Лекция: Квантові перетворювачі

При вимірюванні магнітних величин із застосуванням індук­ційних, фероіндукційних або гальваномагнітних перетворювачів похибка вимірювання1 в кращому випадку може бути зведена до 19/6. Сучасна техніка, зокрема техніка магнітних вимірювань в ядерних реакторах, при дослідженнях магнітного поля Землі, вимагає значно вищої точності. З похибкою до 0,01 — 0,005% і мен­шою можна вимірювати магнітні величини з допомогою квантових вимірювальних перетворювачів (ядерних, атомних і електронних).

Ядерні перетворювачі грунтуються на використанні ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Відомо, що для ядер атомів багатьох речовин механічний момент кількості руху ядра 7 і його магнітний момент jin збігаються за напрямком і пов'язані залежністю

де γ — гідромагнітне відношення ядра, значення якого як фізичної константи відоме з точністю до 10~4%.

При дії на елементарний одиночний магнітний диполь ядра зовнішнього магнітного поля Н (рис. 163), напрямленого під деяким кутом до вектора f*n, спостерігається безперервна регулярна прецесія вектора \ІПнавколо напрямку цього поля. При цьому частота пре­цесії, що носить назву Ларморової, пов'язана з зовнішнім магнітним полем залежністю

Проте слід зазначити, що безперервна регулярна прецесія е можливою лише для одиночного, не зв'язаного з навколишнім середовищем ядра, тобто при відсутності втрат. У ідеальному випад­ку, коли магнітні моменти групи ізольованих ядер збігатимуться за напрямком, а їх сумарний момент дорівнюватиме М = ∑µпі-, ви­користовуючи метод ядерної індукції (рис. 164), можна було б на затискачах котушки L спостерігати появу е. р. с. з частотою о)0. Поява такої е. р. с. пояснюється зміною потокозчеплення, зумовле­ною зміною в часі проекції на вісь котушки вектора магнітного моменту групи ядер.

В дійсності ядерні моменти атомів орієнтовані в просторі по-різному і їх сумарний магнітний момент дорівнює нулю. Дія зовнішнього магнітного поля зводиться до орієнтації сумарного магнітного моменту одиниці об'єму речовини в напрямі поля Н, тобто до ядерної намагніченості Мй = k0H, де ka— статична па­рамагнітна сприйнятливість.

Для спостереження сигналу прецесії речовину можна поляризувати, наприклад, з допомогою сильного магнітного поля, вектор якого Нр напрямлений під деяким кутом до вектора досліджува­ного поля. При поляризації ядерна намагніченість зростає до значення М = k0(H + Нр). Після зникнення поля поляризації вектор М починає прецесувати довкола вектора Н, зменшуючись за модулем поступово до Мйчерез наявність втрат. Отже, поляри­зація дає змогу збільшити амплітуду сигналу прецесії за рахунок збільшення ядерної намагніченості. Але частота прецесії і в цьому випадку визначається тільки напруженістю досліджуваного поля Н. Зменшення проекції вектора М здійснюється за експоненці­альним законом з сталою часу Т1, яка називається сталою поз­довжньої релаксації. Для виникнення ядерної прецесії треба, щоб час, протягом якого поляризуюче поле зменшилось до нуля, був значно меншим за Т1. Крім того, час поляризації має бути більшим за Ті, щоб ядерна намагніченість досягла усталеного значення і була орієнтована вздовж поля Нр.

При встановленні нової орієнтації ядерного магнітного мо­менту змінюється й проекція вектора М в горизонтальній площині. При вільній прецесії ця зміна відбувається за експоненціальним законом з сталою часу Т2, що називається сталою поперечної релак­сації. Отже, в реальних умовах сигнал вільної прецесії має зату­хаючий характер.

Поряд з методом ядерної індукції використовують й інші методи визначення частоти прецесії. Наприклад, метод ядерного

резонансного поглинання, при якому на речовину одночасно діють вимірюване поле Н і перпендикулярне до нього високочас­тотне Я_, частоту якого можна змінювати. ' Коли частоти прецесії протонів і частоти змінного підмагнічуючого поля збігаються, то має місце явище поглинання енергії протонами і, як наслідок цього, зменшення амплітуди генерованих високочастотних ко­ливань.

Перетворювачі електронного парамаг­нітного резонансу (ЕПР) грунтуються на використанні резонансу електронів тих речовин, атоми яких мають неспарені електрони, завдяки чому елект­ронна оболонка має магнітний дипольний момент. Гіромагнітне відно­шення електрона γe = е/2тес (е і те— заряд і маса електрона; с — швидкість світла) приблизно в 103 разів більше за гіромаг­нітне відношення протона. Отже, і частота електронного парамаг­нітного резонансу в стільки ж разів більша від частоти ядерного магнітного резонансу. Сигнал ЕПР на декілька порядків переви­щує сигнал ЯМР. Це дає змогу застосувати перетворювачі ЕПР для вимірювання дуже малих напруженостей магнітного поля. Правда, похибки ЯМР-перетворювачів можуть бути в декілька разів більшими, ніж похибки ^ЛІР-перетворювачів. Методика і апаратура для виявлення частоти резонансу подібна до методики і апаратури для досліджень при ЯМР.

В атомних перетворювачах використовують прецесію магніт­них моментів атомів. При застосуванні таких перетворювачів у слабких магнітних полях для збільшення резонансного сигналу можна використати метод оптичної орієнтації атомів деяких речо­вин, що перебувають у газоподібному чи пароподібному стані. На цьому принципі грунтуються атомні квантові перетворювачі з оптичним накачуванням.

Оптична орієнтація магнітних моментів можлива для атомних систем, які крім енергетичних рівнів 1 і 2 (рис. 165), утворених зовнішнім постійним магнітним полем, мають енергетичний рівень З, віддалений від рівнів 1 і 2 оптичним переходом. Якщо опромі­нювати такі атомні системи світлом, що випромінює кванти енергії fonh (h — стала Планка; /оп — частота світла), які дорівнюють різниці енергій рівнів 3 і / (Е3— Ег), то відбувається орієнтація атомів і їх перехід з енергетичного рівня 1 на рівень 3. Така орієн­тація супроводжується поглинанням світла.

З рівня 3 атоми можуть перейти на рівень 2 або 1. При цьому перехід з рівня 2 на 1 відбувається лише під дією теплового руху, а стала часу переходу на декілька порядків вища від сталої часу переходу з рівня 3 на 2. Таким чином, в результаті такого меха­нізму переходів майже всі атоми з рівня 1 перейдуть через рівень З на рівень 2. Поглинання світла тоді припиниться, і газ матиме максимальну оптичну прозорість.

Якщо на газ додатково подіяти високочастотним магнітним полем, що випромінює кванти енергії fph = Е2 — Е1 частотою fp, яка дорівнює частоті прецесії атомів у цьому магнітному полі, то це приведе до переходу атомів з рівня 2 на /. Газ знову почне поглинати світло, і його прозорість зменшиться. Вимірюючи частоту високочастотного магнітного поля, при якій наступає змен­шення прозорості газу, можна визначити напруженість досліджу­ваного зовнішнього магнітного поля. В атомних перетворювачах звичайно використовується резонанс атомів рубідію, цезію, гелію.