БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (КВ)

Электронный К. м. аналогичен протонному. В нём используется прецессия в магнитном поле магнитных моментов неспаренных электронов парамагнитных атомов, частота которой в несколько сот раз больше частоты прецессии протонов (см. Электронный парамагнитный резонанс ). Частота прецессии для электронов в поле Н ~ 1 э равна 2,8 Мгц . Изменение поля на 1 гамму приводит к изменению частоты прецессии на 28 гц , что в 660 раз больше, чем для протонных магнитометров.

Для получения достаточно больших эдс применяют методы динамической поляризации ядер. При этом ориентация магнитных моментов протонов осуществляется благодаря их взаимодействию с электронными моментами парамагнитных ионов (в воде растворяют парамагнитную соль). Таким способом ядерную намагниченность удастся увеличить в несколько сот раз. Применение вещества, содержащего радикалы нитрозодисульфоната калия, позволяет увеличить намагниченность ещё примерно в 40 раз.

Оптический магнитометр (магнитометр с оптической накачкой: рис. 2 ). Датчиком прибора является стеклянная колба, наполненная парами щелочного металла (например, Rb), атомы которого парамагнитны, т.к. содержат один неспаренный электрон (см. Парамагнетик ). При пропускании через колбу, помещенную в измеряемое поле Н , циркулярно поляризованного света, частота которого равна частоте оптического квантового перехода между основным состоянием атома и одним из его возбуждённых состояний, происходит резонансное рассеяние света. При этом момент количества движения квантов рассеиваемого света передаётся атомам, которые таким образом «оптически ориентируются», скапливаясь на одном из магнитных подуровней основного состояния. Если в объёме колбы датчика создать переменное магнитное поле, частота которого равна частоте квантового перехода между магнитными подуровнями основного состояния, то населённость атомов на магнитных подуровнях выравнивается, атомы теряют приобретённую преимущественную ориентацию магнитных моментов и приходят в исходное состояние. При этом пары металла, наполняющие колбу, вновь начинают сильно поглощать и рассеивать свет. Измеряя частоту переменного поля со, можно определить напряжённость магнитного поля Н , в котором находится колба датчика.

Оптические К. м. особенно удобны для измерения слабых полей, < 1 э . Чувствительность, которая может быть достигнута при помощи таких приборов, ~10 –6—10 –7 э , что позволяет измерять очень слабые поля, в частности в космическом пространстве.

Сверхпроводящий магнитометр основан на квантовании магнитного потока , захваченного сверхпроводящим кольцом. Величина захваченного потока кратна кванту магнитного потока Ф 0= 2×10 –7 э × см 2. Полный ток, протекающий через параллельные соединения двух переходов Джозефсона (сверхпроводящее кольцо, разделённое по диаметру очень тонким слоем изолятора; см. Джозефсона эффект ) в результате сложения токов, проходящих по каждой из ветвей ( рис. 3 ), изменяется пропорционально cos e / Ф, где Ф — магнитный поток, охватываемый кольцом, е — заряд электрона. Этот ток достигает максимума всякий раз, когда Ф = n Ф 0 ( n — целое число). Наблюдая за изменениями тока, проходящего через двойной переход Джозефсона, можно измерять магнитный поток Ф и, зная площадь сечения перехода, определить напряжённость измеряемого магнитного поля. Если площадь, охватываемая двумя переходами, равна 1 мм 2 , то максимумы тока разделены интервалом в 2g. Таким методом можно регистрировать десятую часть этого интервала. Чувствительность метода составляет в этом случае 0,2 гаммы. Для рассмотренного примера наиболее сильное поле, которое можно измерить, составляет около 20 гамм.

Все К. м. не боятся вибраций; их показания не зависят от ориентации прибора относительно измеряемого поля Н , слабо зависят от изменения температуры, давления, влажности и т.п.

Лит.: Померанцев Н. М., Рыжков В. М., Скроцкий Г. В., Физические основы квантовой магнитометрии, М., 1972; Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1963.

Г. В. Скроцкий.

Рис. 2. Схема оптического квантового магнитометра: Л — источник света; СФ — светофильтр; П 1— поляроид; П 2— пластинка (l/4), создающая разность фаз 90° для получения циркулярно поляризованного света; К — колба, наполненная парами щелочного металла: ф — фотоприёмник; Н — измеряемое поле.

Рис. 3. Схема сверхпроводящего магнитометра: С — сверхпроводящее кольцо с двумя переходами Джозефсона (а и б); Т — согласующий трансформатор; У 1— узкополосный усилитель с детектором; У 2— усилитель постоянного тока; Р — самописец. Магнитный поток через кольцо (перпендикулярный плоскости рисунка — сверху вниз) изображен крестиками. Его изменение приводит к появлению периодической эдс на входе усилителя У 1.

Рис. 1. Схема протонного магнитометра: L — катушка, создающая вспомогательное намагничивающее поле H 0; П — катушка, в которой возникает эдс, обусловленная прецессией ядерных моментов вокруг измеряемого магнитного поля Н; У — усилитель сигнала; Ч — частотомер, градуированный в э .

Ква'нтовый усили'тель,устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов. Эффект усиления в К. у. связан с изменением энергии внутриатомных (связанных) электронов, движение которых описывается квантовой механикой . Поэтому, в отличие, например, от ламповых усилителей, в которых используются потоки свободных электронов, движение которых хорошо описывается классической механикой, эти усилители получили название квантовых (см. Квантовая электроника ).

Т. к. кроме вынужденных квантовых переходов возбуждённых атомов в состояние с меньшей энергией возможны их самопроизвольные (спонтанные) переходы, в результате которых излучаются волны, имеющие случайные амплитуду, фазу и поляризацию, то они добавляются к усиливаемой волне в виде шумов . Спонтанное излучение является единственным, принципиально неустранимым источником шумов К. у. Мощность спонтанного излучения очень мала в радиодиапазоне и резко растет при переходе к оптическому диапазону. В связи с этим К. у. радиодиапазона ( мазеры ) отличаются исключительно низким уровнем собственных шумов [в них отсутствуют шумы, связанные с неравномерностью электронного потока, неизбежные в радиолампах (см. Дробовой шум ); кроме того, К. у. радиодиапазона работают при температурах, близких к абсолютному нулю, и шумы, связанные с тепловым движением электронов в цепях усилителя, очень малы]. Благодаря чрезвычайно низкому уровню шумов чувствительность К. у., т. е. способность усиливать очень слабые сигналы, велика. К. у. применяются в качестве входных ступеней в самых высокочувствительных радиоприёмных устройствах в диапазоне длин волн от 4 мм до 50 см . К. у. радиодиапазона значительно увеличили дальность действия космических линий связи с межпланетными станциями, планетных радиолокаторов и радиотелескопов .