объясняется законами электродинамики на основании отсутствия у сверхпроводника сопротивления. Явление вытеснения магнитного поля из объема сверхпроводника при достижении критической температуры - эффект Мейснера - указывает на то, что классическая электродинамика недостаточна для объяснения свойств сверхпроводников.

В измерительной технике сверхпроводимость нашла достойное применение благодаря квантовым эффектам, известным как эффекты Джозефсона (Нобелевская премия 1973 г.). Сущность эффекта Джозефсона состоит в том, что через два сверхпроводника, разделенных тонким слоем изолятора, при наличии постоянной разности потенциалов, приложенных к сверхпроводникам, может протекать переменный электрический ток с частотой, определяемой приложенной разностью потенциалов (формула 7.15).

Измерительные преобразователи, применяемые в магнитоизмерительных приборах и основанные на эффекте Джозефсона, представляют собой сверхпроводящее кольцо с двумя (преобразователь постоянного тока) или одним (преобразователь переменного тока) джозефсоновскими переходами. Если кольцо с двумя джозефсоновскими переходами поместить в магнитное поле, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен плоскости кольца, то суммарный критический ток через переходы I_c определится выражением:

(7.19)

где ФФ₀ = р/2е - квант магнитного потока, равный 2,06•10^-15 Вб; I_c0 - критический ток каждого перехода в отсутствие магнитного поля; ФФ_j - магнитный поток, заключенный в каждом из переходов, ФФ_св - магнитный поток в сверхпроводящем кольце. При включении в сверхпроводящее кольцо двух джозефсоновских переходов наблюдается наложение двух периодически изменяющихся процессов. Такого рода преобразователь получил название СКИ или СКВИД от английского Superconducting quantum interference device (SQUID). Информация о магнитном поле или о его изменении получается из анализа вольт-амперной характеристики СКВИД'а. Эта характеристика имеет ступенчатую форму, т. е. ток через СКВИД изменяется скачками.

Процедура измерения магнитного потока с использованием СКВИД'а заключается в том, что на сверхпроводящее кольцо, содержащее контакт или два контакта Джозефсона, накладывается магнитный поток ФФ_вн. Если при изменении внешнего магнитного потока снимается вольт-амперная характеристика - ступенчатая зависимость тока 1 от разности потенциалов U,- то величину магнитного потока находят так

(7.20)

где n - число «ступенек» на вольт-амперной характеристике; ФФ₀ - квант магнитного потока; L - индуктивность измерительной цепи и I_c - критический токджозефсоновского контакта - амплитуда «ступеньки» на вольт-амперной характеристике. Схема СКВИД'а переменного тока дана на рис. 7.16 .

Рис. 07.16. Схема магнитного преобразователя квантового интерферометра СКВИД'а переменного тока

 

 

Особенности вольт-амперных характеристик, цепей, содержащих контакты Джозефсона, таковы, что амплитуда выходных сигналов с измерительной катушки 2 на рис. 7.16 зависит от амплитуды измеряющегося периодически внешнего магнитного потока. СКВИД градуируется таким образом, что сигнал с измерительной катушки непосредственно дает информацию об амплитуде внешнего магнитного потока.

Еще одним квантовым эффектом, на котором созданы приборы для измерения параметров магнитных полей, является магнитооптический эффект Фарадея. Сущность этого эффекта состоит в том, что магнитный момент электронов в атоме при помещении вещества в магнитное поле начинает прецессировать вокруг вектора . В результате этого вещество приобретает разные значения коэффициентов преломления для потоков излучения с разной круговой поляризацией. Проявляется это как поворот плоскости поляризации света, проходящего через вещество.

Для измерения магнитной индукции наблюдают поворот плоскости поляризации в тонких магнитных пленках. При этом поворот плоскости поляризации пропорционален не магнитной индукции В, а намагниченности вещества. Для ферромагнитных пленок, соответственно, угол поворота оказывается много больше, чем у других твердых тел.

Схема магнитооптического тесламетра, основанного на эффекте Фарадея, дана на рис. 7.17 .

Рис. 07.17. Схема тесламетра, основанного на эффекте Фарадея

 

 

Принцип измерения магнитного поля магнитооптическим тесламетром состоит в том, что оптический канал, содержащий источник света, два поляризатора и фотоприемник, настраивается в отсутствие магнитного поля либо на максимум пропускания, либо на минимум. После наложения магнитного поля плоскость поляризации повернется, и этот поворот компенсируется соответствующим поворотом одного из поляризаторов, также по максимуму или по минимуму выходного сигнала. Измеряемой характеристикой является угол поворота поляризатора относительно его положения при =0.Чаще всего шкала магнитооптического прибора градуируется непосредственно в значениях напряженности магнитного поля.

Гальваномагнитными называют эффекты и преобразователи, основанные на использовании физическихявлений.возникающихпри воздействии магнитного поля на движущийся заряд. В настоящее время известно четыре таких эффекта - два поперечных и два продольных.

Поперечный эффект Холла состоит в возникновении поперечной разности потенциалов (э.д.с. Холла), пропорциональной магнитной индукции и току, протекающему по проводнику. Эффект Эттингсгаузена состоит в появлении поперечной разности температур. Эффект Нернста состоит в появлении продольной разности температур при прохождении тока через проводник в магнитном поле. И, наконец, существует эффект изменения продольного сопротивления проводника в магнитном поле.

Из четырех перечисленных эффектов в технике магнитных измерений нашли широкое применение только эффекты Холла и эффект магнитосопротивления.

Если по бесконечно длинной пластине, выполненной из проводящего материала и помещенной в магнитное поле, пропускать ток, то на электроны внутри пластины действует сила Лоренца F, пропорциональная заряду электрона и векторному произведению скорости электрона на магнитную индукцию В:

(7.21)

Под действием силы F₁ электроны отклоняются к одному краю пластины (см. рис. 7.18 ), создавая там избыток отрицательных зарядов. Это обстоятельство приводит к появлению поперечной разности потенциалов ε_x и, следовательно, поперечной составляющей напряженности электрического поля E_x. С появлением этой составляющей на электрон начинает действовать электрическая сила F₂ = I₀•E_x. В установившемся состоянии эти силы уравновешивают друг друга. Таким образом, приравняв силы и переходя к скалярной форме записи, получим выражение для напряженности электрического поля Холла, называемого «полем движения»:

Рис. 07.18. К сущности эффекта Холла

 

 

(7.22)

На практике удобнее пользоваться выражением для э.д.с. Холла, которое выражается через ток I и геометрические размеры пластины. Поскольку напряженность поля равна E_x = ε_x/а, где а - ширина пластины; d - толщина пластины; ток I = ne₀Va•d, и n - концентрация зарядов, то формулу (7.22) можно переписать как

(7.23)

где RR_x = 1/(e₀n) - коэффициент, зависящий только от природы вещества, из которого сделана пластина, и называемый коэффициентом или постоянной Холла.

На самом деле выражение (7.23) написано для проводника, а для преобразователей Холла часто используются полупроводники. Для них выражения для э.д.с. Холла получается сложнее, но сущность эффекта отэтого не изменяется.

Эффект магнитосопротивления, заключающийся в изменении продольного сопротивления проводника в магнитном поле, наиболее просто объясняется тем, что скорость движения всех электронов в проводнике не одинакова. На самом деле имеет место некоторое распределение электронов по скоростям, в результате чего равенство сил F₁ = F₂ выполняется только для части электронов, двигающихся со скоростью V_ср. Электроны со скоростями больше или меньше V_ср будут отклоняться от направления движения и пройдут, соответственно, меньший путь вдоль проводника, создавая эффект увеличения сопротивления проводника. В электродинамике проведены подробные рассмотрения эффекта магнитосопротивления для разных полей и различной формы проводников. Эти результаты можно найти в специальной литературе.

Гальваномагнитные преобразователи различных исполнений приведены на рис. 7.19. Буквой Т обозначены токовые электроды, буквой Х - холловские электроды. На рис. 7.19 (а, б, в) изображены датчики Холла, на рис. 7.19 (г, д) - преобразователи магнитосопротивления в виде диска Корбино и в виде «меандра».

Рис. 07.19. Гальванометрические преобразователи

 

 

В более поздних конструктивах вместо двухполюсных датчиков Холла использовались т.н. магнитотриоды. Сущность работы такого датчика состоит в том, что при определенном подборе параметров сопротивление база-коллектор изменяется при наличии магнитного поля.

На преобразователях (датчиках) Холла создан целый набор магнитометрических приборов: от рутинных приборов для регистрации изменений магнитного поля Земли до эталонных установок для измерения слабых магнитных полей. Подробное их описание можно найти в специальной литературе. Здесь приведем лишь перечень основных типов гальванометрических приборов:

· приборы для измерения модуля и составляющих вектора магнитной индукции - тесламетры;

· приборы для измерения параметров неоднородного магнитного поля - градиентометры;

· измерители магнитодвижущей силы для задач бесконтактного измерения электрических тонов;

· компараторы магнитной индукции;

· тесламетры переменного синусоидального поля.

Гальванометрические преобразователи (датчики) являются наиболее массовыми в измерительной технике для определения параметров магнитных полей. Этому способствуют многие ценные качества таких датчиков: миниатюрность, экспрессность измерений, отсутствие гистерезиса, большой срок службы, высокая чувствительность.