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光泵磁力仪PPT

作者:365体育官网更新时间:2019-10-22 14:28点击次数:字号:T|T

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  第二章 磁敏传感器 光泵作用结果使原于磁矩取向于2s态某一磁子能级上。然后由RF娠荡器提供给的射频能量,打乱亚稳态中某一磁子能级上原子磁矩的取问,产生磁共振作用。当测出磁共振时射频场的频率f0,即可求出被测外磁场T的大小。 由前所述,磁共振频率f0是由光敏元件通过光线的弱或强的变化来检测,即由射频振荡器指示出的吸收室最暗时刻相对应的频率,就是所要测量的共振频率f0。 * 第一节? 质子旋进式磁敏传感器 第二节? 光泵式磁敏传感器 第三节 SQUID磁敏传感器 第四节 磁通门式磁敏传感器 第五节 感应式磁敏传感器 第六节 半导体磁敏传感器 第七节 机械式磁敏传感器 磁敏传感器是对磁场参量(B,H,φ)敏感的元器件或装置 ,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。 质子旋进式磁敏传感器 光泵式磁敏传感器 SQUID(超导量子干涉器)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 磁敏传感器的种类 质子旋进式磁敏传感器是利用质子在外磁场中的旋进现象,根据磁共振原理研制成功的。 物理学已证明物质是具有磁性的。对水分子(H2O)而言,从其分子结构、原子排列和化学价的性质分析得知:水分子磁矩(即氢质子磁矩)在外磁场作用下绕外磁场旋进。 一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理 质子磁矩旋进 T ? α M ? 质子的旋进频率 γp 为质子旋磁比;T为外磁场强度 f=γp T /2π 第一节?? 质子旋进式磁敏传感器 从经典力学和量子力学观点,此公式的来源均能得以论证。 为方便起见,在此采用经典力学的观点,分析直角坐标系中质子磁矩的旋进情况。 设质子磁矩M在外磁场T作用下有一力矩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: 动量矩变化率 磁矩三个分量 设Tz=T(外磁场);Tx=0;Ty =0 对上式中的第一式微分 显然,为简谐运动方程,其解为 同理 α z x y Mz M┴ My Mx 磁矩 M 旋进规律变化示意图 从上式可看出,Mz是常数,磁矩M在z轴上的投影是不变的;磁矩M在x轴上的投影是按余弦规律变化的;磁矩M在y轴上的投影是按正弦规律变化的。由图看出: 磁矩M在xy平面上的投影的绝对值是一个常数,并且在xy平面上旋进。 常数 综合起来看,质子磁矩M在外磁场T的作用下,绕外磁场T旋进,它的轨迹描绘出一个圆锥体,旋进的角频率为ω,称为拉莫尔频率(Larmor frequency)。 根据简谐运动方程,可得到: 即: 将此值代入上式 γp=(2.67513±0.00002)S-1T-1 可见,频率f与磁场T成正比,只要能测出频率f,即可间接求出外磁场T的大小,从而达到测量外磁场的目的。 需要指出的是:这里没有考虑驰豫时间,是在假设α角不变、信号不衰减的前提下分析测磁原理的。但是,在实际工作中是有驰豫时间的,信号也是衰减的。 当被测磁场很弱时,信号幅度大大衰减。对微弱的被测磁场,用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号的。为了测得质子磁矩M绕外磁场的旋进频率 f 信号,必须采取特殊方法: 二、磁场的测量与旋进信号 在核磁共振中,共振信号的幅度与被测磁场T3/2成正比。 使沿外磁场方向排列的质子磁矩,在极化场的激励下,建立质子宏观磁矩,并使其方向于外磁场方向垂直或接近垂直 通常采用预极化方法或辅助磁场方法来建立质子宏观磁矩,以增强信号幅度。 具体作法是:用圆柱形玻璃容器装满水样品或含氢质子液体,作为灵敏元件,在容器周围绕上极化线圈和测量线圈或共用一个线圈,使线圈轴向垂直于外磁场T方向。 在垂直于外磁场方向加一极化场H(该场强约为外磁场的200倍)。在极化场作用下,容器内水中质子磁矩沿极化场方向排列,形成宏观磁矩,如下图所示。 预极化法示意图 H * M M M H T θ 当质子磁矩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,于是在线圈中就产生感应电动势。 当去掉极化场H,质子磁矩则以拉莫尔旋进频率绕外磁场旋进。 M 若测出感应电压的频率,就可计算出外磁场的大小。因为极化场H大于外磁场,故此法可使信噪比增大H/T倍。设外磁场T的磁感强度为0.5×10-4T,极化场H的磁感强度为100×10-4 T,则可使信噪比增大200倍。 υ ω=γ T t2 t 在自由旋进的过程中,磁矩M的横向分量以t2(横向弛豫时间)为时间常数并随时间逐渐趋近于零;在测量线圈中所接收的感应信号,也是以t2为时间常数按指数规律衰减的。 M衰减示意图 感应信号衰减示意图 x y 核心:500cc左右有机玻璃容器,在容器外面绕以数百匝的导线,使线圈轴向与外磁场方向大致垂直,线T的极化场,使水中质子磁矩指向极化场H的方向。 质子旋进式磁敏传感器 蒸馏水 →T 计数器 放大器 线圈 质子旋进式磁敏传感器的组成 E 若迅速撤去极化磁场,则M的数值与方向均来不及变化,弛豫过程来不及影响M的行为,此时,质子磁矩在自旋和外磁场T的作用下以角速度ω绕外磁场T旋进。在旋进的过程中,周期性切割测量线圈,产生感应信号。由于弛豫过程的作用,其信号幅度Vt的大小随时间按指数规律衰减,其表示式为: 在实际工作时,线圈轴向与外磁场的夹角θ不正好保持900,由实测得知:总磁矩量值与sin2θ成正比例,所以,自由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规律衰减的特点,其感应信号完整表达式应为 M0—磁化强度 如果接收线圈有W匝,所包围的面积为S,充填因子为α,则 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率,故在实际测量中,探头无需严格定向。θ=900时,信号最大。 质子旋进信号强度 t2—横向驰豫时间; V0—信号初始幅度。 由实验得知,对于几百cm3的样品,线圈为数百匝的传感器,在较好的情况下,质子感应信号仅为0.5 mV左右。 感应信号的衰减还和外磁场梯度的大小有关。 理论分析和实验表明:测量线圈中产生的感应信号频率即为质子磁矩的旋进频率,这和公式 是一致的。 用质子旋进式磁敏传感器测量外磁场的主要优点是: ◆精度高,一般在(0.1~10)nT范围内; ◆稳定性好(因γp是一常数,其值只与质子本身有关,它的值与外界温度、压力、湿度等因素均无关); ◆工作速度快,可直读外磁场nT 值; ◆绝对值测量 其缺点是: 极化功率大,只能进行快速点测;受磁场梯度影响较大 1. 样品选择 如果设计的传感器系用于磁测作业,因水的纵向弛豫时间t1和横向弛豫时间t2较长,故适合地面操作。 选择样品一定要选择水或含有质子的液体,如酒精、煤油、甘油等。几种溶液的驰豫时间t1、t2数值见表。 溶液 时间/s t1 t2 水 2.3 3 煤油 0.7 1 如果有自动化程度高的测频装置,则可选用t1、t2时间短的样品;如果在空中磁测,由于飞机航速快,选择煤油作样品则是合适的;如果在低温地区工作,除考虑t1、t2外,还应考虑选择冰点低(如甘油)的样品。 三、质子旋进式磁敏传感器的设计 考虑到无磁性,价格便宜,加工方便,选择有机玻璃材料制作容器是合适的。 2. 容器的选择 3. 激发与接收 据前述:极化场方向应垂直于被测磁场,极化场的大小应大于被测磁场200倍,被测磁场按0.5×10-4T计算,根据实践经验,应选大于100×10-4T的极化场进行激发较妥。为得到大的感应信号,接收线圈的轴向应垂直于被测磁场。必须采用预极化方式才能接收到旋进的感应信号。 由实验和理论计算结果认为;容器的直径和长之比应为l :1.2(1.3) 的圆柱形为宜。 接收线圈的种类:地面传感器用单线圈,空中磁测用双线圈,地震台站用环形线圈, 海洋磁测用三轴式线型质子磁力仪 IGS-2/MP-4质子磁力仪 四、质子旋进式磁敏传感器的应用 CZM-2型质子磁力仪 磁化 系统 选频 放大器 压控 倍频器 电子门 计数器 数字 译码显示 数字 打印输出 晶振分频及程序控制 稳压器 DC +13V-+18V 传感器 打印指令 + 10V 自校 测量 IGS-2型质子磁力仪的系统扩展及外设配置 打印机 曲线记录仪 磁带记录仪 微型计算机 调制解调器 IG2-2 控制台 磁力仪 MP-4 电磁仪 EM 甚低频仪 VLF 计算机 光泵式磁敏传感器是高灵敏度光泵磁力仪的核心部件。它是以某些元素的原子在外磁场中产生的塞曼分裂为基础,并采用光泵和磁共振技术研制成的。 第二节??? 光泵式磁敏传感器 磁力仪种类:按共振元素的不同,分为氦(He)光泵磁力仪,其中又分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。 灵敏度高,一般为0.01nT量级,理论灵敏度高达10-2~10-4nT响应频率高,可在快速变化中进行测量 可测量磁场的总向量T及其分量,并能进行连续测量 利用光泵传感器做成的测磁仪器,是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它同质子旋进式磁力仪相比有以下特点: (一)塞曼效应 塞曼效应是指在外磁场中原子能级产生分裂的现象。 一、氦(He4)光泵式磁敏传感器的物理基础 x S S N v2 v0 v1 O v2 v0 v1 z y 塞曼效应:正常和反常塞曼效应 正常塞曼效应:在弱磁场中,电子自旋量子数为零时(S=0)产生的塞曼效应。 反常塞曼效应:在弱磁场中,电子自旋量子数不为零(S≠0)时产生的塞曼效应 光泵式磁敏传感器,不管是碱金属Cs、Rb还是He4、He3光泵传感器,电子自旋量子数均不为零(S≠0),并且均是在弱磁场中工作,故属反常塞曼效应。 π成分 σ成分 当原子在弱磁场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一起绕磁场H旋进。如图所示。由图看出,磁场将使原子获得的附加能量为: H Ps Pl 0 H Pj Pl Ps 0 弱磁场中Pj 、Pl 、Ps的旋进 (j·H)——磁场H和壳层磁矩μj之间的夹角。 (二)反常的塞曼效应的能级分裂 E1+ΔE1 E1 E2+ΔE2 E1 E2 v v0 原子能级跃迁示意图 g—E能级的郎得因子; f0—拉莫尔旋进频率; —波尔磁子; h—普朗克常数; m—电子质量; c—光速。 假设原子跃迁能级为E1、E2。在外磁场作用下,这两个能级各自有附加能量ΔE1,ΔE2。原子就在附加能量的能级上产生跃迁。(如上图所示)。 对外层电子只有一个在起作用,只考虑单电子的内量子数,则可导出 磁场将使原子获得的附加能量 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。在一般情况下,两个电子都处在1s轨道,充满n=l轨道,l=0,表现不出轨道磁矩;根据泡利不相容原理,两个电子的自旋也必然相反,也显示不出电子的自旋磁矩;因而氦原子在外磁场中不会产生塞曼分裂,也就无法利用He4进行光泵磁测了。 为使没有磁矩的He4产生磁矩,来测量磁场。将一电子激发到较高能级的轨道上,另一电于仍处在1s态(基态)。处在激发态的高能级上的电子, 其自旋状态有两种取向:一种是和处在基态(1s)的电子的自旋方向相同,所表现的总自旋量子数S=1/2+1/2=1;另一种是相反,S=1/2-1/2=0。 (三)氦(He4)原子能级的塞曼分裂 当S=0时,由于l1=l2=0,所以J=0,即在磁场作用下,能级不发生分裂,表现为单重能级,称这种情况为仲氦。 当S=l时,由于l1=l2=0,所以J=1,在外磁场作用下,能级分裂为2J+1=3个能级,能级表现为三重态,这种情况称正氦。 通过对塞曼效应的分析,可得到以下几点结论 2、磁共振的频率大小取决于相邻能级间的能量差 (ΔE),ΔE=hv。 1、塞曼分裂后,相邻能级之间的能量差极小,要观察这样小的分裂情况,只有通过能级间受激跃迁的方法,也就是用磁共振的方法进行检测。这里所指的受激跃迁,受激能量来自光,也就是通常所说的光泵(光抽运)方式。 3、由于塞曼分裂后,磁子能级间能量很小,信号只有微伏量级,要观察这样小的信号,必须外加一射频场并用电子接收技术来完成。 4、在磁共振过程中,其它量子数不发生变化,而只有磁量子数在选择定则的范围内变化,光泵式磁敏传感器就是在这种情况下工作的。 He4原子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,在外磁场中不产生塞曼能级分裂。 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是在外磁场作用下,故在外磁场方向上的投影为 二、氦(He4)光泵式磁敏传感器的测磁原理 外磁场(弱磁场)作用在磁矩上的附加能量 γs——电子的总磁矩比 在亚稳态(23s1)中,J=1,mj=0,±1。对J=1的亚稳态在外磁场中分裂为三个能级,两相邻磁子能级间的能量差为: 跃迁过程中辐射的光子能量恰好等于两相邻能级间的能量差,即: 由上式可看出:频率f与外磁场T成正比关系,只要测出频率f即可求得外磁场T的大小。 f——辐射频率;h——普郎克常数。 He4光泵式磁敏传感器测磁原理公式 j=1 -1 1 -1 1 j=1 D1 23S1 22P1 D1线亚稳态原子的光泵作用示意图 0 0 mj 利用光使原子磁矩达到定向排列的过程,也称光学取向。 (一)光泵作用 实质 过程:在垂直于外磁场方向(即垂直于光轴)加一交变的磁场——射频场,使射频场的频率f0等于相邻磁子能级间的跃迁频率。根据受激跃迁原则,射频场将使富集在mj=+1磁子能级上的原子,产生受激跃迁。首先向mj=0磁子能级上跃迁,再逐渐向mj=-1的磁子能级跃迁,使原子的分布规律服从玻尔兹曼分布规律。于是原子磁矩的定向排列被打乱,完成了磁共振的整个过程。 (二)磁共振作用 用射频场打乱原子磁矩定向排列的过程。 在原子磁矩取向前,吸收室中大量亚稳态正氦原子吸收由氦灯射来的D线,原子通过光泵作用将原子磁矩定向排列到某一能级上去,这时透过吸收室的光线相对较少,称作光弱(暗);当原子磁矩取向时刻,吸收室内的原子磁矩已排列好,不再吸收D线,而透过吸收室的光相对变强,称作光强(亮)。当发生磁共振时,即原子磁矩取向被打乱,吸收D线产生光泵作用而重新取向,此时为暗。若能测量出通过吸收室样品光线最暗时的射频场频率,即求得磁共振(吸收)频率。 从吸收室光的强或弱(即从光学检测)的角度出发,分析光泵作用和磁共振作用的全过程。 2 3 4 5 8 9 10 6 1 放大 图2.2-6 He4光泵式磁敏传感器的组成框图 1—高频激发振荡器; 2—氦灯; 3—透镜1; 4—偏振偏; 5— /4 ; 6—吸收室; 7—RF振荡器; 8—射频线光泵式磁敏传感器系由吸收室、氦灯、两个透镜、偏振片、λ/4、光敏元件等元器件组成。 三、光泵式磁敏传感器的组成及工作原理 首先将测磁传感器置于被测外磁场中,并使传感器的轴向与外磁场方向平行,其后将高频激发振荡器打开,激发氦灯使发出D线吸收室使其处于亚稳状态。 这时灯发出的D线经过透镜将D线变成平行光,再经偏振片和λ/4变成圆周极化光,直射至吸收室中的亚稳态正氦上,正氦在外磁场作用下产生塞曼分裂,塞曼能级2s态原子吸收D线P态而产生光泵作用。 He4光泵式磁敏传感器的工作原理 *

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