Электромагнитные поля в биосфере. Том 1 - Красногорская Н.
Скачать (прямая ссылка):
Для увеличения чувствительности ядерных магнитометров до сотых долей нанотеслы наиболее эффективным методом являются, по-видимому, фазовый метод измерения^встоты сигнала прецессии. Описание фазового метода измерения частоты и анализ погрешностей магнитометра, работающего таким методом, даны в /377. Протонный магнитометр Ш-001, разработанный за пооледние годы, отличаетоя высокой помехоустойчивостью датчика /38/. Прибор прошел всесторонние испытания и успешную проверку в Институте метрологии (ВНИШ). Разрешающая способность магнитометра 0,2 нТл. Во всем диапазоне измеряемых полей (от 30 до 80шТл) среднеквадратическая погрешность составила ±0,5 нТл, не превышая ни в одном диапазоне 1,1 нТл.
Расомотрим магнитометры с оптической ориентацией (накачкой) атомов.
В магнитометрах, основанных на прецессии атомных магнитных моментов щелочных металлов и гелия в газообразном состоянии, поляризация магнитных моментов атомов осуществляется с помощью оптического излучения или спинового обмена, а детектирование магнитного резонанса производится по изменению интенсивности и поляризации излученного атомами света /36/. Измерение МП сводится к измерению частоты перехода между зеемановскими подуровнями атомов, ориентированных методом оптической накачки. В магнитометрах используются эффекты взаимодействия атомов рабочего вещества
(пары рубидия, цезия ели гелия) о ЭМП двух диапазонов частот; радио ш оптического. В силу дискретности энергетических уровней атома это взаимодействие носит резонансный характер.
Переход с одного уровня энергии на другой совершается при поглощении или иопускании атомом кванта электромагнитной энергии. Для получения перехода предварительно создается большая разность населенностей зееманов-ских подуровней атомов путем поляризации возбуждающего света; такое состояние одновременно соответствует определенной ориентации атомов относительно МП. Теория магнитного резонанса для оптически ориентированной системы магнитных моментов атома приведена в /36/.
Простейшей схемойпостроения датчика квантового самогенерируицего магнитометра является однокамерная схема с самогенерацией на частоте зеемансвского перехода /397. В магнитометре с одной камерой поглощения в момент магнитного резонанса (момент совпадения частоты наложенного радиополя о частотой прецессии оптически накачанных атомов газа рабочего вещества) возникает соответствующая модуляция проходящего сквозь камеру света на резонансной частоте. Амшштуда выходного сигнала такого магнитометра пропорциональна произведению SiriQ COS 9 , где 0 -угол мезду оптичеокой ооью датчика и направлением измеряемого поля.
В соответствии с этим прибор имеет так называемые "мертвые" зоны, ориентированные вдоль ( & = 0) и перпендикулярно ( О = 90) оптической оси датчика. Это создает значительные неудобства при измерении с подвижных платформ и приводит к уменьшению точности измерений или к необходимости использовать дополнительные ориентирующие сиотемы для сохранения положения датчика относительно направления магнитного тля. Применение многокамерных датчиков хотя и улучшает положение, но приводит к значительному усложнению аппаратуры /397.
Уменьшение ориентационных погрешностей может быть получено либо при помощи системы автоподстройки частоты генерации на центр линии магнитного резонанса в самогенерируицем датчике, либо введением автоподстройки самогенерируицего магнитометра по опорному датчику /39,407. Квантовый магнитометр без "мертвых" зон ориентации разработан на основе двух функциональных схем магнитометров с различными ориентационными зависимостями, объединенных общей оптической системой /4|7.
Магнитометры с оптичеокой ориентацией атомов щелочных металлов имеют рад положительных качеств, благодаря которым они находят црименение в его физических и других исследованиях: большие значения отношения . сигнала к шуму и высокая чувствительность (до PICT4 нТл), широкий динамический диапазон, перекрываемый без переключений, высокое быстродействие /36,427. У квантовых цезиевых магнитометров, выпускаемых СКБ ФП АН СССР /437, разрешающая способность ооставляет от I до 0,01 нТл; результаты измерений регистрируются одновременно в цифровой и аналоговой формах. Такие магнитометры использовались в поисках погребенных ферромагнитных предметов при археологических раскопках Д47 и для
измерений МП биообъектов/39_/(см. также п„1.5 наст.гл.). Квантовым цезие-вым магнитометром ВДй-I были выполнены измерения с ИСЗ ."Космос-321" по программе Мировой магнитной съемки /337.
Дня компонентных измерений ШП необходима дополнительная специальная колечная система /45,46/, которая обеспечивает измерения проекций полного вектора напряженности ШП в геофизической (геомагнитной) системе координат либо в системе координат, связанной с движущимся объектом /43,45/. Применение дифференциальной схемы включения магнитометров о оптической ориентацией атомов сделало возможными измерения градиентов МП , проведение исследований влияния берегового эффекта на геомагнитные вариации /7,47/.
Кроме рассмотренных выше квантовых магнитометров, использующих в качестве рабочего вещества пары щелочных металлов, разработан квантовый гелиевый самогенерирунций магнитометр с оптической накачкой мета-стабильных атомов гелия /1о/. Гелиевый магнитометр не уступает им по чувствительности, а по ряду параметров (линейная зависимость межпу измеряемым МП и частотой регистрируемого сигнала, симметричность резонансной линии) их превосходит.
