变态塞曼效应:正在弱 中

时间:2019-11-22  点击次数:   

  磁敏传感器的品种 ?质子旋进式磁敏传感器 ?光泵式磁敏传感器 ?SQUID(超导量子器)磁敏传感器 ?磁通门式磁敏传感器 ?感应式磁敏传感器 ?半导体磁敏传感器 霍尔器件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻 ?机械式磁敏传感器 ?光纤式磁敏传感器 第一节 质子旋进式磁敏传感器 质子旋进式磁敏传感器是操纵质子正在外 中的旋进现象,按照磁共振道理研制成功的。 一、质子旋进式磁敏传感器的测磁道理 物理学已证明物质是具有磁性 的。对水( H 2 O )而言,从 其布局、原子陈列和化学价 的性质阐发得知:水磁矩 (即氢质子磁矩)正在外感化 下绕外旋进。 质子的旋进频次 f=γp T /2π T M α γp 为质子旋磁比;T为外强度 质子磁矩旋进 从典范力学和量子力学概念,此公式的来历均能得以论证。 为便利起见,正在此采用典范力学的概念,阐发曲角 坐标系中质子磁矩的旋进环境。 设质子磁矩 M正在外 T 感化下有一力矩 M× T ,于是, 它和陀螺一样,其动量矩的变化率等于外加力矩,即: ? ? ? dP ? M ? T 动量矩 dt 变化率 ? ? ? ? dM dP ??P ? ? P M ?T ? dt dt ? ? M ? ? pP ? i Mx Tx ? j My Ty ? ? ? k Mz ? P Tz 设Tz=T(外);Tx=0;Ty =0 磁 矩 三 个 分 量 dM x ? ? ? P M yTz ? M zTy ? dt ? dM y ? ? ? P ?M zTx ? M xTz ?? dt ? dM z ? ? ? P M xTy ? M yTx ? dt ? ? ? ? ? dMx ? ? ? P M yT ? dt ? dM y ? ? ?? P M xT ? dt ? dMz ? ?0 ? dt ? 2 dM y d Mx 2 2 对上式中的第一式微分 ? ? T ? ? ? P PT M x 2 dt dt 2 d Mx 2 2 ? ? P T M x ? 0 明显,为简谐活动方程,其解为 2 dt M x ? A cos(? PTt ? ? ) ? ? 同理 M y ? ? A sin(? PTt ? ? )? ? M z ? ? 2 2 M? ? Mx ?My ? A ? 从上式可看出,Mz是 ,玩彩网,磁矩M正在z轴上 的投影是不变的;磁 矩M正在x轴上的投影 是按余弦纪律变化的; 磁矩M正在y轴上的投 影是按正弦纪律变化 的。由图看出: z Mz α Mx x y My M┴ 磁矩 M 旋进纪律变化示企图 磁矩M正在xy平面上的投影的绝对值是一个常 数,而且正在xy平面上旋进。 分析起来看,质子磁矩M正在外T的感化下,绕 外T旋进,它的轨迹描画出一个圆锥体,旋进的 角频次为ω,称为拉莫尔频次(Larmor frequency)。 按照简谐活动方程,可获得: ? ? 2?f ? ?? T 即: ?P f ? T 2? P γp=(2.67513±0.00002)S-1T-1 将此值代入上式 T ? 23.4874f f ? 4257 .8T nT ? ? Hz ? 可见,频次f取T成反比,只需能测出频次f,即可 间接求出外T的大小,从而达到丈量外的目标。 需要指出的是:这里没有考虑驰豫时间,是正在假设α角不 变、信号不衰减的前提下阐发测磁道理的。可是,正在 现实工做中是有驰豫时间的,信号也是衰减的。 二、的丈量取旋进信号 正在核磁共振中,共振信号的幅度取被测T3/2成反比。 当被测很弱时,信号幅度大大衰减。对微弱的被测 ,用一般的核磁共振检测方式是领受不到旋进信号 的。为了测得质子磁矩M绕外的旋进频次 f 信号, 必需采纳特殊方式: 使沿外标的目的陈列的质子磁矩,正在极化场的激励下,成立 质子宏不雅磁矩,并使其标的目的于外标的目的垂曲或接近垂曲 凡是采用预极化方式或辅帮方式来成立质子宏不雅 磁矩,以加强信号幅度。 具体做法是:用圆柱形玻璃容器拆满水样品或含氢质子液 体,做为活络元件,正在容器四周绕上极化线圈和丈量线 圈或共用一个线圈,使线圈轴向垂曲于外T标的目的。 正在垂曲于外标的目的加一极化场H(该场强约为外 的200倍)。正在极化场感化下,容器内水中质子磁矩沿 极化场标的目的陈列,构成宏不雅磁矩,如下图所示。 当去掉极化场H,质子 磁矩则以拉莫尔旋进频 率绕外旋进。 当质子磁矩正在旋进过程 中切割线圈,使线圈环 绕面积中的磁通量发生 变化,于是正在线圈中就 发生感应电动势。 T * H M θ M M H 预极化法示企图 若测出感应电压的频次,就可计较出外的大小。 由于极化场H大于外,故此法可使信噪比增大H/T 倍。设外 T 的磁感强度为 0.5 × 10 -4 T ,极化场 H 的 磁感强度为100×10-4 T,则可使信噪比增大200倍。 正在旋进的过程中,磁矩M的横向分量以t2(横向弛 豫时间)为时间并随时间逐步趋近于零;正在丈量 线圈中所领受的感应信号,也是以t2为时间按指数 纪律衰减的。 y M衰减示企图 υ 感应信号衰减示企图 t2 t ω=γ T M x 质子旋进式磁敏传感器的构成 焦点:500cc摆布无机玻璃容器,正在容器外面绕以数百匝 的导线,使线圈轴向取外标的目的大致垂曲,线T的极化场,使水中质子磁矩 指向极化场H的标的目的。 若敏捷撤去极化,则M的数值取标的目的均来不及变化,弛豫过程 来不及影响M的行为,此时,质子磁矩正在自旋和外T的感化下以 角速度ω绕外T旋进。正在旋进的过程中,周期性切割丈量线 圈,发生感应信号。因为弛豫过程的感化,其信号幅度Vt的大小 随时间按指数纪律衰减,其暗示式为: →T 蒸馏水 放大器 计数器 E 线圈 质子旋进式磁敏传感器 Vt ? V0 e 质子旋进 信号强度 ?t / t 2 t2—横向驰豫时间; V0—信号初始幅度。 若是领受线圈有W匝,所包抄的面积为S,充填因子为α,则 V0 ? 10 4??W?SM0 sin ?t ?8 M0—磁化强度 正在现实工做时,线圈轴向取外的夹角θ不正好连结900, 由实测得知:总磁矩量值取sin2θ成反比例,所以,旋进 感应信号的电压幅值和sin2θ成比例。又考虑到旋进信号 按指数纪律衰减的特点,其感应信号完整表达式应为 Vt ? 10 4??W?SM0 sin ? sin ?te ?8 2 ?t / t 2 θ角的大小只影响质子旋进信号的振幅大小,而并不影响 质子旋进频次,故正在现实丈量中,探头无需严酷定向。 θ=900时,信号最大。 由尝试得知 ,对于几百 cm3 的样品,线圈为数百匝的传感 器,正在较好的环境下,质子感应信号仅为0.5 mV摆布。 感应信号的衰减还和外梯度的大小相关。 理论阐发和尝试表白:丈量线圈中发生的感应信号频次 即为质子磁矩的旋进频次,这和公式 f ? ? T 是分歧的。 2? P 用质子旋进式磁敏传感器丈量外的次要长处是: ◆精度高,一般正在(0.1~10)nT范畴内; ◆不变性好(因γp是一,其值只取质子本身相关, 它的值取温度、压力、湿度等要素均无关); ◆工做速度快,可曲读外nT 值; ◆绝对值丈量 其错误谬误是: 极化功率大,只能进行快速点测;受梯度影响较大 三、质子旋进式磁敏传感器的设想 1. 样品选择 选择样品必然要选择水或含有 质子的液体,如酒精、火油、 甘油等。几种溶液的驰豫时间 t1、t2数值见表。 溶液 水 火油 时间/s t1 2.3 0.7 t2 3 1 若是设想的传感器系用于磁测功课,因水的纵向弛豫时 间t1和横向弛豫时间t2较长,故适合地面操做。 若是有从动化程度高的测频安拆,则可选用t 1 、t2 时间 短的样品;若是正在空中磁测,因为飞机航速快,选择 火油做样品则是合适的;若是正在低温地域工做,除考 虑t1、t2外,还招考虑选择冰点低(如甘油)的样品。 2. 容器的选择 考虑到无磁性,价钱廉价,加工便利,选择无机玻璃材 料制做容器是合适的。 由尝试和理论计较成果认为;容器的曲径和长之比应 为l :1.2(1.3) 的圆柱形为宜。 3. 激发取领受 据前述:极化场标的目的应垂曲于被测,极化场的大 小应大于被测200倍,被测按0.5×10-4T计较, 按照实践经验,应选大于100×10-4T的极化场进行激 发较妥。为获得大的感应信号,领受线圈的轴向应垂 曲于被测。必需采用预极化体例才能领受到旋进 的感应信号。 领受线圈的品种:地面传感器用单线圈,空中磁测用双线 圈,地动台坐用环形线圈, 海洋磁测用三轴式线圈。 四、质子旋进式磁敏传感器的使用 ?CZM-2型质子磁力仪 ?IGS-2/MP-4质子磁力仪 数字 译码显示 磁化 系统 传感器 DC +13V-+18V 稳压器 + 10V 选频 放大器 自校 晶振分频及法式节制 打印指令 CZM-2型质子磁力仪 数字 打印输出 压控 倍频器 丈量 电 子 门 计数器 磁力仪 MP-4 电磁仪 EM 甚低频仪 VLF IG2-2 节制台 打印机 曲线记实仪 磁带记实仪 微型计较机 调制解调器 计较机 IGS-2型质子磁力仪的系统扩展及外设设置装备摆设 使用范畴 1) 矿产勘测,按照矿石中有用矿物质具有磁性或有磁性矿物取之共生的特 点,进行间接找矿,或按照矿体正在成因 或空间上取某些磁性地质体构制 相关的特点,进行间接找矿。这些矿包罗铁矿、铅锌矿、铜矿等 。 2) 共同矿区勘察,研究矿体的埋深、产状和持续性,研究矿体的外形、大 小,估量矿床规模 ? 石油、天然气勘测,研究取油气相关的地质构制及 大地构制等问题 3) 地动监测,火山不雅测以及其它及灾祸地质工做 4) 共同根本地质查询拜访,进行地质填图 5) 对铁桶、铁罐等铁成品埋藏物定位 6) 探测取磁性相关的地质构制 7) 铁制军械侦测 8) 断层定位 9) 工程勘测 10) 管线) 考古 第二节 光泵式磁敏传感器 光泵式磁敏传感器是高活络度光泵磁力仪的焦点部件。 它是以某些元素的原子正在外中发生的塞曼为基 础,并采用光泵和磁共振手艺研制成的。 操纵光泵传感器做成的测磁仪器,是目前现实出产和科 学手艺使用中活络度较高的一种磁测仪器。它同质子旋 进式磁力仪比拟有以下特点: 活络度高,一般为0.01nT量级,理论活络度高达10-2~10-4nT 响应频次高,可正在快速变化中进行丈量 可丈量的总向量T及其分量,并能进行持续丈量 磁力仪品种:按共振元素的分歧,分为氦(He)光泵磁力仪, 此中又分He3、He4光泵磁力仪;碱金属光泵磁力仪,其共振 元素有铷(Rb85、Rb87)、铯(Cs133)、钾(K39)、汞(Hg)等。 一、氦(He4)光泵式磁敏传感器的物理根本 (一)塞曼效应 塞曼效应是指正在外华夏子能级发生的现象。 z 塞曼效应:一般和反常塞曼效应 一般塞曼效应:正在弱 中,电子自旋量子数为零时 (S=0)发生的塞曼效应。 反常塞曼效应:正在弱 中,电子自旋量子数不为零 (S≠0)时发生的塞曼效应 N O S v1 v0 S σ成分 π成分 x v2 v2 v0 y v1 光泵式磁敏传感器,不管是碱金属Cs、Rb仍是He4、He3光泵传感 器,电子自旋量子数均不为零(S≠0),而且均是正在弱中工 做,故属反常塞曼效应。 (二)反常的塞曼效应的能级 当原子正在弱 H 中时,总的轨道动量矩 Pl和 总的自旋动量矩Ps之间的“耦合”,没有被拆开, 这时,原子的壳层动量矩 Pj将带着Pl和 Ps一路绕 H旋进。如图所示。由图看出,将使原 子获得的附加能量为: H H ?EH ? ?? j H cos( j ? H ) (j· H)——H和壳层磁矩μ 之间的夹角。 Pj j Pl Pl Ps 0 Ps 0 弱中Pj 、Pl 、Ps的旋进 对外层电子只要一个正在起感化,只考虑单电子的内量 子数,则可导出 将使原子获 ?EH ? ?g j m j ?0 H ? ? g j m j f 0h 得的附加能量 E1+Δ E1 g—E能级的郎得因子; f0—拉莫尔旋进频次; E1 v0 v E1 eh ?0 ? —波尔磁子; 4?mc h—普朗克; m—电子质量; c—光速。 E2 E2+Δ E2 原子能级跃迁示企图 假设原子跃迁能级为E1、E2。正在外感化下, 这两个能级各自有附加能量Δ E1,Δ E2。原子就正在附 加能量的能级上发生跃迁。(如上图所示)。 (三)氦(He4)原子能级的塞曼 氦原子有两个电子,两个质子和两个中子,核自旋 互相抵消,核磁矩为零。正在一般环境下,两个电子都处 正在1s轨道,充满n=l轨道,l=0,表示不出轨道磁矩;根 据泡利不相容道理,两个电子的自旋也必然相反,也显 示不出电子的自旋磁矩;因此氦原子正在外中不会产 生塞曼,也就无法操纵He4进行光泵磁测了。 为使没有磁矩的 He4 发生磁矩,来丈量。将一 电子激发到较高能级的轨道上 ,另一电于仍处正在 1s态( 基 态)。处正在激发态的高能级上的电子, 其自旋形态有两种 取向:一种是和处正在基态(1s)的电子的自旋标的目的不异,所 表示的总自旋量子数 S=1/2+1/2=1 ;另一种是相反, S=1/2-1/2=0。 当 S =0 时 , 因为 l 1 =l 2 =0,所以 J =0,即正在感化下 ,能级不 发生,表示为单沉能级,称这种环境为仲氦。 当S=l时,因为l1=l2=0,所以J=1,正在外感化下,能级 为2J+1=3个能级,能级表示为三沉态,这种环境称正氦。 通过对塞曼效应的阐发,可获得以下几点结论 1、塞曼后,相邻能级之间的能量差极小,要察看 如许小的环境,只要通过能级间受激跃迁的方式, 也就是用磁共振的方式进行检测。这里所指的受激跃 迁,受激能量来自光,也就是凡是所说的光泵(光抽 运)体例。 2 、磁共 振的频 率大小 取决于 相邻能 级间的 能 量 差 (ΔE),ΔE=hv。 3 、因为塞曼后,磁子能级间能量很小,信号只 有微伏量级,要察看如许小的信号,必需外加一射频 场并用电子领受手艺来完成。 4、正在磁共振过程中,其它量子数不发生变化,而只要 磁量子数正在选择定章的范畴内变化,光泵式磁敏传感 器就是正在这种环境下工做的。 二、氦(He4)光泵式磁敏传感器的测磁道理 He4原子正在稳态下既不具有核磁矩,也不具有壳层磁矩,整 个原子不显示磁性,正在外中不发生塞曼能级。 当把He4原子中一电子激发到亚稳态时,对正氦s=l的情 况,则具有电子自旋磁矩。这时是单个电子的自旋磁矩 , 即原子的总磁矩等于电子的总自旋磁矩,即:μJ =μS。由 于电子自旋磁矩μJ是正在外感化下,故正在外标的目的上 的投影为 h 外(弱)感化 ? ST ? ?ms ? S 2? 正在磁矩上的附加能量 ?ET ? ?? J T cos(J ? T ) ? ?? ST cos(J ? T ) ? ?? ST T h ?ET ? ? S mS T 2? γs——电子的总磁矩比 正在亚稳态(23s1)中,J=1,mj=0,±1。对J=1的亚稳 态正在外中为三个能级,两相邻磁子能级间的 能量差为: h ?E T ? ? S 2? T 跃迁过程中辐射的光子能量刚好等于两相邻能级间的 能量差,即: ?ET ? hf f——辐射频次;h——普郎克。 h hf ? ? S T 2? T f ??S 2? He4光泵式磁敏传 感器测磁道理公式 由上式可看出:频次f取外T成反比关系,只需测 出频次f即可求得外T的大小。 (一)光泵感化 mj 22P1 j=1 D1 1 0 -1 1 0 -1 23S1 j=1 D1线亚稳态原子的光泵感化示企图 本色 操纵光使原子磁矩达到定向陈列的过程,也称光学取向。 (二)磁共振感化 用射频场打乱原子磁矩定向陈列的过程。 过程:正在垂曲于外标的目的(即垂曲于光轴)加 一交变的——射频场,使射频场的频次f0 等于相邻磁子能级间的跃迁频次。按照受激 跃迁准绳,射频场将使富集正在mj=+1磁子能级 上的原子,发生受激跃迁。起首向 m j =0 磁子 能级上跃迁,再逐步向mj=-1的磁子能级跃迁, 使原子的分布纪律从命玻尔兹曼分布纪律。 于是原子磁矩的定向陈列被打乱,完成了磁 共振的整个过程。 从接收室光的强或弱(即从光学检测)的角度出 发,阐发光泵感化和磁共振感化的全过程。 正在原子磁矩取向前,接收室中大量亚稳态正氦原 子接收由氦灯射来的 D线,原子通过光泵感化将 原子磁矩定向陈列到某一能级上去,这时透过吸 收室的光线相对较少,称做光弱 ( 暗);当原子磁 矩取向时辰,接收室内的原子磁矩已陈列好,不 再接收D线,而透过接收室的光相对变强,称做 光强 ( 亮)。当发生磁共振时,即原子磁矩取向被 打乱,接收D线发生光泵感化而从头取向,此时 为暗。若能丈量出通过接收室样品光线最暗时的 射频场频次,即求得磁共振(接收)频次。 三、光泵式磁敏传感器的构成及工做道理 He 4 光泵式磁敏传感器系由接收室、氦灯、两个透镜、 偏振片、λ/4、光敏元件等元器件构成。 6 1 2 3 4 5 7 图2.2-6 He4光泵式磁敏传感器的构成框图 1—高频激发振荡器; 2—氦灯; 3—透镜1; 4—偏振片; 5— ? /4 ; 6—接收室; 7—RF振荡器; 8—射频线光泵式磁敏传感器的工做道理 起首将测磁传感器置于被测外中, 并使传感器的轴向取外标的目的平行,其后 将高频激发振荡器打开,激发氦灯使发出D线接收室使其处于亚稳形态。 这时灯发出的 D 线颠末透镜将 D 线变成平 行光,再经偏振片和 λ/ 4 变成圆周极化光,曲 射至接收室中的亚稳态正氦上,正氦正在外磁 场感化下发生塞曼,塞曼能级2s态原子吸 收D线P态而发生光泵感化。 光泵感化成果使原于磁矩取向于 2s 态 某一磁子能级上。然后由RF振荡器供给给 的射频能量,打乱亚稳态中某一磁子能级 上原子磁矩的取问,发生磁共振感化。当 测出磁共振时射频场的频次f0,即可求出被 测外T的大小。 由前所述,磁共振频次f0是由光敏元件 通过光线的弱或强的变化来检测,即由射 频振荡器出的接收室最暗时辰相对应 的频次,就是所要丈量的共振频次f0。 四、磁共振检测方式 大调频法、大调场法、小调频法 大调频法:是一种粗略地察看取丈量共振信号的方式, 信号源供给振荡频次接近于共振频次的电磁波,同时被 一个锯齿波所调制。输给样品的电磁波振荡频次环绕着 核心频次有一变化范畴。 要求:调频幅度必需大于谱线宽度,使信号源频次变 化范畴笼盖样品共振区,故称大调频法。 调制信号频次为几Hz——几十Hz。 大调场法:正在察看塞曼能级之间的共振接收时(磁 共振),也可用固定频次的信号源,通过改变恒的 方式进行,即大调场法。 道理:当改变恒时,塞曼能级的间距发生变化,当 变化到使两塞曼能级间的能量差满脚ΔE=hf 时发生 共振,样品接收电磁波功率。 小调频法:用两个调频信号,一个是调频幅度小于谱线 线宽,称为小调频,由正弦波发生器供给。其调制频次 一般为几十Hz到几百Hz 。另一个调频幅度大于谱线线 宽,称为慢扫频,它由慢扫频发生器供给。扫几次率取 小调频的调制频次相等。慢扫频使信号源的振荡频次缓 慢通过共振区。 五、氦(He4) 光泵式磁敏 传感器的使用 是一种按照小调频法 检测磁共振的磁力仪 He4传感器 选频放大器 相敏检波器 积分器 高频振荡器 压控振荡器 低频振荡器 移相器 倍频器 数模转换器 计数器 打印机 记实器 He4式光泵磁力仪方框图