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作者：何志偉 渠珊珊
【關(guān)鍵詞】：磁力儀；光泵；超導(dǎo)SQUID；原子
【摘要】：對磁力儀未來發(fā)展進(jìn)行了展望。重點(diǎn)介紹了：1.光泵磁力儀及其光源和共振元素的選擇與設(shè)計(jì)2.超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了超導(dǎo)量子干涉磁力儀的發(fā)展3.對處于研究、探索階段的原子磁力儀進(jìn)行了關(guān)注。
引言
目前，在空間、海洋、勘探、在醫(yī)院和其它實(shí)驗(yàn)室中廣泛的應(yīng)用著各種磁力儀，用于測量地磁場以及生物磁場。在這些領(lǐng)域，新型的光泵磁力儀、超導(dǎo)磁力儀（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）；以及處于研究、試驗(yàn)階段的固體電子自旋共振磁力儀（Electron Spin Resonance ,ESP）、原子磁力儀（Atomic Magnetometer, AM）必將以其超高的精度擔(dān)負(fù)起越來越重的任務(wù)。
過去測量磁場強(qiáng)度的單位是奧斯特(Oersted,Oe)，采用和推廣國際單位制(SI)以后，測量磁 感 應(yīng) 強(qiáng)度( 磁 通量密度)的 單 位 是 特 斯 拉(Tesla,T)或高斯(Gaus ,Gs)。 它們之間的對應(yīng)關(guān)系為1nT= 10-9 T = 1gamma(γ)。特 斯 拉的換算關(guān)系為:1T(特斯拉)= 109nT (納特)=1012pT(皮特)=1015fT(飛特)=1018aT(阿特)［1］。
磁場強(qiáng)度曾經(jīng)用過T、F、Be等幾個(gè)符號表示，許多文獻(xiàn)中曾采用F、Be。文章中為了規(guī)范、清晰采用國際標(biāo)準(zhǔn)單位T。
�。�.光泵磁力儀
光泵磁力儀是高靈敏的磁測設(shè)備。它是以某些元素的原子在外磁場中產(chǎn)生的蔡曼分裂為基礎(chǔ)，并采用光泵技術(shù)與磁共振技術(shù)研制成的。
按照量子理論，在外磁場T中，具有自旋的亞原子粒子（如核子和電子）能級簡并（degeneracy）解除，分裂為一些磁次能級（或稱為蔡曼能級），在光譜上的表現(xiàn)，就是譜線分裂，這就是蔡曼效應(yīng)，蔡曼因此獲得1902(第二屆)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。分裂的能級間的能量差一般與外界磁場成正比。當(dāng)粒子在分裂的能級間發(fā)生躍遷時(shí)，就會(huì)發(fā)射或吸收電磁波，其頻率與磁次能級間的能量差成正比，測定這個(gè)電磁波的頻率，即可測定磁場。
光泵磁力儀是目前實(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儀器。它靈敏度高，一般為0.01nT量級，理論靈敏度高達(dá)10－２-10－４nT;響應(yīng)頻率高，可在快速變化中進(jìn)行測量;可測量地磁場的總向量T及其分量，并能進(jìn)行連續(xù)測量。
光泵磁力儀的種類甚多。按共振元素的不同，可分為氦（He）光泵磁力儀和堿金屬光泵磁力儀，共振元素有氦（He4）、銣（Rb85、Rb87）、銫（Cs133）、鉀（K39）、汞（Hg）等。對堿金屬而言，受溫度影響較大，如銫（Cs133）元素在恒溫430C左右，方可變成蒸汽狀態(tài)，而只有在蒸汽狀態(tài)時(shí)才能產(chǎn)生光泵作用。對He3、He4而言，因其本身是氣體狀態(tài)，無需加熱至恒溫，只需將它激勵(lì)使其處于亞穩(wěn)態(tài)，就能產(chǎn)生光泵作用。這些條件在設(shè)計(jì)與制造儀器時(shí)，必須予以重視。
光泵磁力儀未來的發(fā)展水平，主要取決于光泵光源及共振元素的發(fā)展程度。法國曾用可調(diào)諧的激光器代替常規(guī)的氦燈制成光泵磁力儀，由于譜線的選擇性較好，激光又比氦燈的光要強(qiáng)，因此提高了磁力儀的靈敏度，達(dá)到10pT/Hz1/2。美國的R.Slcum博士利用二極管激光器作為氦同位素光泵磁力儀的光源，并申請了專利，與氦燈光源相比，靈敏度提高一個(gè)量級。最新的激光光泵氦（He4）磁力儀的靈敏度已突破１PT/Hz1/2的界限，達(dá)到0.4 PT/Hz1/2，而用高頻激發(fā)的燈室作為光泵的光源的氦４航空磁力儀達(dá)到了20pT/Hz1/2的靈敏度［2-3］。在共振元素的選擇上，為了提高精度，需要選擇譜線較窄的物質(zhì)，堿金屬符合譜線窄的要求，但需要一定的溫度（40-55℃）加熱為氣態(tài)�，F(xiàn)在已經(jīng)有很多利用堿金屬制成的磁力儀，前不久問世的鉀磁力儀，由于譜線很窄又不重疊，方位誤差很小，維修方便，分辨率達(dá)到0.1pT，在取樣率為20Hz時(shí)，靈敏度可達(dá)到0.014nT。因此鉀光泵磁力儀在光泵磁力儀中占有優(yōu)勢地位。當(dāng)然隨著靈敏度，取樣率的提高，其價(jià)格也顯著提高。
�。�.超導(dǎo)量子干涉磁力儀
超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）是上世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來的一種新型的靈敏度極高的磁敏傳感器。它是以約瑟夫遜（Josephson）效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，用超導(dǎo)材料制成的，是超導(dǎo)量子干涉磁力儀的核心。
SQUID由兩個(gè)用很薄的絕緣體隔開的超導(dǎo)體而形成兩個(gè)并聯(lián)的約瑟夫松結(jié)（Josephson junction）組成。約瑟弗松獲得1973年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，在此前一年（1972年）J.Bardeen、L.N.Cooper 和J.R.Schrieffer三位物理學(xué)家由于共同研究建立解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的BCS理論獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
SQUID可以檢測非常微弱的磁場，足以檢測生物電流產(chǎn)生的微弱磁場，人類心臟產(chǎn)生的磁場約為10-10T（0.1nT），人腦的磁場約為10-13T（0.1pT）。如果有一個(gè)恒定的電流維持在SQUID中，則測得的電壓隨兩個(gè)結(jié)上相位的變化而振蕩，而相位的變化取決于磁通的變化。量子理論得出的十分重要的結(jié)論是，若有一超導(dǎo)體環(huán)路，則它包圍的磁通量只能取Φ0的整數(shù)倍。
Φ0＝h/(2e)=2.0678506(54)×10-15Wb≈2.07×10-15 Wb =2.07×nT.cm2
這就是磁通量的量子化，Φ0叫做磁通量量子。如果磁場發(fā)生變化，則Φ0的個(gè)數(shù)也跟著變化，對Φ0個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)就可測得磁場值。超導(dǎo)磁力儀是矢量磁力儀，它測量垂直于超導(dǎo)環(huán)路平面的磁場[4]。
SQUID靈敏度極高，可達(dá)10-15T，比靈敏度較高的光泵磁力儀要高出幾個(gè)數(shù)量級；它測量范圍寬，可從零場測量到數(shù)千特斯拉；其響應(yīng)頻率可從零響應(yīng)到幾千兆赫。這些特性均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常用的磁通門磁力儀和質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀。
量子超導(dǎo)磁力儀具有高精度、高靈敏度的同時(shí)不足之處也相對十分明顯，超導(dǎo)材料自身易碎、不易加工，成本極其昂貴且SQUID磁測儀器要求在低溫條件下工作、需要昂貴的液氦（或液氮）和制冷設(shè)備，這給SQUID磁測技術(shù)的廣泛應(yīng)用帶來許多困難。在超導(dǎo)領(lǐng)域的這場競爭中，世界各國都在不斷探索，超導(dǎo)從低溫向高溫的方向進(jìn)步，同時(shí)生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)也持續(xù)的提高�？梢灶A(yù)計(jì)，量子超導(dǎo)干涉磁力儀隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展將會(huì)在許多領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。
�。�.原子磁力儀
獲得1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的法國物理學(xué)家科恩-唐努吉（Claude Cohen-Tannoudji）指出，原子磁力儀是通過測量所含電子自旋已被極化的原子在磁場中的進(jìn)動(dòng)(旋進(jìn))來實(shí)現(xiàn)的。最近美國普林斯頓大學(xué)物理系M．v．Romalis教授和位于西雅圖的華盛頓大學(xué)物理系的J.C.Allred等研制成一種完全利用光學(xué)方法測量磁場的新型原子磁力儀，因此有人將這種磁力儀稱為全光學(xué)磁力儀(alloptical atomic magnetometer)。
首先由激光器產(chǎn)生一定頻率的偏振激光束照射氣態(tài)鉀原子，使鉀原子躍遷到高能級產(chǎn)生極化，待測的外磁場使原子的極化發(fā)生變化，從而原子的磁矩繞著磁場方向進(jìn)動(dòng)(旋進(jìn))，用另一束激光來檢測上述變化。即可測定磁場，磁力儀的核心是一個(gè)充滿了氣態(tài)鉀原子和緩沖氣體氦的氣室。用一束起光泵作用的圓偏振高功率的激光照射氣室，鉀原子最外層未配對的價(jià)電子吸收激光后進(jìn)入自旋極化狀態(tài)．電子的自旋指向圓偏振方向。此時(shí)用一個(gè)單頻二極管激光器發(fā)出一束垂直于光泵激光束的取樣激光，檢測電子自旋在待測磁場中進(jìn)動(dòng)（旋進(jìn)）時(shí)電子自旋的取向，取樣激光少許離開鉀的共振頻率，并且當(dāng)它通過極化了的氣態(tài)鉀時(shí)，激光偏振角會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與自旋指向取樣光束的角度成比例。將取樣光束聚焦投射到光電二極管陣列上。即可形成磁場的圖像［5］。
M.V.Romalis等指出，根據(jù)量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理（uncertainty principle,或不確定性原理），原子磁力儀的極限靈敏度δB＝１/（γ(nT2Vt)1/2），式中γ是旋磁比， n是單位體積內(nèi)工作物資的原子數(shù)，T2是橫向弛豫(自旋馳豫)時(shí)間，V是體積，t是測量時(shí)間。由上式可見，在γ、t給定的條件下，要提高靈敏度，必須讓n、T2達(dá)到盡可能大的數(shù)值．而為了提高空間分辨率，V又不能取很大的數(shù)值。
M．v．Romalis教授等研制的量子磁力儀正是巧妙的提高了n與T。M.V.Romalis等把鉀原子密度增加到n≈6×1013cm-3,是通常的10000倍，并加進(jìn)大密度（2.9atm）的氦作為緩沖等方法，避免了自旋弛豫，即保持大的T２數(shù)值，獲得提高測量磁場的靈敏度和空間分辨率的優(yōu)異成果。靈敏度達(dá)到0.54fT/Hz1/2，經(jīng)過改進(jìn)后還可提高10-2-10-3fT/Hz1/2，空間分辨率達(dá)到毫米級。在弱磁場中工作時(shí)．這種磁力儀的靈敏度可能達(dá)到10-18T的數(shù)量級，那將比SQUID靈敏1000倍，更為重要的是這種磁力儀不需要低溫條件。受M.V.Romalis教授等研制的新型原子磁力儀的啟發(fā)，目前美國已經(jīng)有公司提出根據(jù)頻率調(diào)制磁學(xué)-光學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)靈敏磁力儀,轉(zhuǎn)動(dòng)率與磁場成比例,用極化測定方法測量[4][6]。
新型原子磁力儀可用于物理學(xué)基本理論的研究，高精度地質(zhì)調(diào)查和油、氣等礦產(chǎn)普查，生物磁學(xué)研究。前已提及,現(xiàn)在光泵磁力儀已成功地測繪出心臟產(chǎn)生的磁場,磁場幅度為0.1nT，人腦的磁場很弱,只有幾個(gè)fT。高靈敏度的原子磁力儀,在繪制心磁圖、腦磁圖作醫(yī)學(xué)診斷乃至是生物磁測、空間磁測，軍事偵察等領(lǐng)域，無疑是非常合適的，但仍需進(jìn)行完善才適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需要。
結(jié)束語:
雖然現(xiàn)在許多小巧的新興磁敏傳感器（如霍爾磁敏傳感器，巨磁阻傳感器等）也十分活躍，但其精度遠(yuǎn)不能與文中涉及的磁力儀相比較。隨著磁力儀的發(fā)展，磁場探測精度的提高，新興學(xué)科--磁法應(yīng)用有著廣泛的發(fā)展空間。
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