Методи вимірювання магнітних полів

 

Магнітостатичний магнітометр містить постійний магніт, підвішений на пружній нитці, на якій прикріплено дзеркало. При зміні зовнішнього магнітного поля магніт обертається; кут обертання магніту та дзеркала реєструється за допомогою оптичного приладу.

Перевагою приладу є його надійність, простота конструкції та невисока ціна.

До недоліків можна віднести порівняно невисоку чутливість, вплив на вимірювання сейсмічних коливань, температури, вологості; крім того, пружні властивості нитки втрачаються з часом.

Астатичний магнітометр складається з двох протилежно спрямованих магнітів, підвішених на пружній нитці, на якій прикріплено дзеркало. Звичайно магнітометр цього типу застосовують для оцінки магнітних властивостей геологічних зразків; розташування такого зразка під нижнім магнітом зумовлює його обертання, оскільки він знаходиться ближче до зразка, ніж верхній магніт. Система двох протилежно спрямованих магнітів дає змогу запобігти впливу магнітного поля Землі. Чутливість оцінки магнітних полів зразків - 1γ /см3. Недоліком є залежність вимірювань від фізичних коливань.

Індукційний магнітометр ґрунтується на вимірюванні електрорушійної сили у витках котушки під час зміни діючого на нього магнітного потоку.

Протонно-прецесійний магнітометр. Протони (атомні ядра) мають масу, електричний заряд, механічний момент кількості руху і магнітний момент. Зовнішнє магнітне поле намагається орієнтувати ядра так, щоб власні магнітні моменти повернулися вздовж цього поля. Оскільки механічний момент заважає цьому, відбувається прецесія ядер з ларморівською частотою.

Вимірювання частоти прецесії дає можливість оцінити магнітне поле. Недоліком приладу є невисока чутливість, залежність величини сигналу від напруженості магнітного поля, періодичний режим роботи.

Магнітометр з оптичним накачуванням містить кювету з парою речовини (рубідію, цезію, натрію, калію) і джерело інтенсивного світла (рис. 7.1).

Розглянемо як приклад атоми рубідію, що характеризуються певною енергетичною структурою, зокрема основним та збудженим рівнем. Ці рівні, за правилами відбору, розщеплюються на підрівні, ступінь розщеплення залежить від прикладеного магнітного поля. Якщо подіяти на рубідій інтенсивним світлом, тобто здійснити оптичне накачування, то кількість атомів на обох рівнях вирівнюється - такий стан називається насиченням. Кількість актів поглинання та актів випромінювання стає однаковою і пара рубідію припиняє поглинати світло. Кювета з речовиною внаслідок цього стає прозорою.

Якщо після цього подіяти на систему радіохвилями, то атоми рубідію внаслідок поглинання радіохвиль будуть переходити з нижнього рівня на збуджений, населеність атомів на останньому рівні збільшиться, поглинання збільшиться, прозорість кювети з речовиною зменшується. За плавної зміни частоти ν радіохвиль крива залежності прозорості речовини від частоти різко зростає. При цьому дана крива відповідає формі спектральної лінії рубідію. Вплив зовнішніх магнітних полів зумовлює зміщення вершини спектральної лінії, вимірювання якого дає змогу оцінити слабкі магнітні поля з великою (10-2 γ) точністю.

 

 

Магнітометр з оптичною орієнтацією атомів. В основу методу покладено ефект Зеємана - розщеплення спектральної лінії атома в інтенсивному магнітному полі на три лінії, відстань між якими залежить від інтенсивності магнітного поля. Вимірювання ступеня розщеплення спектральних ліній дає змогу оцінити магнітне поле.

Надпровідний магнітометр ґрунтується на ефекті Джозефсона - протіканні надпровідного струму через тонкий шар діелектрика, що розділяє два надпровідники. Часто використовують ще один термін для такого магнітометра - «сквід» (від англ. Superconducting Quantum Interference Device). Чутливим елементом магнітометра є електричний контур з надпровідника з контактами Джозефсона - тонким плівками або точковими контактами (рис. 7.2).

 

 

Під час пропускання через такий контакт достатньо слабкого струму, зниження напруги на контакті відсутнє, оскільки струм є надпровідним (стаціонарний ефект). При збільшенні струму через контакт і досягненні критичного значення, на контакті знижується напруга (нестаціонарний ефект) і контакт випромінює електромагнітні хвилі. Випромінювати хвилі може тільки змінний струм - саме такий струм тече крізь контакт.

Причина випромінювання полягає в тому, що електрони під час переходу через контакт отримують додаткову щодо основного стану надпровідника енергію. Перехід в основний стан, таким чином, супроводжується випромінюванням фотона з визначеною частотою. Важливим є те, що критичний струм залежить від потоку зовнішнього магнітного поля. Це дає змогу використовувати такий пристрій для надзвичайно точного вимірювання слабких магнітних полів. Чутливість надпровідного магнітометра – 10-5 γ.