新型磁力仪

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【论文关键词】：磁力仪；光泵；超导SQUID；原子

【论文摘要】：对磁力仪未来发展进行了展望。重点介绍了：1.光泵磁力仪及其光源和共振元素的选择与设计2.超导技术的进步推动了超导量子干涉磁力仪的发展3.对处于研究、探索阶段的原子磁力仪进行了关注。

引言

目前，在空间、海洋、勘探、在医院和其它实验室中广泛的应用着各种磁力仪，用于测量地磁场以及生物磁场。在这些领域，新型的光泵磁力仪、超导磁力仪（SuperconductingQuantumInterferenceDevice,SQUID）；以及处于研究、试验阶段的固体电子自旋共振磁力仪（ElectronSpinResonance,ESP）、原子磁力仪（AtomicMagnetometer,AM）必将以其超高的精度担负起越来越重的任务。

过去测量磁场强度的单位是奥斯特(Oersted,Oe)，采用和推广国际单位制(SI)以后，测量磁感应强度(磁通量密度)的单位是特斯拉(Tesla,T)或高斯(Gaus,Gs)。它们之间的对应关系为1nT=10-9T=1gamma(γ)。特斯拉的换算关系为:1T(特斯拉)=109nT(纳特)=1012pT(皮特)=1015fT(飞特)=1018aT(阿特)［1］。

磁场强度曾经用过T、F、Be等几个符号表示，许多文献中曾采用F、Be。文章中为了规范、清晰采用国际标准单位T。

1.光泵磁力仪

光泵磁力仪是高灵敏的磁测设备。它是以某些元素的原子在外磁场中产生的蔡曼分裂为基础，并采用光泵技术与磁共振技术研制成的。

按照量子理论，在外磁场T中，具有自旋的亚原子粒子（如核子和电子）能级简并（degeneracy）解除，分裂为一些磁次能级（或称为蔡曼能级），在光谱上的表现，就是谱线分裂，这就是蔡曼效应，蔡曼因此获得1902(第二届)诺贝尔物理学奖。分裂的能级间的能量差一般与外界磁场成正比。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。

光泵磁力仪是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它灵敏度高，一般为0.01nT量级，理论灵敏度高达10－2-10－4nT;响应频率高，可在快速变化中进行测量;可测量地磁场的总向量T及其分量，并能进行连续测量。

光泵磁力仪的种类甚多。按共振元素的不同，可分为氦（He）光泵磁力仪和碱金属光泵磁力仪，共振元素有氦（He4）、铷（Rb85、Rb87）、铯（Cs133）、钾（K39）、汞（Hg）等。对碱金属而言，受温度影响较大，如铯（Cs133）元素在恒温430C左右，方可变成蒸汽状态，而只有在蒸汽状态时才能产生光泵作用。对He3、He4而言，因其本身是气体状态，无需加热至恒温，只需将它激励使其处于亚稳态，就能产生光泵作用。这些条件在设计与制造仪器时，必须予以重视。

光泵磁力仪未来的发展水平，主要取决于光泵光源及共振元素的发展程度。法国曾用可调谐的激光器代替常规的氦灯制成光泵磁力仪，由于谱线的选择性较好，激光又比氦灯的光要强，因此提高了磁力仪的灵敏度，达到10pT/Hz1/2。美国的R.Slcum博士利用二极管激光器作为氦同位素光泵磁力仪的光源，并申请了专利，与氦灯光源相比，灵敏度提高一个量级。最新的激光光泵氦（He4）磁力仪的灵敏度已突破1PT/Hz1/2的界限，达到0.4PT/Hz1/2，而用高频激发的灯室作为光泵的光源的氦4航空磁力仪达到了20pT/Hz1/2的灵敏度［2-3］。在共振元素的选择上，为了提高精度，需要选择谱线较窄的物质，碱金属符合谱线窄的要求，但需要一定的温度（40-55℃）加热为气态。现在已经有很多利用碱金属制成的磁力仪，前不久问世的钾磁力仪，由于谱线很窄又不重叠，方位误差很小，维修方便，分辨率达到0.1pT，在取样率为20Hz时，灵敏度可达到0.014nT。因此钾光泵磁力仪在光泵磁力仪中占有优势地位。当然随着灵敏度，取样率的提高，其价格也显著提高。

2.超导量子干涉磁力仪

超导量子干涉器件（SQUID）是上世纪60年代中期发展起来的一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器。它是以约瑟夫逊（Josephson）效应为理论基础，用超导材料制成的，是超导量子干涉磁力仪的核心。

SQUID由两个用很薄的绝缘体隔开的超导体而形成两个并联的约瑟夫松结（Josephsonjunction）组成。约瑟弗松获得1973年诺贝尔物理学奖，在此前一年（1972年）J.Bardeen、L.N.Cooper和J.R.Schrieffer三位物理学家由于共同研究建立解释超导现象的BCS理论获得诺贝尔物理学奖。

SQUID可以检测非常微弱的磁场，足以检测生物电流产生的微弱磁场，人类心脏产生的磁场约为10-10T（0.1nT），人脑的磁场约为10-13T（0.1pT）。如果有一个恒定的电流维持在SQUID中，则测得的电压随两个结上相位的变化而振荡，而相位的变化取决于磁通的变化。量子理论得出的十分重要的结论是，若有一超导体环路，则它包围的磁通量只能取Φ0的整数倍。

Φ0＝h/(2e)=2.0678506(54)×10-15Wb≈2.07×10-15Wb=2.07×nT.cm2

这就是磁通量的量子化，Φ0叫做磁通量量子。如果磁场发生变化，则Φ0的个数也跟着变化，对Φ0个数进行计数就可测得磁场值。超导磁力仪是矢量磁力仪，它测量垂直于超导环路平面的磁场[4]。

SQUID灵敏度极高，可达10-15T，比灵敏度较高的光泵磁力仪要高出几个数量级；它测量范围宽，可从零场测量到数千特斯拉；其响应频率可从零响应到几千兆赫。这些特性均远远超过常用的磁通门磁力仪和质子旋进磁力仪。

量子超导磁力仪具有高精度、高灵敏度的同时不足之处也相对十分明显，超导材料自身易碎、不易加工，成本极其昂贵且SQUID磁测仪器要求在低温条件下工作、需要昂贵的液氦（或液氮）和制冷设备，这给SQUID磁测技术的广泛应用带来许多困难。在超导领域的这场竞争中，世界各国都在不断探索，超导从低温向高温的方向进步，同时生产设备和技术也持续的提高。可以预计，量子超导干涉磁力仪随着超导技术的发展将会在许多领域中得到更广泛的应用。

3.原子磁力仪

获得1997年诺贝尔物理学奖的法国物理学家科恩-唐努吉（ClaudeCohen-Tannoudji）指出，原子磁力仪是通过测量所含电子自旋已被极化的原子在磁场中的进动(旋进)来实现的。最近美国普林斯顿大学物理系M．v．Romalis教授和位于西雅图的华盛顿大学物理系的J.C.Allred等研制成一种完全利用光学方法测量磁场的新型原子磁力仪，因此有人将这种磁力仪称为全光学磁力仪(allopticalatomicmagnetometer)。

首先由激光器产生一定频率的偏振激光束照射气态钾原子，使钾原子跃迁到高能级产生极化，待测的外磁场使原子的极化发生变化，从而原子的磁矩绕着磁场方向进动(旋进)，用另一束激光来检测上述变化。即可测定磁场，磁力仪的核心是一个充满了气态钾原子和缓冲气体氦的气室。用一束起光泵作用的圆偏振高功率的激光照射气室，钾原子最外层未配对的价电子吸收激光后进入自旋极化状态．电子的自旋指向圆偏振方向。此时用一个单频二极管激光器发出一束垂直于光泵激光束的取样激光，检测电子自旋在待测磁场中进动（旋进）时电子自旋的取向，取样激光少许离开钾的共振频率，并且当它通过极化了的气态钾时，激光偏振角会转动。转动的角度与自旋指向取样光束的角度成比例。将取样光束聚焦投射到光电二极管阵列上。即可形成磁场的图像［5］。M.V.Romalis等指出，根据量子力学的测不准原理（uncertaintyprinciple,或不确定性原理），原子磁力仪的极限灵敏度δB＝1/（γ(nT2Vt)1/2），式中γ是旋磁比，n是单位体积内工作物资的原子数，T2是横向弛豫(自旋驰豫)时间，V是体积，t是测量时间。由上式可见，在γ、t给定的条件下，要提高灵敏度，必须让n、T2达到尽可能大的数值．而为了提高空间分辨率，V又不能取很大的数值。

M．v．Romalis教授等研制的量子磁力仪正是巧妙的提高了n与T。M.V.Romalis等把钾原子密度增加到n≈6×1013cm-3,是通常的10000倍，并加进大密度（2.9atm）的氦作为缓冲等方法，避免了自旋弛豫，即保持大的T2数值，获得提高测量磁场的灵敏度和空间分辨率的优异成果。灵敏度达到0.54fT/Hz1/2，经过改进后还可提高10-2-10-3fT/Hz1/2，空间分辨率达到毫米级。在弱磁场中工作时．这种磁力仪的灵敏度可能达到10-18T的数量级，那将比SQUID灵敏1000倍，更为重要的是这种磁力仪不需要低温条件。受M.V.Romalis教授等研制的新型原子磁力仪的启发，目前美国已经有公司提出根据频率调制磁学-光学转动原理设计灵敏磁力仪,转动率与磁场成比例,用极化测定方法测量[4][6]。

新型原子磁力仪可用于物理学基本理论的研究，高精度地质调查和油、气等矿产普查，生物磁学研究。前已提及,现在光泵磁力仪已成功地测绘出心脏产生的磁场,磁场幅度为0.1nT，人脑的磁场很弱,只有几个fT。高灵敏度的原子磁力仪,在绘制心磁图、脑磁图作医学诊断乃至是生物磁测、空间磁测，军事侦察等领域，无疑是非常合适的，但仍需进行完善才适应实际应用的需要。

结束语:

虽然现在许多小巧的新兴磁敏传感器（如霍尔磁敏传感器，巨磁阻传感器等）也十分活跃，但其精度远不能与文中涉及的磁力仪相比较。随着磁力仪的发展，磁场探测精度的提高，新兴学科--磁法应用有着广泛的发展空间。

参考文献

[1]张昌达.量子磁力仪研究与开发近况.物探与化探.2005年8月第29卷第4期：283-287.

[2]SlocumRE,SchearerLD,TinP,etal.Nd:LNAlaseropticalpumpingof4He-Applicationtospacemagnetometers[J].Jour-nalofAppliedPhysics,1988,64:6615-6617.

[3]GilesH,HamelJ,ChéronB.Laserpumped4Hemagnetometer[J].ReviewofScientificInstruments,2001,72(5):2253-2260.

[4]张昌达，董浩斌.量子磁力仪评说.工程地球物理学报.2004年12月第1卷第6期：499-506.

[5]DmitryBudker.Anewspinonmagnetometry[J].Nature,2003,422(6932):574-575.

[6]SeltzerSJ,RomalisMV.Unshieldedthree-axisvectoroperationofaspin-exchange-relaxation-freeatomicmagnetometer[J].AppliedPhysicsLetters,2004,85(20):4804-4806.