核子旋进磁力仪

4.2　核子旋进磁力仪

4.2.1　质子磁力仪

第二次世界大战后，美国麻省理工学院Purcell等研究固体（石蜡）的核磁共振，斯坦福大学Bloch和Packard等研究液体（水）的核磁共振，他们取得了很大的成绩，1952年，Bloch和Purcell“由于开发了一些新的核磁精密测量方法和与之相关的一些发现”，获得当年诺贝尔物理学奖。1954年Packard和Varian发现水中氢核（质子）在地磁场中的旋进现象，指出利用失衡过程可以测量地磁场。他们指出，在地磁场中用100Oe的磁场在垂直于地磁场方向上磁化一个大容器内的水。然后迅速切断磁化磁场，总磁化矢量将围绕地磁场旋进。用接收线圈拾取这个核感应信号，测出信号的频率，就可得知地磁场的强度。这种方法可用于地球物理研究和勘查矿产［1～2］。接着，Waters^［3］也成功地进行了利用Packard和Varian的核感应方法测量地磁场的实验。

1955年美国成功研制出质子磁力仪。这是测量地磁场的量子磁力仪研究开发的开始。在质子磁力仪中，使用的工作物质有水、酒精、煤油等富含氢的液体。以水为例，水分子中的十个电子的自旋和轨道磁矩各自成对地抵消了，只有两个氢原子核（即质子）具有磁矩。在外磁场中表现出逆磁性介质（水）中的核子顺磁性。采用直流极化的方法，使工作物质中的氢核即质子产生一个宏观的磁矩，宏观的磁矩在地磁场B_e中作旋进运动，旋进频率f与Be成正比，B_e＝2π/（γ_p）f，γ_p是质子的旋磁比，γ_p＝（2.675 198 7±0.000 007 5）×10⁸ T1s¹［原子物理学和核物理学的量和单位（GB3102.932）］，因此有B_e＝2π/（γ_p）f＝23.4874f，测出旋进信号的频率，即可得到外磁场的值。质子磁力仪又称为核子旋进、质子旋进、核子（质子）自由旋进磁力仪。1957年，我国勘探地球物理学先驱者之一秦馨菱院士著文介绍核子旋进磁力仪，1958—1964年，长春地质学院物探系曾孝箴、曾佩伟、崔岫峰、杨先智、费振宇等几位年轻的大学助教先后研制成了航空和地面核子旋进磁力仪。作者在1964年夏季的教学实习中，指导学生用（第一代）地面核子旋进磁力仪（质子磁力仪）进行磁测工作，这种地面质子磁力仪当时使用振簧测量频率。70年代作者曾利用北京地质仪器厂的航空核子旋进磁力仪进行过航空磁测。20世纪60～70年代世界各国利用质子磁力仪（以及磁通门磁力仪）进行大规模的航空和海上磁测，在地质找矿工作中起了很大的作用。海洋上条带状磁异常主要是船用质子磁力仪测得的，这个发现，为板块构造学说提供了有力的事实证据。质子磁力仪也用在卫星上进行卫星磁测。苏联于1964年发射的КОСМОС49卫星上载有质子磁力仪，用于地磁场标量测量，为了减少方位的影响，采用了轴线互相垂直的两个探头。欧洲航天局将发射一个由几颗磁卫星组成的卫星星座SWARM，磁卫星所需的绝对标量磁力仪有两个候选方案，一个方案是采用激光光泵⁴He磁力仪，另一个方案采用质子磁力仪。用质子磁力仪的方案，为了减少方位的影响，准备采用环形探头，其技术指标如下：质量小于2.1kg；功耗小于7W；动态范围15 000～65 000nT；绝对准确度0.3nT（2σ）；各方向的响应（角度相关性）小于0.1nT。质子磁力仪的特点是准确度很高，灵敏度较高，结构简便、工作可靠，价格便宜。后来欧洲航天局采用激光光泵⁴He磁力仪方案。质子磁力仪耗电量大，只能进行间断测量，灵敏度不够高，不宜制作成梯度仪。质子磁力仪问世50多年来，得到广泛的应用，现在还未退役。这种磁力仪采用间断测量方式，在每秒一次读数时，灵敏度为0.1nT，地面仪器的准确度为1nT。虽然没有全向的传感器，但定向要求不严，操作很简便。这种磁力仪价格最便宜，仪器性能稳定耐用，现仍然广泛用于海洋、地面和台站观测［4～5］。

4.2.2　欧弗豪泽（Overhauser）效应质子磁力仪

欧弗豪泽效应质子磁力仪又称欧弗豪泽质子磁力仪，或简称为欧弗豪泽磁力仪（Overhauser Magnetometer，OVM）。OVM所依据的基本原理是质子磁共振。与上述采用直流极化的质子磁力仪不同，OVM采用动态极化的方法。其基本原理是：如果一种物质除了包含具有电子自旋的粒子之外，还包含具有核磁矩（核自旋）的粒子。在许多情况下，由于电子和核子两个自旋系统之间的相互作用，电子顺磁共振饱和或电子的定向排列（磁化）会导致核子的强烈极化（磁化），比在静磁场（如地磁场）作用下获得的磁化增强几百倍乃至几千倍。欧弗豪泽（Overhauser）于1953年首先从理论上研究了金属中的这种效应，这种效应就以他的姓氏命名。后来法国物理学家Abragam详细研究了非金属和顺磁性溶液中的Overhauser效应，并撰写了一本被核磁共振理论的权威Slichter称为经典著作的专著：“The principles of nuclear magnetism”（Clarendon Press，Oxford，1961），书中介绍了Solomon推导出的以他的姓氏命名的Solomon方程式，由这个方程式的解可看到Overhauser效应。Abragam和Solomon于20世纪60年代初首先在加拿大和美国申请了关于利用Overhauser效应制造磁力仪的专利。因此也有人将这种磁力仪称为欧弗豪泽阿布拉姆质子磁力仪。这种磁力仪的探头有两个线圈，绕在盛有工作物质的玻璃容器外面，一个线圈是高频振荡器的一部分，产生射频磁场，其频率等于工作物质中电子在地磁场中的共振频率，大约为60MHz。另一个线圈是低频接收线圈，接收质子由于欧弗豪泽效应而大大增强的磁化强度在地磁场Be中进动产生的信号，其频率叫拉摩尔频率，记作f。与质子磁力仪相同，用一个频率计测量这一频率，即可得到地磁场的标量值Be＝2π/（γ_p）f＝23.4874f，质子磁力仪也是用这个公式计算磁场值。工作物质的选用很有讲究，需要做许多基础性的研究工作。要求在工作物质中存在两个自旋系统，一是电子的自旋，一是质子的自旋。常常采用具有稳定自由基的有机溶剂作为工作物质，所谓自由基是指具有不配对价电子的一个原子或原子团。

20世纪60～70年代法国、加拿大和苏联先后制造了Overhauser效应航空磁力仪并投入使用。OVM也应用于军事方面，法国反潜飞机和反潜直升机采用OVM作为磁异常探测器MAD（Magnetic Anomaly Detector，MAD），OVM经久耐用，长期无需维修。最近丹麦的Oersted磁测卫星和德国的CHAMP重、磁两用卫星，都采用OVM测地磁场的标量，由法国LETI设计制造。欧洲航天局（ESA）计划发射的AMPERE卫星也准备采用OVM测量地球磁场的标量。卫星上使用的磁力仪要求功耗小、性能稳定、工作时间长。在空中运行了十年的德国CHAMP重磁两用卫星，载有丹麦制造的磁通门磁力仪和法国制造的Overhauser质子磁力仪，分别测量地磁场的矢量和标量。

欧弗豪泽质子磁力仪的特点是功耗低，只有常规质子磁力仪的1/4，质子旋进信号的信号/噪声比提高很多，因此仪器更加轻巧，可进行连续测量并可做成梯度仪。用作地面磁测的OVM，价格约为质子磁力仪的两倍。目前加拿大已制成各种用途的OVM。OVM可能是接替质子磁力仪的一种磁力仪［6～9］。

4.2.3　3　He磁力仪

氦（Helium，He）的两个同位素，⁴ He和³He，都是制作量子磁力仪的工作物质。⁴ He原子的核由两个质子和两个中子组成，核自旋量子数I＝0，没有核磁矩。天然丰度为99.999 863（3）（原子%）。³ He由两个质子和一个中子组成，天然丰度仅为0.000 137（3）（原子%），核自旋量子数I＝1/2，³ He的磁矩μ³He＝2.127 624（μN），μN是核磁矩，旋磁比γ³He＝（2.037 950±0.000 015）×10⁸ T1s¹。因此³He也可用来制作核子旋进磁力仪，不过是采用光泵方法使³He核极化。³ He的特点是横向弛豫时间T2特别长，著名的俄罗斯量子磁力仪专家Alexandrov院士指出，³ He的弛豫时间可达5～6h，因此³He极化后，核子的旋进可持续几小时到几天。科学家只研制出少量的³He核旋进磁力仪，在台站上使用，作学术研究。美国利用³He核旋进磁力仪作反潜战ASW的磁力仪，定点监测活动目标^{［10～11］}。