КВА́НТОВЫЙ МАГНИТО́МЕТР

КВА́НТОВЫЙ МАГНИТО́МЕТР, при­бор для оп­ре­де­ле­ния маг­нит­ной ин­дук­ции, ос­но­ван­ный на из­ме­ре­нии энер­гии (час­то­ты) кван­то­во­го пе­ре­хо­да па­ра­маг­нит­ной час­ти­цы ме­ж­ду дву­мя со­стоя­ния­ми, раз­ли­чаю­щи­ми­ся кван­то­ван­ны­ми (дис­крет­ны­ми) зна­че­ния­ми про­ек­ции уг­ло­во­го мо­мен­та на век­тор маг­нит­ной ин­дук­ции. Энер­гия свя­за­на с маг­нит­ной ин­дук­ци­ей по­ля че­рез фун­дам. кон­стан­ты и кон­стан­ты, ха­рак­те­ри­зую­щие ве­ще­ст­ва, по­это­му по­ка­за­ния К. м. не нуж­да­ют­ся в ка­либ­ров­ке и име­ют аб­со­лют­ный ха­рак­тер. Это в кор­не от­ли­ча­ет К. м. от всех др. маг­ни­то­мет­ров, в т. ч. от маг­ни­то­мет­ров на ос­но­ве кван­то­вых сверх­про­во­дя­щих ин­тер­фе­ро­мет­ров – СКВИД-маг­ни­то­мет­ров.

Схема протонного магнитометра.

Су­ще­ст­ву­ет мно­го ти­пов К. м. Наи­более из­вес­тен про­тон­ный маг­ни­то­метр (рис.), ос­но­ван­ный на из­ме­ре­нии час­то­ты сво­бод­ной пре­цес­сии ядер­ных спи­нов про­то­нов во внеш­нем маг­нит­ном по­ле. Ра­бо­чей сре­дой про­тон­но­го маг­ни­то­мет­ра слу­жит жид­кость, со­дер­жа­щая про­то­ны, ча­ще все­го во­да. При от­сут­ст­вии маг­нит­но­го по­ля маг­нит­ные мо­мен­ты отд. про­то­нов ори­ен­ти­ро­ва­ны хао­тич­но. Пе­ред на­ча­лом из­ме­ре­ния кю­ве­ту с во­дой по­ме­ща­ют в силь­ное вспо­мо­га­тель­ное маг­нит­ное по­ле, соз­да­вае­мое ка­туш­кой с то­ком и на­прав­лен­ное пер­пен­ди­ку­ляр­но век­то­ру ин­дук­ции из­ме­ряе­мо­го маг­нит­но­го по­ля $\boldsymbol B$. Под дей­ст­ви­ем вспо­мо­га­тель­но­го маг­нит­но­го по­ля, ока­зы­ваю­ще­го ори­ен­ти­рую­щее (по­ля­ри­зую­щее) дей­ст­вие на маг­нит­ные мо­мен­ты про­то­нов, в во­де воз­ни­ка­ет мак­ро­ско­пич. маг­нит­ный мо­мент. По­сле вы­клю­че­ния по­ля­ри­зую­ще­го по­ля этот мо­мент на­чи­на­ет пре­цес­си­ро­вать во­круг на­прав­ле­ния из­ме­ряе­мо­го маг­нит­но­го по­ля. Час­то­та пре­цес­сии ω про­пор­цио­наль­на величине маг­нит­ной ин­дук­ции B из­ме­ряе­мо­го по­ля: ω=γB, где γ  – ги­ро­маг­нит­ное от­но­ше­ние, рав­ное для про­то­на (в во­де) ≈ 42,57602 МГц/Тл. Час­то­та из­ме­ря­ет­ся по сиг­на­лу ин­дук­ции, ко­то­рую на­во­дит пре­цес­си­рую­щая на­маг­ни­чен­ность в ка­туш­ках, ок­ру­жаю­щих кю­ве­ту с во­дой. Сиг­нал пред­став­ля­ет со­бой экс­по­нен­ци­аль­но за­ту­хаю­щую си­ну­сои­ду. Вре­мя за­ту­ха­ния со­став­ля­ет ок. 1 с, что позво­ля­ет на­счи­тать ты­ся­чи пе­рио­дов ос­цил­ля­ций в зем­ном маг­нит­ном по­ле и обес­пе­чить чув­ст­ви­тель­ность из­ме­ре­ния вплоть до до­лей нТл. Про­тон­ный пре­цес­си­он­ный маг­ни­то­метр, по­стро­ен­ный впер­вые в сер. 20 в., до сих пор слу­жит эта­лон­ным сред­ст­вом из­ме­ре­ния маг­нит­ной ин­дук­ции и при­ме­ня­ет­ся гл. обр. в гео­маг­нит­ных об­сер­ва­то­ри­ях.

Су­ще­ст­ву­ет мно­го мо­ди­фи­ка­ций это­го при­бо­ра, из ко­то­рых сле­ду­ет от­ме­тить К. м., ис­поль­зую­щий эф­фект Овер­хау­зе­ра (см. Ядер­ный маг­нит­ный ре­зо­нанс) для по­ля­ри­за­ции ядер­ных спи­нов. В этих при­бо­рах вме­сто про­то­нов ис­поль­зу­ют­ся па­ра­маг­нит­ные ра­ди­ка­лы со сверх­тон­кой струк­ту­рой осн. со­стоя­ния. В ус­ло­ви­ях элек­трон­но­го па­ра­маг­нит­но­го ре­зо­нан­са в мик­ро­вол­но­вой об­лас­ти уда­ёт­ся дос­тичь вы­со­ко­го уров­ня ядер­ной по­ля­ри­за­ции без при­ме­не­ния силь­но­го внеш­не­го по­ля­ри­зую­ще­го по­ля. Это по­зво­ля­ет пе­рей­ти от им­пульс­но­го ре­жи­ма из­ме­ре­ния ин­дук­ции к не­пре­рыв­но­му и за­мет­но по­вы­сить чув­ст­ви­тель­ность.

В 1960-х гг. поя­ви­лись К. м., ис­поль­зую­щие в ка­че­ст­ве ра­бо­чей сре­ды элек­трон­ные па­ра­маг­не­ти­ки, пре­иму­ще­ст­вом ко­то­рых яв­ля­ет­ся мно­го бóльшая (на 2–3 по­ряд­ка) ве­ли­чи­на ги­ро­маг­нит­но­го от­но­ше­ния γ. При про­чих рав­ных ус­ло­ви­ях это при­во­дит к по­вы­ше­нию чув­ст­ви­тель­но­сти маг­ни­то­мет­ра и уве­ли­че­нию ско­ро­сти из­ме­ре­ния, что важ­но для ря­да при­ло­же­ний. Од­на­ко пре­иму­ще­ст­во вы­со­ко­го ги­ро­маг­нит­но­го от­но­ше­ния у элек­трон­ных па­ра­маг­не­ти­ков уда­ёт­ся реа­ли­зо­вать, ес­ли толь­ко вре­ме­на ре­лак­са­ции на­маг­ни­чен­но­сти элек­трон­ных и ядер­ных па­ра­маг­не­ти­ков со­пос­та­ви­мы. Это воз­мож­но для элек­трон­ных па­ра­маг­не­ти­ков в ви­де раз­ре­жен­ных ато­мар­ных га­зов. Наи­луч­шие ре­зуль­та­ты дос­тиг­ну­ты для ато­мов в ос­нов­ном S со­стоя­нии, та­ких как ато­мы ще­лоч­ных ме­тал­лов и ато­мы ге­лия в ме­та­ста­биль­ном 2³S₁ со­стоя­нии (ор­то­ге­лий). В К. м. с элек­трон­ны­ми па­ра­маг­не­ти­ка­ми ис­поль­зу­ет­ся др. прин­цип по­ля­ри­за­ции – оп­тич. на­кач­ка. Этот про­цесс ос­но­ван на се­лек­тив­ном оп­тич. воз­бу­ж­де­нии ато­мов в со­стоя­ни­ях с оп­ре­де­лён­ным зна­че­ни­ем уг­ло­во­го мо­мен­та или его про­ек­ции. Оп­тич. на­кач­ка по­зво­ля­ет не толь­ко дос­ти­гать пре­дель­но вы­со­кой по­ля­ри­за­ции ато­мов, но и кон­тро­ли­ро­вать её по сте­пе­ни по­гло­ще­ния ато­ма­ми све­та на­кач­ки. Со­че­та­ние элек­трон­ных па­ра­маг­не­ти­ков с прин­ци­пом оп­тич. на­кач­ки да­ло воз­мож­ность соз­дать К. м., пре­вос­хо­дя­щие про­тон­ные маг­ни­то­мет­ры по всем осн. по­ка­за­те­лям, та­ким как точ­ность, раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность и бы­ст­ро­дей­ст­вие.

К. м. с оп­тич. на­кач­кой пе­ре­кры­ва­ют ши­ро­чай­ший диа­па­зон зна­че­ний маг­нит­ной ин­дук­ции – от ну­ля до еди­ниц Тл. Чув­ст­ви­тель­ность та­ких К. м. не за­ви­сит от ве­ли­чи­ны на­пря­жён­но­сти из­ме­ряе­мо­го по­ля (в от­ли­чие от про­тон­ных маг­ни­то­мет­ров, чув­ст­ви­тель­ность ко­то­рых ли­ней­но умень­ша­ет­ся с умень­ше­ни­ем на­пря­жён­но­сти по­ля). Наи­бо­лее ши­ро­ко они при­ме­ня­ют­ся для из­ме­ре­ния гео­маг­нит­ных по­лей, т. е. в об­лас­ти маг­нит­ной ин­дук­ции от 20 до 80 мкТл. По­пу­ляр­ны­ми ра­бо­чи­ми ве­ще­ст­ва­ми для К. м. с оп­тич. на­кач­кой яв­ля­ют­ся па­ры́ ще­лоч­ных ме­тал­лов – це­зия и ка­лия, а так­же ор­то­ге­лий. Наи­бо­лее про­стые и де­шё­вые це­зие­вые маг­ни­то­мет­ры об­ла­да­ют вы­со­кой раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью (по­ряд­ка 1 пТл в по­ло­се 1 Гц), вы­со­ким бы­ст­ро­дей­ст­ви­ем (до 100 из­ме­ре­ний в 1 с), но ха­рак­те­ри­зу­ют­ся зна­чи­тель­ны­ми сис­те­ма­тич. по­греш­но­стя­ми – по­ряд­ка 1 нТл и бо­лее. Ка­лие­вые К. м. с оп­тич. на­кач­кой об­ла­да­ют наи­бо­лее вы­со­кой точ­но­стью по­ряд­ка 10 пТл при раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти по­ряд­ка 0,1 пТл· Гц^–1/2. Ге­лие­вые маг­ни­то­мет­ры име­ют близ­кие ха­рак­те­ри­сти­ки по точ­но­сти и раз­ре­ше­нию, но толь­ко в ус­ло­ви­ях ла­зер­ной оп­тич. на­кач­ки (К. м. на парáх ще­лоч­ных ме­тал­лов хо­ро­шо ра­бо­та­ют при на­кач­ке от про­стых га­зо­раз­ряд­ных ламп). При этом ге­лие­вые К. м. име­ют боль­шую ско­рость ре­ак­ции и не ну­ж­да­ют­ся в тер­мо­ста­би­ли­за­ции ра­бо­че­го объ­ё­ма при­бо­ра.