《磁敏傳感器 學(xué)習(xí)教案》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《磁敏傳感器 學(xué)習(xí)教案（34頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、會(huì)計(jì)學(xué)1磁敏傳感器磁敏傳感器 第一頁(yè)，共34頁(yè)。 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器是利用質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器是利用(lyng)質(zhì)子在外磁場(chǎng)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。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)、原子排列和化學(xué)價(jià)的性質(zhì)分析得知(d zh)：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)子一、質(zhì)子(zhz)(zhz)旋進(jìn)式磁敏傳感器的測(cè)磁旋進(jìn)式磁敏傳感器的測(cè)磁原理原理質(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)第一節(jié) 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器質(zhì)子旋進(jìn)
2、式磁敏傳感器第1頁(yè)/共34頁(yè)第二頁(yè)，共34頁(yè)。從經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)觀點(diǎn)(gundin),此公式的來源均能得以論證。 為方便起見，在此采用經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)，分析直角坐標(biāo)系中質(zhì)子(zhz)磁矩的旋進(jìn)情況。設(shè)質(zhì)子(zhz)磁矩M在外磁場(chǎng)T作用下有一力矩MT，于是，它和陀螺一樣，其動(dòng)量矩的變化率等于外加力矩，即：PMpTMdtPdTMdtPddtMdPPPzyxzyxTTTMMMkji動(dòng)量矩變化率第2頁(yè)/共34頁(yè)第三頁(yè)，共34頁(yè)。磁矩三個(gè)分量(fn ling)xyyxPzzxxzPyyzzyPxTMTMdtdMTMTMdtdMTMTMdtdM0dtdMTMdtdMTMdtdMzxPyyPx設(shè)Tz=T(外
3、磁場(chǎng)(cchng)；Tx=0；Ty =0對(duì)上式中的第一(dy)式微分xPyPxMTTdtdMdtMd222202222xPxMTdtMd顯然，為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方程，其解為常數(shù)zPyPxMTtAMTtAM)sin()cos(同理第3頁(yè)/共34頁(yè)第四頁(yè)，共34頁(yè)。zxyMzMMyMx磁矩 M 旋進(jìn)(xun jn)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(tuyng)是不變的；磁矩M在x軸上的投影(tuyng)是按余弦規(guī)律變化的；磁矩M在y軸上的投影(tuyng)是按正弦規(guī)律變化的。由圖看出： 磁矩M在xy平面上的投影的絕對(duì)值是一個(gè)(y )常數(shù)，并且在xy平面上旋進(jìn)。AMMMyx22常
4、數(shù)第4頁(yè)/共34頁(yè)第五頁(yè)，共34頁(yè)。 綜合起來看，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)(y )圓錐體，旋進(jìn)的角頻率為，稱為拉莫爾頻率（Larmor frequency）。 根據(jù)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)(jin xi yn dn)方程，可得到： 即： 將此值代入上式HzTfnTfT8 .42574874.23TfP2p=（2.675130.00002）S-1T-1可見，頻率f與磁場(chǎng)T成正比，只要能測(cè)出頻率f，即可間接(jin ji)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
5、馳豫時(shí)間的，信號(hào)也是衰減的。f2TP第5頁(yè)/共34頁(yè)第六頁(yè)，共34頁(yè)。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(ciq)特殊方法：二、磁場(chǎng)的測(cè)量二、磁場(chǎng)的測(cè)量(cling)與旋進(jìn)與旋進(jìn)信號(hào)信號(hào)在核磁共振(gngzhn)中，共振(gngzhn)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)方法來建立質(zhì)子宏觀磁矩，以增強(qiáng)信號(hào)幅度。具體作法是:用圓柱形玻璃容器裝滿水
6、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。第6頁(yè)/共34頁(yè)第七頁(yè)，共34頁(yè)。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(xngchng)宏觀磁矩，如下圖所示。 預(yù)極化法示意圖H*MMMHT當(dāng)質(zhì)子磁矩在旋進(jìn)過程中切割線圈，使線圈環(huán)繞面積(min j)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(zhz)磁矩則以拉莫爾旋進(jìn)頻率繞外磁場(chǎng)旋進(jìn)。第7頁(yè)/共34頁(yè)第八頁(yè)，共34頁(yè)。M 若測(cè)出感應(yīng)電壓的頻率(pnl)，就可計(jì)算出外磁場(chǎng)的大
7、小。因?yàn)闃O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0.510-4T，極化場(chǎng)H的磁感強(qiáng)度為10010-4 T，則可使信噪比增大200倍。= Tt2t在自由旋進(jìn)的過程中，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)(xnho)，也是以t2為時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律衰減的。M衰減衰減(shui jin)示意圖示意圖感應(yīng)信號(hào)衰減示意圖xy第8頁(yè)/共34頁(yè)第九頁(yè)，共34頁(yè)。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,使線圈軸向與外磁場(chǎng)方向大致垂直,線圈中通(zhn tn)以 13A的電流,而形成約0.01T的
8、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(zhz)旋進(jìn)式磁敏傳感器蒸餾水T計(jì)數(shù)器放大器線圈(xinqun)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)值與方向均來不及變化,弛豫過程來不及影響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)的過程中，周期性切割測(cè)量線圈，產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。由于弛豫過程的作用，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：第9頁(yè)/共34頁(yè)第十頁(yè)，共34頁(yè)。tSMWVsin410080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)(xun jn)感應(yīng)信
9、號(hào)的電壓幅值和sin2成比例。又考慮到旋進(jìn)(xun jn)信號(hào)按指數(shù)規(guī)律衰減的特點(diǎn),其感應(yīng)信號(hào)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(min j)為S,充填因子為,則角的大小只影響質(zhì)子旋進(jìn)信號(hào)(xnho)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，探頭無需嚴(yán)格定向。=900時(shí)，信號(hào)(xnho)最大。質(zhì)子旋進(jìn)信號(hào)強(qiáng)度2/208sinsin410tttteSMWV2/0ttteVVt2橫向馳豫時(shí)間； V0信號(hào)初始幅度。第10頁(yè)/共34頁(yè)第十一頁(yè)，共34頁(yè)。由實(shí)驗(yàn)得知,對(duì)于幾百cm3的樣品，線圈為數(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
10、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)(xun jn)頻率，這和公式 是一致的。TfP2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)(chngsh)，其值只與質(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：極化功率極化功率(gngl)大大,只能進(jìn)行快速點(diǎn)測(cè)；受磁場(chǎng)梯度只能進(jìn)行快速點(diǎn)測(cè)；受磁場(chǎng)梯度影響較大影響較大第11頁(yè)/共34頁(yè)第十二頁(yè)，共34頁(yè)。1. 樣品(yngpn)選擇如果設(shè)計(jì)的傳感器系用于磁測(cè)作業(yè)，因水
11、的縱向弛豫時(shí)間t1和橫向弛豫時(shí)間t2較長(zhǎng)，故適合(shh)地面操作。選擇(xunz)樣品一定要選擇(xunz)水或含有質(zhì)子的液體，如酒精、煤油、甘油等。幾種溶液的馳豫時(shí)間t1、t2數(shù)值見表。溶液時(shí)間/st1t2水2.33煤油0.71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t1、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)三、質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的設(shè)計(jì)第12頁(yè)/共34頁(yè)第十三頁(yè)，共34頁(yè)?？紤]到無磁性，價(jià)格便宜，加工方便，選擇有機(jī)玻璃(yuj b l)材料制作容
12、器是合適的。2. 2. 容器容器(rngq)(rngq)的選的選擇擇3. 3. 激發(fā)激發(fā)(jf)(jf)與與接收接收據(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0.510-4T計(jì)算，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)選大于10010-4T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:地面?zhèn)鞲衅饔脝尉€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。第13頁(yè)/共34頁(yè)第十四頁(yè)，共34頁(yè)
13、。lCZM-2型質(zhì)子(zhz)磁力儀lIGS-2/MP-4質(zhì)子(zhz)磁力儀四、質(zhì)子旋進(jìn)四、質(zhì)子旋進(jìn)(xun jn)式磁敏傳感器的應(yīng)用式磁敏傳感器的應(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計(jì)數(shù)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)量第14頁(yè)/共34頁(yè)第十五頁(yè)，共34頁(yè)。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)第15頁(yè)/共34頁(yè)第十六頁(yè)，共34頁(yè)。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
14、些元素的原子在外磁場(chǎng)中產(chǎn)生的塞曼分裂為基礎(chǔ)，并采用光泵和磁共振技術(shù)(jsh)研制成的。第二節(jié)第二節(jié) 光泵式磁敏傳感器光泵式磁敏傳感器磁力儀種類：按共振元素(yun s)的不同,分為氦(He)光泵磁力儀,其中又分He3、He4光泵磁力儀;堿金屬光泵磁力儀,其共振元素(yun s)有銣(Rb85、Rb87)、銫(Cs133)、鉀(K39)、汞(Hg)等。靈敏度高靈敏度高,一般為一般為0.01nT量級(jí)量級(jí),理論靈敏度高達(dá)理論靈敏度高達(dá)10-210-4nT響應(yīng)頻率高，可在快速變化響應(yīng)頻率高，可在快速變化(binhu)中進(jìn)行測(cè)量中進(jìn)行測(cè)量可測(cè)量磁場(chǎng)的總向量可測(cè)量磁場(chǎng)的總向量T及其分量，并能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量及
15、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)：第16頁(yè)/共34頁(yè)第十七頁(yè)，共34頁(yè)。（一）塞曼效應(yīng)（一）塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng)是指在外磁場(chǎng)塞曼效應(yīng)是指在外磁場(chǎng)(cchng)中原子中原子能級(jí)產(chǎn)生分裂的現(xiàn)象。能級(jí)產(chǎn)生分裂的現(xiàn)象。一、氦（一、氦（He4He4）光泵式磁敏傳感器的物理）光泵式磁敏傳感器的物理(wl)(wl)基礎(chǔ)基礎(chǔ)xSSNv2v0v1Ov2v0v1zy塞曼效應(yīng)：正常(zhngchng)和反常塞曼效應(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
16、,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He4、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)。成分成分第17頁(yè)/共34頁(yè)第十八頁(yè)，共34頁(yè)。當(dāng)原子在弱磁場(chǎng)H中時(shí)，總的軌道動(dòng)量矩Pl和總的自旋動(dòng)量矩Ps之間的“耦合”，沒有被拆開，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(fji)能量為：HPsPl0HPjPlPs0弱磁場(chǎng)(cchng)中Pj 、Pl 、Ps的旋進(jìn))cos(HjHEjH(jH)磁場(chǎng)(cchng)H和殼層磁矩j之間的夾角。
17、（二）反常的塞曼效應(yīng)的能級(jí)分裂（二）反常的塞曼效應(yīng)的能級(jí)分裂第18頁(yè)/共34頁(yè)第十九頁(yè)，共34頁(yè)。E1+E1E1E2+E2E1E2vv0 原子能級(jí)躍遷示意圖 gE能級(jí)的郎得因子； f0拉莫爾旋進(jìn)(xun jn)頻率； 波爾磁子； h普朗克常數(shù)； m電子質(zhì)量； c光速。mceh40 假設(shè)原子躍遷能級(jí)為E1、E2。在外磁場(chǎng)作用(zuyng)下，這兩個(gè)能級(jí)各自有附加能量E1，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(dinz)只有一個(gè)在起作用，只考慮單電子(dinz)的內(nèi)量子數(shù)，則可導(dǎo)出 hfmgHmgEjjjjH00磁場(chǎng)將使原子獲得的附加能量第19頁(yè)/共34頁(yè)第二十頁(yè)，
18、共34頁(yè)。 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，也就無法利用He4進(jìn)行光泵磁測(cè)了。 為使沒有(mi yu)磁矩的He4產(chǎn)生磁矩，來測(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
19、。（三）氦（三）氦（He4He4）原子能級(jí)的塞曼分裂）原子能級(jí)的塞曼分裂(fnli)(fnli)第20頁(yè)/共34頁(yè)第二十一頁(yè)，共34頁(yè)。 當(dāng)S=0時(shí),由于l1=l2=0,所以(suy)J=0,即在磁場(chǎng)作用下,能級(jí)不發(fā)生分裂，表現(xiàn)為單重能級(jí)，稱這種情況為仲氦。當(dāng)S=l時(shí),由于l1=l2=0,所以(suy)J=1,在外磁場(chǎng)作用下,能級(jí)分裂為2J1=3個(gè)能級(jí),能級(jí)表現(xiàn)為三重態(tài),這種情況稱正氦。 通過對(duì)塞曼效應(yīng)的分析，可得到(d do)以下幾點(diǎn)結(jié)論第21頁(yè)/共34頁(yè)第二十二頁(yè)，共34頁(yè)。2、磁共振的頻率大小取決于相鄰(xin ln)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
20、極小，要觀察這樣小的分裂情況，只有通過能級(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)(jin c)。這里所指的受激躍遷，受激能量來自光，也就是通常所說的光泵（光抽運(yùn)）方式。3、由于塞曼分裂后，磁子能級(jí)(nngj)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)來完成。4、在磁共振過程中，其它量子數(shù)不發(fā)生變化，而只有磁量子數(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。第22頁(yè)/共34頁(yè)第二十三頁(yè)，共34頁(yè)。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
21、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(dngy)電子的總自旋磁矩,即：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（二、氦（He4He4）光泵式磁敏傳感器的測(cè)磁原理）光泵式磁敏傳感器的測(cè)磁原理(yunl)(yunl)2hmSsST)cos( TJTEJT)cos(TJTSTST外磁場(chǎng)(弱磁場(chǎng))作用(zuyng)在磁矩上的附加能量ThmESST2s電子的總磁矩比第23頁(yè)/共34頁(yè)第二十四頁(yè)，共34頁(yè)。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(fnli)為三個(gè)能級(jí)，兩相鄰
22、磁子能級(jí)間的能量差為： ThEST2hfET躍遷過程中輻射的光子(gungz)能量恰好等于兩相鄰能級(jí)間的能量差，即：由上式可看出(kn ch)：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。2TfSThhfS2f輻射頻率；h普郎克常數(shù)。He4光泵式磁敏傳感器測(cè)磁原理公式第24頁(yè)/共34頁(yè)第二十五頁(yè)，共34頁(yè)。j=11111j=1D123S122P1D1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)到利用光使原子磁矩達(dá)到(d do)定向排列的過程定向排列的過程,也稱光學(xué)也稱光學(xué)取向。取向。 （一）光泵作用（一）光泵作用(zuyng)實(shí)質(zhì)(shzh)第25頁(yè)
23、/共34頁(yè)第二十六頁(yè)，共34頁(yè)。過程：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(yuqin)頻率。根據(jù)受激躍遷(yuqin)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(yuqin)。首先向mj=0磁子能級(jí)上躍遷(yuqin)，再逐漸向mj=-1的磁子能級(jí)躍遷(yuqin)，使原子的分布規(guī)律服從玻爾茲曼分布規(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)過程。 （二）磁共振作用（二）磁共振作用(zuyng)用射頻場(chǎng)打亂原子用射頻場(chǎng)打亂原子(yunz)磁矩定向排列的過磁矩定向排列的過程。程。第26頁(yè)/共34頁(yè)第二十
24、七頁(yè)，共34頁(yè)。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的D線，原子通過光泵作用將原子磁矩定向排列到某一能級(jí)上去(shng q)，這時(shí)透過吸收室的光線相對(duì)較少，稱作光弱(暗)；當(dāng)原子磁矩取向時(shí)刻，吸收室內(nèi)的原子磁矩已排列好，不再吸收D線，而透過吸收室的光相對(duì)變強(qiáng)，稱作光強(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)從吸收室光的強(qiáng)或弱（即從光學(xué)(gungxu)檢檢測(cè)）的角度出發(fā)，分析光泵作用和磁共振作用的測(cè)）的角度出發(fā)，分析光泵作用和
25、磁共振作用的全過程。全過程。第27頁(yè)/共34頁(yè)第二十八頁(yè)，共34頁(yè)。234 5891061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(tujng)、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三、光泵式磁敏傳感器的組成及工作(gngzu)(gngzu)原理原理第28頁(yè)/共34頁(yè)第二十九頁(yè)，共34頁(yè)。 首先將測(cè)磁傳感器置于被測(cè)外磁場(chǎng)中，并使傳感器的軸向與外磁場(chǎng)方向平行，其后將高頻
26、激發(fā)振蕩器打開，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(zh sh)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光泵式磁敏傳感器的工作(gngzu)原理 第29頁(yè)/共34頁(yè)第三十頁(yè)，共34頁(yè)。 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)(nngj)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)(nngj)上原子磁矩的取問，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
27、述，磁共振頻率f0是由光敏元件通過光線的弱或強(qiáng)的變化來檢測(cè)，即由射頻振蕩器指示出的吸收室最暗時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的頻率，就是所要測(cè)量的共振頻率f0。第30頁(yè)/共34頁(yè)第三十一頁(yè)，共34頁(yè)。四、磁共振檢測(cè)四、磁共振檢測(cè)(jin c)方法方法大調(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(binhu)范圍。范圍。大調(diào)頻大調(diào)頻(dio pn
28、)法、大調(diào)場(chǎng)法、小法、大調(diào)場(chǎng)法、小調(diào)頻調(diào)頻(dio pn)法法調(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，使信號(hào)源頻率變化范圍覆蓋樣品共振區(qū)，故稱大調(diào)頻法。第31頁(yè)/共34頁(yè)第三十二頁(yè)，共34頁(yè)。大調(diào)場(chǎng)法：在觀察大調(diào)場(chǎng)法：在觀察(gunch)塞曼分裂能級(jí)之間的共振吸塞曼分裂能級(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，通過改變恒收時(shí)（磁共振），也可用固定頻率的信號(hào)源，通過改變恒磁場(chǎng)的方法進(jìn)行，即大調(diào)場(chǎng)法。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)小調(diào)頻法：用兩個(gè)調(diào)頻信號(hào)，一個(gè)(y )是調(diào)頻幅度小于譜是調(diào)頻幅度小于譜線線寬，稱為小調(diào)頻，由正弦波發(fā)生器供
29、給。其調(diào)制頻率一線線寬，稱為小調(diào)頻，由正弦波發(fā)生器供給。其調(diào)制頻率一般為幾十般為幾十Hz到幾百到幾百Hz 。另一個(gè)。另一個(gè)(y )調(diào)頻幅度大于譜線線寬調(diào)頻幅度大于譜線線寬，稱為慢掃頻，它由慢掃頻發(fā)生器供給。掃頻頻率與小調(diào)頻，稱為慢掃頻，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共振的調(diào)制頻率相等。慢掃頻使信號(hào)源的振蕩頻率緩慢通過共振區(qū)。區(qū)。原理(yunl)：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)間的能量差滿足E=hf 時(shí)發(fā)生共振,樣品吸收電磁波功率。第32頁(yè)/共34頁(yè)第三十三頁(yè)，共34頁(yè)。五、氦（五、氦（He4He4） 光泵式磁敏光泵式磁敏 傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用(yngyng) (yngyng) 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(y zhn)根據(jù)小調(diào)頻法 檢測(cè)磁共振的磁力儀第33頁(yè)/共34頁(yè)第三十四頁(yè)，共34頁(yè)。
磁敏傳感器 學(xué)習(xí)教案
