光泵磁力仪

4.3　光泵磁力仪

4.3.1　⁴He磁力仪

⁴He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，因此不能制作核子旋进磁力仪，但可用来制作“电子自旋”共振磁力仪，用光泵的方法使其电子极化，就是通常所说的⁴He光泵磁力仪。

按照量子理论，在外磁场B中，具有自旋的亚原子粒子（核子和电子）能级简并（degeneracy）解除，分裂为一些磁次能级（或称为蔡曼次能级），在光谱上的表现就是谱线分裂，这就是蔡曼效应。彼特·蔡曼（Pieter Zeeman）与洛伦兹（Lorentz H A）一起因在研究磁性对辐射现象的影响所作出的成果而获得1902年（第二届）诺贝尔物理学奖。分裂的能级间的能量差一般与外磁场成正比。为了测定磁场，需要改变核子或电子在分裂能级上的分布。当粒子在分裂的能级间发生跃迁时，就会发射或吸收电磁波，其频率与磁次能级间的能量差成正比，测定这个电磁波的频率，即可测定磁场。

粒子在各个能级的分布，遵守玻耳兹曼分布定律，高能级上，粒子数要少一些。为了形成非玻耳兹曼分布，当粒子在磁次能级之间跃迁时，就会吸收或发射电磁波，为测量磁场提供了条件。光泵（optical pumping，optically pomped）是形成非玻耳兹曼分布的方法之一（利用核子自旋的磁力仪，有静态极化和动态极化的方法）。这种方法是由法国物理学家Kastler于1950年提出的，他获得1966年诺贝尔物理学奖。20世纪50年代末60年代初科学家们即成功地将光泵方法用于亚稳态氦的极化，制成⁴He光泵磁力仪。

⁴He光泵磁力仪的应用范围很广泛，我国早在20世纪60年代就成功试制了这种磁力仪（还是上面提到的曾孝箴等几位年轻的大学助教研制成的），后又不断改进。这种磁力仪已经在我国东部海域、珠海、西藏高原和南海海域等地进行了高精度航空磁测。还制成了地面磁力仪/梯度仪，并曾向美国批量出口这种磁力仪的核心部件。作者在20个世纪70年代曾利用北京地质仪器厂研制的灵敏度很高的⁴He光泵磁力仪进行区分磁异常性质的试验工作，该项工作要求可靠地检测出幅度为3nT的两地磁场差值。2003年中国国土资源航空物探遥感中心研制成功新一代航空氦光泵磁力仪HC2000。杭州瑞声也制成航空氦光泵磁力仪。

美国很早就利用氦光泵磁力仪进行太空探测和ASW。德国的CHAMP低轨道磁测卫星超期服役，运行了十年，为全面、深入地了解地球磁场作出了巨大的贡献。CHAMP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。欧空局原计划2012年发射的SWARM磁测卫星，载有丹麦制造的磁通门磁力仪和法国制造的氦光泵磁力仪。中国有磁测卫星计划，中国团队和欧空局SWARM磁测卫星计划团队将进行合作。

欧、美、澳、俄采用铯、钾光泵磁力仪进行地质矿产普查工作。到目前为止，在欧美市场上还没有出现地面和航空用的氦光泵磁力仪。现在我国已有轻便的地面使用的HC95氦光泵磁力仪、航空使用的HC2000型航空氦光泵磁力仪在南海及青藏高原进行工作，还有杭州瑞声GB4A型航空氦光泵磁力仪。估计HC2000型仪器和GB4A型仪器与GEOMETRICS公司的G822A型航空铯光泵磁力仪性能相近。GB4A型仪器在国内首创采用正交三光系氦光泵探头，仪器价格远低于国外同类产品（铯、钾光泵），很快推广到核工业部、冶金部和地矿部有关单位，安装在运5、运11、海燕等飞机上，已完成航空物探1.6×10⁵测线公里。利用氦光泵磁力仪进行地质矿产普查，是中国的特色。

⁴He光泵磁力仪也用于空间磁测。探测土星及其最大的一颗卫星Titan的飞船CassiniHuygens上装备有氦光泵磁力仪，测量土星的磁场，经过7年的飞行，2004年7月这艘飞船已进入绕土星轨道。阿根廷发射的磁测卫星SACC装备有丹麦制造的磁通门磁力仪FGM（三分量，伸出8m）和美国制造的⁴He光泵磁力仪，2000年11月18日发射，寿命4年。美国除了在卫星磁测外，在航空磁测探测潜水艇等方面广泛应用⁴He光泵磁力仪，而且还在不断地研究、开发、创新改进。近年来，氦磁力仪有三项创新：一是用可调谐的激光器代替氦灯作光泵光源，提高灵敏度20多倍。美国反潜飞机已采用这项技术，美国珀拉托密克公司（Polatomic Inc.）为美国海军研制的Polatomic 2000（P2000），是激光光泵⁴He磁力仪，采用梯度装置。将P2000安装在P3C飞机上进行飞行试验，P2000的噪声水平（noise floor）低于0.1pT/Hz^1/2；另外两项创新是用单个吸收室制作成无方向性⁴He磁力仪，将⁴He磁力仪设计成既可做标量测量又可做矢量测量的磁力仪。

图4-1　⁴He激光光泵磁力仪^［12］

我们用图4-1和图4-2来说明激光光泵⁴He磁力仪的原理。图42中的⁴He表示用玻璃制成充有氦气的氦室，又称为吸收室，利用自激振荡器提供的高频电磁场（HF）无极放电作用，使氦气室的⁴He原子从基态1¹S₀激发到2³S₁亚稳态。处于2³S₁亚稳态的氦原子称为正氦，2³S₁亚稳态氦原子能级在地磁场Be中分裂为3个蔡曼次能级。蔡曼次能级之间的间距与磁场强度成正比。蔡曼次能级之间的跃迁由射频振荡器产生的射频场（RF）激发，趋向于使这些次能级上的原子数目达到均衡。

图4-2　⁴He光泵标量磁力仪结构图^［13］

在热平衡条件下，蔡曼次能级上的原子数目接近相等，因而共振信号一般很弱。为了增强共振信号，用一个可调谐的激光器发出的波长为1083nm（1082.91nm）的激光（D₀线，用氦灯作光泵光源时用的是D₁线），经过启偏器之后，通过光纤照射氦室，使不同蔡曼次能级上的原子重新分布，激光的照射触发亚稳态和短寿命的能级2³P₀之间的跃迁。由于三个次能级跃迁几率不相等，结果就达到非平衡分布，使共振信号增强几个数量级。当由于蔡曼次能级上的原子数目重新分布而RF共振发生时，根据吸收室透明度的减弱可以设计自动跟踪透明度极小值的电子线路，光电流信号和伺服回路控制磁共振，可以锁定RF场的频率，用频率计测定这个频率f，就可得到外磁场的数值，Be＝（2π/γHe）f，γHe是氦原子的旋磁比，γHe（2π）＝28.024Hz/nT［13～18］。

4.3.2　碱金属光泵磁力仪

气态碱金属光泵磁力仪利用铷、铯、和钾等碱金属。含有碱金属的吸收室必须持续加热到45～55℃（钾需要较高的温度），使金属升华为气态。利用这些元素制成的磁力仪，依据同样的原理，与上述氦磁力仪的的原理也基本相同，现在按简化了的说法说明如下。

用相应元素的灯产生的光照射（或泵激）装有气态碱金属的玻璃吸收室，产生一种称为光极化的效应。光的频率用滤光片特别选定（选用D₁线），并用启偏器使之做圆偏振，照射的结果，电子从基态能级2跃迁到激发亚稳态3（图43、图44）。在能级3上的电子是不稳定的，自发地下落到两个能级——能级1和能级2上，这两个能级是某一个能级在地磁场中分裂而成的蔡曼次能级。最后，能级1被填满而能级2被抽空。当这种情况发生时，停止吸收极化光，吸收室变得较透明。这时射频RF开始起作用，对应于能级1和能级2间能量之差的RF场作用于气室将电子从能级1移回能级2（气室又变得晦暗）。

图4-3　气态碱金属磁力仪^［19］

图4-4　气态碱金属的量子力学^［20］

使能级2重新获得电子的RF场的频率随外磁场而变化，这个频率即所谓的拉莫尔频率。具有拉莫尔频率的RF场将使两个能级上的原子数目重新平衡，于是开始吸收更多的极化光。极化和去极化的效果是光的强度被RF频率调制。检测光的调制并测量频率，就可以获得磁场值。

意大利比萨大学的物理学家和地球物理学家，研制用激光代替钾灯作为光泵光源的钾磁力仪，灵敏度达到1pT/Hz^1/2。还有科学家研制用激光代替铯灯作为光泵光源的铯磁力仪。

从20世纪60年代起，碱金属光泵磁力仪即开始应用于航空和地面磁测工作，其中铯磁力仪应用最广，在六七十年代还用于卫星磁测。最近问世的钾磁力仪由于谱线不重叠，谱线又很窄，方位误差很小，维修方便，分辨率达0.1pT，在采样率为20Hz时，灵敏度可达0.014nT。因此钾光泵磁力仪在同类磁力仪中有占据优先地位的趋势。灵敏度、取样率愈高，价格愈贵，这类磁力仪比OVM更贵。

碱金属光泵磁力仪也可用于军事方面，加拿大等一些国家海军利用铯光泵磁力仪探测潜水艇。美国利用多个铯光泵磁力仪组成梯度仪排列，安装在直升机或无人飞行器（UAV）上，探测UXO和其他磁性物体，采用梯度装置，可提高分辨率。在美国SEG第74届年会（2004年10月10日至15日，美国丹佛）期间，SEG的重磁委员会主办了磁力梯度测量专题讨论会，研讨了磁力梯度测量在勘查、环境调查和近地表地球物理方面的作用。宣读的论文包括磁力梯度测量在考古、探测UXO、寻找金刚石、石油勘探和地质填图等方面的应用。在梯度测量中使用气态碱金属光泵磁力仪和超导磁力仪（SQUID）^［20］。