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量子磁力仪的定义与分类

时间:2022-01-26 百科知识 版权反馈
【摘要】:以上三种磁力仪可通称为核子自旋共振磁力仪或核子旋进磁力仪。目前,一些科学家将某种标量磁力仪设计成既可进行矢量测量又可进行标量测量的磁力仪。
量子磁力仪的定义与分类_重磁与时间域电磁

4.1 量子磁力仪的定义与分类

4.1.1 定义

现在,在人造地球卫星、空间探测飞船上,在地面、在海上、在空中,在地磁台站上、在钻井中,在实验室和医院中广泛使用各种磁力仪,测量地球和其他星球的磁场以及人体(和动物)的磁场,即磁感应强度或磁通密度。在这些方面,正在使用的有核子旋进磁力仪(质子磁力仪、欧弗豪泽效应磁力仪(Overhauzer Effect Magnetometer,OVM)、3 He核子旋进磁力仪)、光泵磁力仪(4 He、气态碱金属铯、铷、钾)、超导磁力仪(SQUID)和磁通门磁力仪(FGM);正在研究、开发中的有固体电子自旋共振(Electron Spin Resonance,ESR)磁力仪、原子磁力仪(Atomic Magnetometer)。正在使用的各种磁力仪也在不断地改进提高。上述磁力仪中,除了磁通门磁力仪外,其余都是根据量子理论设计、制造的,从广义上说,都应该称为量子磁力仪。一般只把核子旋进磁力仪和光泵磁力仪叫做量子磁力仪。

在传统的应用领域——地质调查、油气和矿产勘查,在反潜战的磁异常探测(ASW MAD),在考古工作,环境和工程调查,探测未爆炸的炸弹、地雷、水雷(UXO),安全检查,探测水下沉船、铁质管道、钻井井位等方面,均要求磁测工作不断提高精度,不仅仅是发现目标,而且往往要求绘制出高精度的磁异常图。现代的第一种磁力仪——磁通门磁力仪,是二次世界大战中为了从空中侦察探测潜艇而研究、开发出来的,由于可测矢量,现仍被广泛使用,特别是在空间探测方面。随后从20世纪50年代起,又发明了各种量子磁力仪,磁力仪的研究和开发工作正在积极进行。随着空间探测(测量磁场是一个主要项目)、军事技术的需要(以磁通门为首的现代磁力仪发端于此),工程、环境和考古调查的需要,地质调查和矿产资源勘查的需要,医学诊断和生物磁学研究的需要,以及基础科学研究等各方面的需要,这些均是推动磁力仪研究开发的强劲动力。随着物理学基础理论研究成果构筑的宽广而坚实的基础,信息和电子技术获得飞速进步,为研究和开发提供了良好的条件。

4.1.2 分类

为了测定磁场,核子旋进磁力仪利用氢原子核(即质子)和3He的自旋,OVM也是利用质子的自旋,不过采用电子的自旋使质子的自旋极化(整齐排列,磁化)方法。以上三种磁力仪可通称为核子自旋共振磁力仪或核子旋进磁力仪。光泵磁力仪利用某些气态碱金属(钾、铷、铯)原子电子壳层结构最外层未配对电子和4He原子(亚稳态正氦)的电子自旋,这类磁力仪可称为电子自旋共振磁力仪。固体电子自旋共振磁力仪利用某些固态有机自由原子团或自由基(free radical)中电子的自旋。原子磁力仪与光泵磁力仪一样,也是利用某些碱金属原子电子的自旋,不过牵涉到的方法原理有些不同,更复杂一些,完全利用光学方法检测磁场。因此这种磁力仪又称为全光学原子磁力仪(AllOptical Atomic Magnetometer)或无自旋交互弛豫磁力仪(The Spin Exchange Relaxation Free(SERF)Magnetometer),简称SERF磁力仪。由于原子磁力仪使用钾作为工作物质,灵敏度很高,因此又称为超高灵敏度钾磁力仪(Ultra high sensitivity potassium magnetometer)。以上两种磁力仪也可归于电子自旋共振磁力仪之列。超导磁力仪利用超导体的量子特性,其核心部件是超导量子干涉器件(SQUID),SQUID由两个用很薄的绝缘体隔开的超导体形成两个并联的约瑟弗松结(Josephson junction)组成。

磁通密度是一个矢量,有方向和大小。根据测量的特点,可把磁力仪分为两种:矢量磁力仪和标量磁力仪。两者的工作原理和功能有很大的差别。矢量磁力仪测量磁通密度矢量在三度空间内某一个方向上的值,而标量磁力仪则只测量这个矢量的大小(模量),不论其方向。磁通门磁力仪和超导磁力仪是矢量磁力仪,上面提到的其他磁力仪都是标量磁力仪。目前,一些科学家将某种标量磁力仪设计成既可进行矢量测量又可进行标量测量的磁力仪。

关于磁感应强度单位,说明如下。伽马和纳特是大家所熟悉的单位,过去,测量磁场强度的单位是奥斯特[Oersted(Oe)],现在采用和推广国际单位制(SI),在国际单位制中,测量磁感应强度(磁通密度)的单位是特斯拉[Tesla(T)]或高斯[Gauss(Gs)],在真空中磁场强度和磁感应强度在数值上相等。因此有:79.6A/m=1Oersted(Oe),1Oersted(Oe)=105 gamma(γ),1Tesla(T)=104Gauss,1Gauss(Gs)=1Oersted(在真空中),1nanoTesla(nT)=109T=1gamma(γ)。现在磁力仪的灵敏度提高了许多,有时纳特这个单位也嫌太大,一些更小的单位经常出现,列举如下:1nanoTesla(nT,纳特)=109T,1picoTesla(pT,皮特)=1012T,1femtoTesla(fT,飞特)=1015T,1attoTesla(aT,阿特)=1018T。

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