傳感器技術(shù)磁敏傳感器

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1、第 二 章 磁 敏 傳 感 器 第 一 節(jié) 質(zhì) 子 旋 進(jìn) 式 磁 敏 傳 感 器 第 二 節(jié) 光 泵 式 磁 敏 傳 感 器 第 三 節(jié) SQUID磁 敏 傳 感 器 第 四 節(jié) 磁 通 門(mén) 式 磁 敏 傳 感 器 第 五 節(jié) 感 應(yīng) 式 磁 敏 傳 感 器 第 六 節(jié) 半 導(dǎo) 體 磁 敏 傳 感 器 第 七 節(jié) 機(jī) 械 式 磁 敏 傳 感 器 磁 敏 傳 感 器 是 對(duì) 磁 場(chǎng) 參 量 (B,H,)敏 感 的 元 器 件 或裝 置 ,具 有 把 磁 學(xué) 物 理 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號(hào) 的 功 能 。 質(zhì) 子 旋 進(jìn) 式 磁 敏 傳 感 器光 泵 式 磁 敏 傳 感 器SQ UID（ 超

2、 導(dǎo) 量 子 干 涉 器 ） 磁 敏 傳 感 器磁 通 門(mén) 式 磁 敏 傳 感 器感 應(yīng) 式 磁 敏 傳 感 器半 導(dǎo) 體 磁 敏 傳 感 器 霍 爾 器 件 、 磁 敏 二 極 管 、 磁 敏 三 極 管 、 磁 敏 電 阻機(jī) 械 式 磁 敏 傳 感 器光 纖 式 磁 敏 傳 感 器磁 敏 傳 感 器 的 種 類(lèi) 質(zhì) 子 旋 進(jìn) 式 磁 敏 傳 感 器 是 利 用 質(zhì) 子 在 外 磁 場(chǎng)中 的 旋 進(jìn) 現(xiàn) 象 ， 根 據(jù) 磁 共 振 原 理 研 制 成 功 的 。 物 理 學(xué) 已 證 明 物 質(zhì) 是 具 有 磁 性的 。 對(duì) 水 分 子 （ H2O） 而 言 ， 從其 分 子 結(jié) 構(gòu) 、 原

3、 子 排 列 和 化 學(xué) 價(jià)的 性 質(zhì) 分 析 得 知 ： 水 分 子 磁 矩（ 即 氫 質(zhì) 子 磁 矩 ） 在 外 磁 場(chǎng) 作 用下 繞 外 磁 場(chǎng) 旋 進(jìn) 。 一 、 質(zhì) 子 旋 進(jìn) 式 磁 敏 傳 感 器 的 測(cè) 磁 原 理質(zhì) 子 磁 矩 旋 進(jìn)T M 質(zhì) 子 的 旋 進(jìn) 頻 率 p 為 質(zhì) 子 旋 磁 比 ； T為 外 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度f(wàn)=p T /2 第 一 節(jié) 質(zhì) 子 旋 進(jìn) 式 磁 敏 傳 感 器 從 經(jīng) 典 力 學(xué) 和 量 子 力 學(xué) 觀 點(diǎn) ,此 公 式 的 來(lái) 源 均 能 得 以 論 證 。 為 方 便 起 見(jiàn) ， 在 此 采 用 經(jīng) 典 力 學(xué) 的 觀 點(diǎn) ， 分 析 直

4、角坐 標(biāo) 系 中 質(zhì) 子 磁 矩 的 旋 進(jìn) 情 況 。設(shè) 質(zhì) 子 磁 矩 M在 外 磁 場(chǎng) T作 用 下 有 一 力 矩 M T， 于 是 ，它 和 陀 螺 一 樣 ， 其 動(dòng) 量 矩 的 變 化 率 等 于 外 加 力 矩 ， 即 ：PM p TMdtPd TMdtPddtMd PP Pzyx zyx TTT MMM kji 動(dòng) 量 矩變 化 率 磁矩三個(gè)分量 xyyxPz zxxzPy yzzyPx TMTMdtdM TMTMdtdM TMTMdtdM 0dtdM TMdtdM TMdtdM z xPy yPx 設(shè) Tz=T(外 磁 場(chǎng) )； Tx=0； Ty =0對(duì) 上 式 中 的 第

5、 一 式 微 分 xPyPx MTTdtdMdtMd 2222 02222 xPx MTdtMd 顯 然 ， 為 簡(jiǎn) 諧 運(yùn) 動(dòng) 方 程 ， 其 解 為 常 數(shù) z Py PxM TtAM TtAM )sin( )cos( 同 理 z xy Mz MMy Mx磁 矩 M 旋 進(jìn) 規(guī) 律 變 化 示 意 圖從 上 式 可 看 出 ， Mz是常 數(shù) ， 磁 矩 M在 z軸 上的 投 影 是 不 變 的 ； 磁矩 M在 x軸 上 的 投 影是 按 余 弦 規(guī) 律 變 化 的 ；磁 矩 M在 y軸 上 的 投影 是 按 正 弦 規(guī) 律 變 化的 。 由 圖 看 出 ： 磁 矩 M在 xy平 面 上 的

6、 投 影 的 絕 對(duì) 值 是 一 個(gè) 常數(shù) ， 并 且 在 xy平 面 上 旋 進(jìn) 。 AMMM yx 22 常 數(shù) 綜 合 起 來(lái) 看 ， 質(zhì) 子 磁 矩 M在 外 磁 場(chǎng) T的 作 用 下 ， 繞外 磁 場(chǎng) T旋 進(jìn) ， 它 的 軌 跡 描 繪 出 一 個(gè) 圓 錐 體 ， 旋 進(jìn) 的角 頻 率 為 ， 稱(chēng) 為 拉 莫 爾 頻 率 （ Larmor frequency） 。 根 據(jù) 簡(jiǎn) 諧 運(yùn) 動(dòng) 方 程 ， 可 得 到 ： 即 ： 將 此 值 代 入 上 式 HzTf nTfT 8.42574874.23Tf P2 p=（ 2.67513 0.00002） S-1T-1可 見(jiàn) ， 頻 率

7、f與 磁 場(chǎng) T成 正 比 ， 只 要 能 測(cè) 出 頻 率 f， 即 可間 接 求 出 外 磁 場(chǎng) T的 大 小 ,從 而 達(dá) 到 測(cè) 量 外 磁 場(chǎng) 的 目 的 。需 要 指 出 的 是 ： 這 里 沒(méi) 有 考 慮 馳 豫 時(shí) 間 ,是 在 假 設(shè) 角 不變 、 信 號(hào) 不 衰 減 的 前 提 下 分 析 測(cè) 磁 原 理 的 。 但 是 ， 在實(shí) 際 工 作 中 是 有 馳 豫 時(shí) 間 的 ， 信 號(hào) 也 是 衰 減 的 。f 2 TP 當(dāng) 被 測(cè) 磁 場(chǎng) 很 弱 時(shí) ， 信 號(hào) 幅 度 大 大 衰 減 。 對(duì) 微 弱 的 被 測(cè)磁 場(chǎng) ， 用 一 般 的 核 磁 共 振 檢 測(cè) 方 法 是

8、 接 收 不 到 旋 進(jìn) 信 號(hào)的 。 為 了 測(cè) 得 質(zhì) 子 磁 矩 M繞 外 磁 場(chǎng) 的 旋 進(jìn) 頻 率 f 信 號(hào) ，必 須 采 取 特 殊 方 法 ：二 、 磁 場(chǎng) 的 測(cè) 量 與 旋 進(jìn) 信 號(hào)在 核 磁 共 振 中 ， 共 振 信 號(hào) 的 幅 度 與 被 測(cè) 磁 場(chǎng) T3/2成 正 比 。使 沿 外 磁 場(chǎng) 方 向 排 列 的 質(zhì) 子 磁 矩 ,在 極 化 場(chǎng) 的 激 勵(lì) 下 ,建 立質(zhì) 子 宏 觀 磁 矩 ,并 使 其 方 向 于 外 磁 場(chǎng) 方 向 垂 直 或 接 近 垂 直 通 常 采 用 預(yù) 極 化 方 法 或 輔 助 磁 場(chǎng) 方 法 來(lái) 建 立 質(zhì) 子 宏 觀磁 矩 ，

9、以 增 強(qiáng) 信 號(hào) 幅 度 。具 體 作 法 是 :用 圓 柱 形 玻 璃 容 器 裝 滿(mǎn) 水 樣 品 或 含 氫 質(zhì) 子 液體 ， 作 為 靈 敏 元 件 ， 在 容 器 周 圍 繞 上 極 化 線 圈 和 測(cè) 量 線圈 或 共 用 一 個(gè) 線 圈 ， 使 線 圈 軸 向 垂 直 于 外 磁 場(chǎng) T方 向 。 在 垂 直 于 外 磁 場(chǎng) 方 向 加 一 極 化 場(chǎng) H（ 該 場(chǎng) 強(qiáng) 約 為 外 磁 場(chǎng)的 200倍 ） 。 在 極 化 場(chǎng) 作 用 下 ， 容 器 內(nèi) 水 中 質(zhì) 子 磁 矩 沿極 化 場(chǎng) 方 向 排 列 ， 形 成 宏 觀 磁 矩 ， 如 下 圖 所 示 。 預(yù) 極 化 法 示

10、 意 圖 H*M M M HT 當(dāng) 質(zhì) 子 磁 矩 在 旋 進(jìn) 過(guò) 程中 切 割 線 圈 ， 使 線 圈 環(huán)繞 面 積 中 的 磁 通 量 發(fā) 生變 化 ， 于 是 在 線 圈 中 就產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 。當(dāng) 去 掉 極 化 場(chǎng) H， 質(zhì) 子磁 矩 則 以 拉 莫 爾 旋 進(jìn) 頻率 繞 外 磁 場(chǎng) 旋 進(jìn) 。 M 若 測(cè) 出 感 應(yīng) 電 壓 的 頻 率 ， 就 可 計(jì) 算 出 外 磁 場(chǎng) 的 大 小 。因 為 極 化 場(chǎng) H大 于 外 磁 場(chǎng) ， 故 此 法 可 使 信 噪 比 增 大 H/T倍 。 設(shè) 外 磁 場(chǎng) T的 磁 感 強(qiáng) 度 為 0.5 10-4T， 極 化 場(chǎng) H的磁 感

11、 強(qiáng) 度 為 100 10-4 T， 則 可 使 信 噪 比 增 大 200倍 。 = Tt2 t在 自 由 旋 進(jìn) 的 過(guò) 程 中 ， 磁 矩 M的 橫 向 分 量 以 t2（ 橫 向 弛豫 時(shí) 間 ） 為 時(shí) 間 常 數(shù) 并 隨 時(shí) 間 逐 漸 趨 近 于 零 ； 在 測(cè) 量線 圈 中 所 接 收 的 感 應(yīng) 信 號(hào) ， 也 是 以 t2為 時(shí) 間 常 數(shù) 按 指 數(shù)規(guī) 律 衰 減 的 。 M衰 減 示 意 圖 感 應(yīng) 信 號(hào) 衰 減 示 意 圖xy 核 心 ： 500cc左 右 有 機(jī) 玻 璃 容 器 ,在 容 器 外 面 繞 以 數(shù) 百 匝的 導(dǎo) 線 ,使 線 圈 軸 向 與 外 磁

12、場(chǎng) 方 向 大 致 垂 直 ,線 圈 中 通 以 1 3A的 電 流 ,而 形 成 約 0.01T的 極 化 場(chǎng) ,使 水 中 質(zhì) 子 磁 矩指 向 極 化 場(chǎng) H的 方 向 。 質(zhì) 子 旋 進(jìn) 式 磁 敏 傳 感 器蒸 餾 水 T 計(jì) 數(shù) 器放 大 器線 圈 質(zhì) 子 旋 進(jìn) 式 磁 敏 傳 感 器 的 組 成E若 迅 速 撤 去 極 化 磁 場(chǎng) ,則 M的 數(shù) 值 與 方 向 均 來(lái) 不 及 變 化 ,弛 豫 過(guò) 程來(lái) 不 及 影 響 M的 行 為 ,此 時(shí) ,質(zhì) 子 磁 矩 在 自 旋 和 外 磁 場(chǎng) T的 作 用 下 以角 速 度 繞 外 磁 場(chǎng) T旋 進(jìn) 。 在 旋 進(jìn) 的 過(guò) 程 中

13、 ， 周 期 性 切 割 測(cè) 量 線圈 ， 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 信 號(hào) 。 由 于 弛 豫 過(guò) 程 的 作 用 ， 其 信 號(hào) 幅 度 Vt的 大 小隨 時(shí) 間 按 指 數(shù) 規(guī) 律 衰 減 ， 其 表 示 式 為 ： tSMWV sin410 080 在 實(shí) 際 工 作 時(shí) ,線 圈 軸 向 與 外 磁 場(chǎng) 的 夾 角 不 正 好 保 持 900,由 實(shí) 測(cè) 得 知 ： 總 磁 矩 量 值 與 sin2成 正 比 例 ,所 以 ,自 由 旋 進(jìn)感 應(yīng) 信 號(hào) 的 電 壓 幅 值 和 sin2成 比 例 。 又 考 慮 到 旋 進(jìn) 信 號(hào)按 指 數(shù) 規(guī) 律 衰 減 的 特 點(diǎn) ,其 感 應(yīng) 信 號(hào)

14、完 整 表 達(dá) 式 應(yīng) 為M0磁 化 強(qiáng) 度如 果 接 收 線 圈 有 W匝 ,所 包 圍 的 面 積 為 S,充 填 因 子 為 ,則角 的 大 小 只 影 響 質(zhì) 子 旋 進(jìn) 信 號(hào) 的 振 幅 大 小 ， 而 并 不 影 響質(zhì) 子 旋 進(jìn) 頻 率 ， 故 在 實(shí) 際 測(cè) 量 中 ， 探 頭 無(wú) 需 嚴(yán) 格 定 向 。=900時(shí) ， 信 號(hào) 最 大 。質(zhì) 子 旋 進(jìn)信 號(hào) 強(qiáng) 度 2/208 sinsin410 ttt teSMWV 2/0 ttt eVV t2橫 向 馳 豫 時(shí) 間 ； V0信 號(hào) 初 始 幅 度 。 由 實(shí) 驗(yàn) 得 知 ,對(duì) 于 幾 百 cm3的 樣 品 ， 線 圈 為

15、 數(shù) 百 匝 的 傳 感器 ， 在 較 好 的 情 況 下 ， 質(zhì) 子 感 應(yīng) 信 號(hào) 僅 為 0.5 mV左 右 。感 應(yīng) 信 號(hào) 的 衰 減 還 和 外 磁 場(chǎng) 梯 度 的 大 小 有 關(guān) 。理 論 分 析 和 實(shí) 驗(yàn) 表 明 ： 測(cè) 量 線 圈 中 產(chǎn) 生 的 感 應(yīng) 信 號(hào) 頻 率即 為 質(zhì) 子 磁 矩 的 旋 進(jìn) 頻 率 ， 這 和 公 式 是 一 致 的 。Tf P2用 質(zhì) 子 旋 進(jìn) 式 磁 敏 傳 感 器 測(cè) 量 外 磁 場(chǎng) 的 主 要 優(yōu) 點(diǎn) 是 ： 精 度 高 ， 一 般 在 （ 0.110） nT范 圍 內(nèi) ； 穩(wěn) 定 性 好 （ 因 p是 一 常 數(shù) ， 其 值 只 與

16、 質(zhì) 子 本 身 有 關(guān) ，它 的 值 與 外 界 溫 度 、 壓 力 、 濕 度 等 因 素 均 無(wú) 關(guān) ） ； 工 作 速 度 快 ， 可 直 讀 外 磁 場(chǎng) nT 值 ； 絕 對(duì) 值 測(cè) 量其 缺 點(diǎn) 是 ：極 化 功 率 大 ,只 能 進(jìn) 行 快 速 點(diǎn) 測(cè) ； 受 磁 場(chǎng) 梯 度 影 響 較 大 1. 樣 品 選 擇如 果 設(shè) 計(jì) 的 傳 感 器 系 用 于 磁 測(cè) 作 業(yè) ， 因 水 的 縱 向 弛 豫 時(shí)間 t1和 橫 向 弛 豫 時(shí) 間 t2較 長(zhǎng) ， 故 適 合 地 面 操 作 。選 擇 樣 品 一 定 要 選 擇 水 或 含 有質(zhì) 子 的 液 體 ， 如 酒 精 、 煤 油

17、 、甘 油 等 。 幾 種 溶 液 的 馳 豫 時(shí) 間t1、 t2數(shù) 值 見(jiàn) 表 。 溶 液 時(shí) 間 /st1 t2水 2.3 3煤 油 0.7 1如 果 有 自 動(dòng) 化 程 度 高 的 測(cè) 頻 裝 置 ， 則 可 選 用 t1、 t2時(shí) 間短 的 樣 品 ； 如 果 在 空 中 磁 測(cè) ， 由 于 飛 機(jī) 航 速 快 ， 選 擇煤 油 作 樣 品 則 是 合 適 的 ； 如 果 在 低 溫 地 區(qū) 工 作 ， 除 考慮 t 1、 t2外 ， 還 應(yīng) 考 慮 選 擇 冰 點(diǎn) 低 （ 如 甘 油 ） 的 樣 品 。 三 、 質(zhì) 子 旋 進(jìn) 式 磁 敏 傳 感 器 的 設(shè) 計(jì) 考 慮 到 無(wú) 磁

18、性 ， 價(jià) 格 便 宜 ， 加 工 方 便 ， 選 擇 有 機(jī) 玻 璃 材料 制 作 容 器 是 合 適 的 。2. 容 器 的 選 擇3. 激 發(fā) 與 接 收據(jù) 前 述 ： 極 化 場(chǎng) 方 向 應(yīng) 垂 直 于 被 測(cè) 磁 場(chǎng) ， 極 化 場(chǎng) 的 大小 應(yīng) 大 于 被 測(cè) 磁 場(chǎng) 200倍 ， 被 測(cè) 磁 場(chǎng) 按 0.5 10-4T計(jì) 算 ，根 據(jù) 實(shí) 踐 經(jīng) 驗(yàn) ， 應(yīng) 選 大 于 100 10-4T的 極 化 場(chǎng) 進(jìn) 行 激發(fā) 較 妥 。 為 得 到 大 的 感 應(yīng) 信 號(hào) ， 接 收 線 圈 的 軸 向 應(yīng) 垂直 于 被 測(cè) 磁 場(chǎng) 。 必 須 采 用 預(yù) 極 化 方 式 才 能 接 收

19、 到 旋 進(jìn)的 感 應(yīng) 信 號(hào) 。 由 實(shí) 驗(yàn) 和 理 論 計(jì) 算 結(jié) 果 認(rèn) 為 ； 容 器 的 直 徑 和 長(zhǎng) 之 比 應(yīng)為 l ： 1.2（ 1.3） 的 圓 柱 形 為 宜 。 接 收 線 圈 的 種 類(lèi) :地 面 傳 感 器 用 單 線 圈 ,空 中 磁 測(cè) 用 雙 線圈 ,地 震 臺(tái) 站 用 環(huán) 形 線 圈 , 海 洋 磁 測(cè) 用 三 軸 式 線 圈 。 lCZM-2型 質(zhì) 子 磁 力 儀lIGS-2/MP-4質(zhì) 子 磁 力 儀四 、 質(zhì) 子 旋 進(jìn) 式 磁 敏 傳 感 器 的 應(yīng) 用 CZM-2型 質(zhì) 子 磁 力 儀磁 化系 統(tǒng) 選 頻放 大 器 壓 控倍 頻 器 電子門(mén) 計(jì) 數(shù)

20、 器數(shù) 字譯 碼 顯 示數(shù) 字打 印 輸 出晶 振 分 頻 及 程 序 控 制穩(wěn) 壓 器DC+13V-+18V傳 感 器 打 印 指 令+ 10V 自 校 測(cè) 量 IGS-2型 質(zhì) 子 磁 力 儀 的 系 統(tǒng) 擴(kuò) 展 及 外 設(shè) 配 置打 印 機(jī) 曲 線 記 錄 儀 磁 帶 記 錄 儀 微 型 計(jì) 算 機(jī) 調(diào) 制 解 調(diào) 器IG2-2 控 制 臺(tái) 磁 力 儀MP-4 電 磁 儀EM 甚 低 頻 儀VLF 計(jì) 算 機(jī) 光 泵 式 磁 敏 傳 感 器 是 高 靈 敏 度 光 泵 磁 力 儀 的 核 心 部 件 。它 是 以 某 些 元 素 的 原 子 在 外 磁 場(chǎng) 中 產(chǎn) 生 的 塞 曼 分 裂

21、 為 基礎(chǔ) ， 并 采 用 光 泵 和 磁 共 振 技 術(shù) 研 制 成 的 。第 二 節(jié) 光 泵 式 磁 敏 傳 感 器磁 力 儀 種 類(lèi) ： 按 共 振 元 素 的 不 同 ,分 為 氦 (He)光 泵 磁 力 儀 ,其 中 又 分 He 3、 He4光 泵 磁 力 儀 ;堿 金 屬 光 泵 磁 力 儀 ,其 共 振元 素 有 銣 (Rb85、 Rb87)、 銫 (Cs133)、 鉀 (K39)、 汞 (Hg)等 。靈 敏 度 高 ,一 般 為 0.01nT量 級(jí) ,理 論 靈 敏 度 高 達(dá) 10-210-4nT響 應(yīng) 頻 率 高 ， 可 在 快 速 變 化 中 進(jìn) 行 測(cè) 量可 測(cè) 量

22、磁 場(chǎng) 的 總 向 量 T及 其 分 量 ， 并 能 進(jìn) 行 連 續(xù) 測(cè) 量利 用 光 泵 傳 感 器 做 成 的 測(cè) 磁 儀 器 ， 是 目 前 實(shí) 際 生 產(chǎn) 和 科學(xué) 技 術(shù) 應(yīng) 用 中 靈 敏 度 較 高 的 一 種 磁 測(cè) 儀 器 。 它 同 質(zhì) 子 旋進(jìn) 式 磁 力 儀 相 比 有 以 下 特 點(diǎn) ： （ 一 ） 塞 曼 效 應(yīng)塞 曼 效 應(yīng) 是 指 在 外 磁 場(chǎng) 中 原 子 能 級(jí) 產(chǎn) 生 分 裂 的 現(xiàn) 象 。一 、 氦 （ He4） 光 泵 式 磁 敏 傳 感 器 的 物 理 基 礎(chǔ)xSSNv 2 v0 v1O v2v0v1 zy塞 曼 效 應(yīng) ： 正 常 和 反 常 塞

23、曼 效 應(yīng)正 常 塞 曼 效 應(yīng) ： 在 弱 磁 場(chǎng)中 ,電 子 自 旋 量 子 數(shù) 為 零 時(shí)(S=0)產(chǎn) 生 的 塞 曼 效 應(yīng) 。反 常 塞 曼 效 應(yīng) ： 在 弱 磁 場(chǎng)中 ,電 子 自 旋 量 子 數(shù) 不 為 零(S0)時(shí) 產(chǎn) 生 的 塞 曼 效 應(yīng)光 泵 式 磁 敏 傳 感 器 ， 不 管 是 堿 金 屬 Cs、 Rb還 是 He 4、 He3光 泵 傳 感器 ， 電 子 自 旋 量 子 數(shù) 均 不 為 零 （ S0） ， 并 且 均 是 在 弱 磁 場(chǎng) 中 工作 ， 故 屬 反 常 塞 曼 效 應(yīng) 。 成 分成 分 當(dāng) 原 子 在 弱 磁 場(chǎng) H中 時(shí) ， 總 的 軌 道 動(dòng) 量

24、 矩 Pl和總 的 自 旋 動(dòng) 量 矩 Ps之 間 的 “ 耦 合 ” ， 沒(méi) 有 被 拆 開(kāi) ，這 時(shí) ， 原 子 的 殼 層 動(dòng) 量 矩 Pj將 帶 著 Pl和 Ps一 起 繞磁 場(chǎng) H旋 進(jìn) 。 如 圖 所 示 。 由 圖 看 出 ， 磁 場(chǎng) 將 使 原子 獲 得 的 附 加 能 量 為 ： H P sPl0H PjPlPs0弱 磁 場(chǎng) 中 Pj 、 Pl 、 Ps的 旋 進(jìn))cos( HjHE jH (jH) 磁 場(chǎng) H和 殼 層 磁 矩 j之 間 的 夾 角 。 （ 二 ） 反 常 的 塞 曼 效 應(yīng) 的 能 級(jí) 分 裂 E1+ E1E1E2+ E2E1E2 vv0 原 子 能 級(jí)

25、躍 遷 示 意 圖 gE能 級(jí) 的 郎 得 因 子 ； f0拉 莫 爾 旋 進(jìn) 頻 率 ； 波 爾 磁 子 ； h普 朗 克 常 數(shù) ； m電 子 質(zhì) 量 ； c光 速 。mceh 40 假 設(shè) 原 子 躍 遷 能 級(jí) 為 E1、 E2。 在 外 磁 場(chǎng) 作 用 下 ，這 兩 個(gè) 能 級(jí) 各 自 有 附 加 能 量 E 1， E2。 原 子 就 在 附加 能 量 的 能 級(jí) 上 產(chǎn) 生 躍 遷 。 （ 如 上 圖 所 示 ） 。 對(duì) 外 層 電 子 只 有 一 個(gè) 在 起 作 用 ， 只 考 慮 單 電 子 的 內(nèi) 量子 數(shù) ， 則 可 導(dǎo) 出 hfmgHmgE jjjjH 00 磁 場(chǎng) 將

26、使 原 子 獲得 的 附 加 能 量 氦 原 子 有 兩 個(gè) 電 子 ， 兩 個(gè) 質(zhì) 子 和 兩 個(gè) 中 子 ， 核 自 旋互 相 抵 消 ， 核 磁 矩 為 零 。 在 一 般 情 況 下 ， 兩 個(gè) 電 子 都 處在 1s軌 道 ， 充 滿(mǎn) n=l軌 道 ， l=0， 表 現(xiàn) 不 出 軌 道 磁 矩 ； 根據(jù) 泡 利 不 相 容 原 理 ， 兩 個(gè) 電 子 的 自 旋 也 必 然 相 反 ， 也 顯示 不 出 電 子 的 自 旋 磁 矩 ； 因 而 氦 原 子 在 外 磁 場(chǎng) 中 不 會(huì) 產(chǎn)生 塞 曼 分 裂 ， 也 就 無(wú) 法 利 用 He4進(jìn) 行 光 泵 磁 測(cè) 了 。 為 使 沒(méi) 有

27、 磁 矩 的 He4產(chǎn) 生 磁 矩 ， 來(lái) 測(cè) 量 磁 場(chǎng) 。 將 一電 子 激 發(fā) 到 較 高 能 級(jí) 的 軌 道 上 ,另 一 電 于 仍 處 在 1s態(tài) (基態(tài) )。 處 在 激 發(fā) 態(tài) 的 高 能 級(jí) 上 的 電 子 , 其 自 旋 狀 態(tài) 有 兩 種取 向 ： 一 種 是 和 處 在 基 態(tài) (1s)的 電 子 的 自 旋 方 向 相 同 ,所表 現(xiàn) 的 總 自 旋 量 子 數(shù) S=1/2+1/2=1； 另 一 種 是 相 反 ，S=1/2-1/2=0。（ 三 ） 氦 （ He4） 原 子 能 級(jí) 的 塞 曼 分 裂 當(dāng) S=0時(shí) ,由 于 l1=l2=0,所 以 J=0,即 在 磁

28、 場(chǎng) 作 用 下 ,能 級(jí) 不發(fā) 生 分 裂 ， 表 現(xiàn) 為 單 重 能 級(jí) ， 稱(chēng) 這 種 情 況 為 仲 氦 。當(dāng) S=l時(shí) ,由 于 l1=l2=0,所 以 J=1,在 外 磁 場(chǎng) 作 用 下 ,能 級(jí) 分 裂為 2J 1=3個(gè) 能 級(jí) ,能 級(jí) 表 現(xiàn) 為 三 重 態(tài) ,這 種 情 況 稱(chēng) 正 氦 。 通 過(guò) 對(duì) 塞 曼 效 應(yīng) 的 分 析 ， 可 得 到 以 下 幾 點(diǎn) 結(jié) 論 2、 磁 共 振 的 頻 率 大 小 取 決 于 相 鄰 能 級(jí) 間 的 能 量 差 （ E） ， E=hv。1、 塞 曼 分 裂 后 ， 相 鄰 能 級(jí) 之 間 的 能 量 差 極 小 ， 要 觀 察這 樣

29、 小 的 分 裂 情 況 ， 只 有 通 過(guò) 能 級(jí) 間 受 激 躍 遷 的 方 法 ，也 就 是 用 磁 共 振 的 方 法 進(jìn) 行 檢 測(cè) 。 這 里 所 指 的 受 激 躍遷 ， 受 激 能 量 來(lái) 自 光 ， 也 就 是 通 常 所 說(shuō) 的 光 泵 （ 光 抽運(yùn) ） 方 式 。3、 由 于 塞 曼 分 裂 后 ， 磁 子 能 級(jí) 間 能 量 很 小 ， 信 號(hào) 只有 微 伏 量 級(jí) ， 要 觀 察 這 樣 小 的 信 號(hào) ， 必 須 外 加 一 射 頻場(chǎng) 并 用 電 子 接 收 技 術(shù) 來(lái) 完 成 。4、 在 磁 共 振 過(guò) 程 中 ， 其 它 量 子 數(shù) 不 發(fā) 生 變 化 ， 而

30、只 有磁 量 子 數(shù) 在 選 擇 定 則 的 范 圍 內(nèi) 變 化 ， 光 泵 式 磁 敏 傳 感器 就 是 在 這 種 情 況 下 工 作 的 。 He4原 子 在 穩(wěn) 態(tài) 下 既 不 具 有 核 磁 矩 ,也 不 具 有 殼 層 磁 矩 ,整個(gè) 原 子 不 顯 示 磁 性 ,在 外 磁 場(chǎng) 中 不 產(chǎn) 生 塞 曼 能 級(jí) 分 裂 。 當(dāng) 把 He4原 子 中 一 電 子 激 發(fā) 到 亞 穩(wěn) 態(tài) 時(shí) ,對(duì) 正 氦 s=l的 情況 ,則 具 有 電 子 自 旋 磁 矩 。 這 時(shí) 是 單 個(gè) 電 子 的 自 旋 磁 矩 ,即 原 子 的 總 磁 矩 等 于 電 子 的 總 自 旋 磁 矩 ,即

31、： J =S。 由于 電 子 自 旋 磁 矩 J是 在 外 磁 場(chǎng) 作 用 下 ,故 在 外 磁 場(chǎng) 方 向 上的 投 影 為 二 、 氦 （ He4） 光 泵 式 磁 敏 傳 感 器 的 測(cè) 磁 原 理 2hm SsST )cos( TJTE JT )cos( TJTS TST外 磁 場(chǎng) (弱 磁 場(chǎng) )作 用在 磁 矩 上 的 附 加 能 量ThmE SST 2 s電 子 的 總 磁 矩 比 在 亞 穩(wěn) 態(tài) （ 23s1） 中 ， J=1， mj=0, 1。 對(duì) J=1的 亞 穩(wěn)態(tài) 在 外 磁 場(chǎng) 中 分 裂 為 三 個(gè) 能 級(jí) ， 兩 相 鄰 磁 子 能 級(jí) 間 的能 量 差 為 ： T

32、hE ST 2 hfE T 躍 遷 過(guò) 程 中 輻 射 的 光 子 能 量 恰 好 等 于 兩 相 鄰 能 級(jí) 間 的能 量 差 ， 即 ：由 上 式 可 看 出 ： 頻 率 f與 外 磁 場(chǎng) T成 正 比 關(guān) 系 ， 只 要 測(cè)出 頻 率 f即 可 求 得 外 磁 場(chǎng) T的 大 小 。 2Tf SThhf S 2f輻 射 頻 率 ； h普 郎 克 常 數(shù) 。 He4光 泵 式 磁 敏 傳感 器 測(cè) 磁 原 理 公 式 j=1 11 11j=1D123S122P1 D1線 作 用 下 He4亞 穩(wěn) 態(tài) 原 子 的 光 泵 作 用 示 意 圖 00mj利 用 光 使 原 子 磁 矩 達(dá) 到 定

33、向 排 列 的 過(guò) 程 ,也 稱(chēng) 光 學(xué) 取 向 。 （ 一 ） 光 泵 作 用實(shí) 質(zhì) 過(guò) 程 ： 在 垂 直 于 外 磁 場(chǎng) 方 向 (即 垂 直 于 光 軸 )加一 交 變 的 磁 場(chǎng) 射 頻 場(chǎng) ， 使 射 頻 場(chǎng) 的 頻 率 f0等 于 相 鄰 磁 子 能 級(jí) 間 的 躍 遷 頻 率 。 根 據(jù) 受 激躍 遷 原 則 ， 射 頻 場(chǎng) 將 使 富 集 在 mj=+1磁 子 能 級(jí)上 的 原 子 ， 產(chǎn) 生 受 激 躍 遷 。 首 先 向 mj=0磁 子能 級(jí) 上 躍 遷 ， 再 逐 漸 向 mj=-1的 磁 子 能 級(jí) 躍 遷 ，使 原 子 的 分 布 規(guī) 律 服 從 玻 爾 茲 曼 分

34、 布 規(guī) 律 。于 是 原 子 磁 矩 的 定 向 排 列 被 打 亂 ， 完 成 了 磁共 振 的 整 個(gè) 過(guò) 程 。 （ 二 ） 磁 共 振 作 用用 射 頻 場(chǎng) 打 亂 原 子 磁 矩 定 向 排 列 的 過(guò) 程 。 在 原 子 磁 矩 取 向 前 ， 吸 收 室 中 大 量 亞 穩(wěn) 態(tài) 正 氦 原子 吸 收 由 氦 燈 射 來(lái) 的 D線 ， 原 子 通 過(guò) 光 泵 作 用 將原 子 磁 矩 定 向 排 列 到 某 一 能 級(jí) 上 去 ， 這 時(shí) 透 過(guò) 吸收 室 的 光 線 相 對(duì) 較 少 ， 稱(chēng) 作 光 弱 (暗 )； 當(dāng) 原 子 磁矩 取 向 時(shí) 刻 ， 吸 收 室 內(nèi) 的 原 子

35、 磁 矩 已 排 列 好 ， 不再 吸 收 D線 ， 而 透 過(guò) 吸 收 室 的 光 相 對(duì) 變 強(qiáng) ， 稱(chēng) 作光 強(qiáng) (亮 )。 當(dāng) 發(fā) 生 磁 共 振 時(shí) ， 即 原 子 磁 矩 取 向 被打 亂 ， 吸 收 D線 產(chǎn) 生 光 泵 作 用 而 重 新 取 向 ， 此 時(shí)為 暗 。 若 能 測(cè) 量 出 通 過(guò) 吸 收 室 樣 品 光 線 最 暗 時(shí) 的射 頻 場(chǎng) 頻 率 ， 即 求 得 磁 共 振 （ 吸 收 ） 頻 率 。從 吸 收 室 光 的 強(qiáng) 或 弱 （ 即 從 光 學(xué) 檢 測(cè) ） 的 角 度 出發(fā) ， 分 析 光 泵 作 用 和 磁 共 振 作 用 的 全 過(guò) 程 。 2 3 4

36、5 8 9 1061 放 大 圖 2.2-6 He4光 泵 式 磁 敏 傳 感 器 的 組 成 框 圖1高 頻 激 發(fā) 振 蕩 器 ； 2氦 燈 ； 3透 鏡 1； 4偏 振 偏 ； 5 /4 ； 6吸 收 室 ； 7RF振 蕩 器 ； 8射 頻 線 圈 ； 9透 鏡 2； 10光 敏 元 件 7He4光 泵 式 磁 敏 傳 感 器 系 由 吸 收 室 、 氦 燈 、 兩 個(gè) 透 鏡 、偏 振 片 、 /4、 光 敏 元 件 等 元 器 件 組 成 。 三 、 光 泵 式 磁 敏 傳 感 器 的 組 成 及 工 作 原 理 首 先 將 測(cè) 磁 傳 感 器 置 于 被 測(cè) 外 磁 場(chǎng) 中 ，并

37、使 傳 感 器 的 軸 向 與 外 磁 場(chǎng) 方 向 平 行 ， 其 后將 高 頻 激 發(fā) 振 蕩 器 打 開(kāi) ， 激 發(fā) 氦 燈 使 發(fā) 出 D線 ；激 發(fā) He4吸 收 室 使 其 處 于 亞 穩(wěn) 狀 態(tài) 。 這 時(shí) 燈 發(fā) 出 的 D線 經(jīng) 過(guò) 透 鏡 將 D線 變 成 平行 光 ， 再 經(jīng) 偏 振 片 和 /4變 成 圓 周 極 化 光 ， 直射 至 吸 收 室 中 的 亞 穩(wěn) 態(tài) 正 氦 上 ， 正 氦 在 外 磁場(chǎng) 作 用 下 產(chǎn) 生 塞 曼 分 裂 ， 塞 曼 能 級(jí) 2s態(tài) 原 子 吸收 D線 ， 躍 遷 到 2P態(tài) 而 產(chǎn) 生 光 泵 作 用 。He4光 泵 式 磁 敏 傳 感

38、 器 的 工 作 原 理 光 泵 作 用 結(jié) 果 使 原 于 磁 矩 取 向 于 2s態(tài)某 一 磁 子 能 級(jí) 上 。 然 后 由 RF娠 蕩 器 提 供 給的 射 頻 能 量 ， 打 亂 亞 穩(wěn) 態(tài) 中 某 一 磁 子 能 級(jí)上 原 子 磁 矩 的 取 問(wèn) ， 產(chǎn) 生 磁 共 振 作 用 。 當(dāng)測(cè) 出 磁 共 振 時(shí) 射 頻 場(chǎng) 的 頻 率 f0， 即 可 求 出 被測(cè) 外 磁 場(chǎng) T的 大 小 。 由 前 所 述 ， 磁 共 振 頻 率 f0是 由 光 敏 元 件通 過(guò) 光 線 的 弱 或 強(qiáng) 的 變 化 來(lái) 檢 測(cè) ， 即 由 射頻 振 蕩 器 指 示 出 的 吸 收 室 最 暗 時(shí) 刻

39、 相 對(duì) 應(yīng)的 頻 率 ， 就 是 所 要 測(cè) 量 的 共 振 頻 率 f0。 四 、 磁 共 振 檢 測(cè) 方 法大 調(diào) 頻 法 ： 是 一 種 粗 略 地 觀 察 與 測(cè) 量 共 振 信 號(hào) 的 方 法 ，信 號(hào) 源 提 供 振 蕩 頻 率 接 近 于 共 振 頻 率 的 電 磁 波 ， 同 時(shí) 被一 個(gè) 鋸 齒 波 所 調(diào) 制 。 輸 給 樣 品 的 電 磁 波 振 蕩 頻 率 圍 繞 著中 心 頻 率 有 一 變 化 范 圍 。大 調(diào) 頻 法 、 大 調(diào) 場(chǎng) 法 、 小 調(diào) 頻 法調(diào) 制 信 號(hào) 頻 率 為 幾 Hz幾 十 Hz。要 求 ： 調(diào) 頻 幅 度 必 須 大 于 譜 線 寬 度

40、 ， 使 信 號(hào) 源 頻 率 變化 范 圍 覆 蓋 樣 品 共 振 區(qū) ， 故 稱(chēng) 大 調(diào) 頻 法 。 大 調(diào) 場(chǎng) 法 ： 在 觀 察 塞 曼 分 裂 能 級(jí) 之 間 的 共 振 吸 收 時(shí) （ 磁共 振 ） ， 也 可 用 固 定 頻 率 的 信 號(hào) 源 ， 通 過(guò) 改 變 恒 磁 場(chǎng) 的方 法 進(jìn) 行 ， 即 大 調(diào) 場(chǎng) 法 。小 調(diào) 頻 法 ： 用 兩 個(gè) 調(diào) 頻 信 號(hào) ， 一 個(gè) 是 調(diào) 頻 幅 度 小 于 譜 線線 寬 ， 稱(chēng) 為 小 調(diào) 頻 ， 由 正 弦 波 發(fā) 生 器 供 給 。 其 調(diào) 制 頻 率一 般 為 幾 十 Hz到 幾 百 Hz 。 另 一 個(gè) 調(diào) 頻 幅 度 大

41、于 譜 線 線寬 ， 稱(chēng) 為 慢 掃 頻 ， 它 由 慢 掃 頻 發(fā) 生 器 供 給 。 掃 頻 頻 率 與小 調(diào) 頻 的 調(diào) 制 頻 率 相 等 。 慢 掃 頻 使 信 號(hào) 源 的 振 蕩 頻 率 緩慢 通 過(guò) 共 振 區(qū) 。原 理 ： 當(dāng) 改 變 恒 磁 場(chǎng) 時(shí) ， 塞 曼 能 級(jí) 的 間 距 發(fā) 生 變 化 ， 當(dāng)磁 場(chǎng) 變 化 到 使 兩 塞 曼 能 級(jí) 間 的 能 量 差 滿(mǎn) 足 E=hf 時(shí) 發(fā) 生共 振 ,樣 品 吸 收 電 磁 波 功 率 。 五 、 氦 （ He4） 光 泵 式 磁 敏 傳 感 器 的 應(yīng) 用 He4跟 蹤 式 光 泵 磁 力 儀 方 框 圖數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 器 記 錄 器計(jì) 數(shù) 器 打 印 機(jī)倍 頻 器壓 控 振 蕩 器 低 頻 振 蕩 器 移 相 器選 頻 放 大 器 相 敏 檢 波 器 積 分 器He4傳 感 器高 頻 振 蕩 器是 一 種 根 據(jù) 小 調(diào) 頻 法 檢 測(cè) 磁 共 振 的 磁 力 儀