质子磁力仪

2．2．8　质子磁力仪

质子磁力仪全称质子旋进磁力仪，基于转换磁场强度到需要测量的频率以实现精确的磁场测量。在频率域里的测量是测量光谱线中心的位置。当谱线狭窄时，可以非常高的相对精度10^－12来测定它的位置。由于磁力仪中信噪比导致谱线相当宽，因此在地磁测量中，精度不高于10^－7。

质子磁力仪由探头、仪器主体和电源三部分组成。探头是感应外部磁场的部件，由盛有富含质子溶液(水、煤油、酒精等)的圆柱体容器和外面围绕柱体缠绕的线圈组成。利用富含质子溶液中的质子磁矩在外磁场作用下呈现顺磁性的特点，当水平探头在垂直于地磁场T的方向上施加极化磁场时，则在垂直于T的方向上质子形成较强的宏观磁矩(称此过程为极化)。当切断极化场后，由于质子自旋，宏观磁矩并不立即倒向地磁场方向，而是绕着地磁场T的方向进动(或称旋进)，质子的旋进角频率线性地依赖于磁场:

式中γ_p是质子的旋磁比，它是具有很精确测定结果的固有常数，IAGA推荐从1992年起，采用国家标准局(TheNationalBureauofStandard)公布的数值，γ_p=2．6751525·10⁸±40T^－1·s^－1，由上式可得频率形式:

由于宏观磁矩旋进时切割探头中的线圈，因此在线圈中产生与旋进频率相同的感应电压，则测出这一感应电压信号的频率就可测定地磁场总强度的绝对值。

测量从质子探头来的频率f的方法有多种，仍在使用的最老的方法是测量预定质子振荡数的时间。例如测定在n=2¹¹=2048个质子振荡的期间，质子磁力仪的100kHz的振荡器有N个振荡被计数，则有磁场总强度F=48101．8×10⁺⁵/N(nT)，如果质子信号(或检测振荡器的信号)是2kHz，则100kHz振荡的计数N=1024/2000×100000=51200次振荡。此类仪器有两个缺点，一是对固定的信噪比，增加振荡器的频率不会改善精度，因此这种磁力仪只有0．5nT的分辨率;其二是此法显示的测量结果是N而不是以nT为单位的磁场强度，磁场强度的获得必须用公式转换计算。

目前在质子磁力仪中最常用的方法是测量频率的相位锁定系统。从振荡器来的信号被锁相到从质子探头来的信号。引入一整数N，它相应于在周期时段T内被计数的控制振荡器的振动次数，则有

若选择一合适的乘法因子m和合适的时间T_g，可使F=N，则读数直接是以nT为单位，同时，利用电压控制振荡器的频率，其信号的相位比起自由旋进的信号有更少的波动，因此这种磁力仪的灵敏度可以做得比以前更高，可达0．1nT。需要注意的是此法不是测量旋进频率而是测量与其同步的频率。