МАГНИТО́МЕТР

МАГНИТО́МЕТР, при­бор для из­ме­ре­ния ха­рак­те­ри­стик маг­нит­но­го по­ля и маг­нит­ных свойств объ­ек­тов и ма­те­риа­лов. Не­ко­то­рые М. име­ют спец. на­зва­ния в за­ви­си­мо­сти от из­ме­ряе­мой ве­ли­чи­ны: эр­стед­мет­ры из­ме­ря­ют на­пря­жён­ность маг­нит­но­го по­ля, гра­ди­ен­то­мет­ры и ва­рио­мет­ры – из­ме­не­ния на­пря­жён­но­сти в про­стран­ст­ве и вре­ме­ни, инк­ли­на­то­ры и дек­ли­на­то­ры – на­прав­ле­ние век­то­ра на­пря­жён­но­сти, тес­ла­мет­ры – ве­ли­чи­ну маг­нит­ной ин­дук­ции. М. из­ме­ря­ют так­же сле­дую­щие ха­рак­те­ри­сти­ки объ­ек­тов и ма­те­риа­лов: маг­нит­ную про­ни­цае­мость и маг­нит­ную вос­при­им­чи­вость (мю-мет­ры и кап­па-мет­ры), ко­эр­ци­тив­ную си­лу (ко­эр­ци­ти­мет­ры), по­ток маг­нит­ной ин­дук­ции (ве­бер­мет­ры или флюкс­мет­ры), маг­нит­ный мо­мент, кри­вые на­маг­ни­чи­ва­ния, по­те­ри на гис­те­ре­зис и др. Час­то маг­ни­то­мет­рич. дат­чи­ки ис­поль­зу­ют­ся при кос­вен­ных из­ме­ре­ни­ях не­маг­нит­ных ве­ли­чин.

По прин­ци­пу дей­ст­вия М. мож­но раз­де­лить на маг­ни­то­ста­ти­че­ские (ме­ха­ни­чес­кие), ин­дук­ци­он­ные, кван­то­вые и др.

Магнитостатические магнитометры

Прин­цип дей­ст­вия этих М. ос­но­ван на ме­ха­нич. воз­дей­ст­вии маг­нит­но­го по­ля на маг­нит. К та­ким при­бо­рам от­но­сят­ся ком­пас маг­нит­ный и бус­соль, оп­ре­де­ляю­щие на­прав­ле­ние маг­нит­но­го по­ля Зем­ли, квар­це­вые ва­рио­мет­ры, по­зво­ляю­щие ре­ги­ст­ри­ро­вать гео­маг­нит­ные ва­риа­ции с точ­но­стью 10^–3–10^–4 А/м и маг­нит­ные ве­сы, при­ме­няе­мые в ла­бо­ра­тор­ных ус­ло­ви­ях для ис­сле­до­ва­ния маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти об­раз­цов. В маг­нит­ных ве­сах вос­при­им­чи­вость маг­нит­но­го ма­те­риа­ла оп­ре­де­ля­ет­ся по си­ле, с ко­то­рой ис­сле­дуе­мый об­ра­зец, имею­щий фор­му длин­но­го ци­лин­д­ра, втя­ги­ва­ет­ся в по­ле элек­тро­маг­ни­та (ме­тод Гуи), или по си­ле, дей­ст­вую­щей на об­ра­зец ма­ло­го раз­ме­ра, по­ме­щён­ный в не­од­но­род­ное маг­нит­ное по­ле (ме­тод Фа­ра­дея). В ме­то­де Гуи тре­бу­ет­ся бо́льшая мас­са ве­ще­ст­ва (1–10 г), а ме­тод Фа­ра­дея по­зво­ля­ет ра­бо­тать с мил­ли­грам­ма­ми ве­ще­ст­ва и тре­бу­ет бо­лее слож­но­го обо­ру­до­ва­ния.

Индукционные магнитометры

 Ра­бо­та этих М. ос­но­ва­на на яв­ле­нии элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции; они ре­ги­ст­ри­ру­ют из­ме­не­ние по­то­ка маг­нит­ной ин­дук­ции в из­ме­рит. ка­туш­ке, вы­зван­ное разл. при­чи­на­ми. Ин­дук­ци­он­ные М. ус­лов­но де­лят на пас­сив­ные и ак­тив­ные: в пер­вых эдс в ка­туш­ке воз­бу­ж­да­ет­ся из­ме­не­ни­ем во вре­ме­ни внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля, во вто­рых – из­ме­не­ния­ми в са­мом при­бо­ре. Пас­сив­ные М. пред­став­ля­ют со­бой длин­ную ци­лин­д­рич. ка­туш­ку, на­мо­тан­ную на фер­ро­маг­нит­ный сер­деч­ник и фак­ти­че­ски яв­ля­ют­ся ан­тен­на­ми сверх­низ­кой час­то­ты. Та­кие М. ис­поль­зу­ют­ся для де­тек­ти­ро­ва­ния ядер­ных взры­вов, свя­зи с под­вод­ны­ми лод­ка­ми, маг­ни­то­тел­лу­рич. зон­ди­ро­ва­ния зем­ной ко­ры, изу­че­ния взаи­мо­дей­ст­вия сол­неч­но­го вет­ра с маг­ни­то­сфе­рой Зем­ли и вол­но­вых про­цес­сов в кос­мич. плаз­ме.

К ак­тив­ным ин­дук­ци­он­ным М. от­но­сят­ся, напр., рок-ге­не­ра­тор и фер­ро­зон­до­вый М. В рок-ге­не­ра­то­ре ис­сле­дуе­мый об­ра­зец по­ме­ща­ет­ся на спец. пло­щад­ку, вра­щаю­щую­ся в цен­тре из­ме­рит. ка­туш­ки с час­то­той 40 Гц. В ре­зуль­та­те в ка­туш­ке воз­ни­ка­ет эдс, ве­ли­чи­на ко­то­рой про­пор­цио­наль­на ве­ли­чи­не на­маг­ни­чен­но­сти об­раз­ца. Для ис­клю­че­ния влия­ния внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля на ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ний ка­туш­ка (вме­сте с вра­щаю­щей­ся пло­щад­кой и об­раз­цом) за­кры­та мно­го­слой­ным пер­мал­лое­вым эк­ра­ном. Рок-ге­не­ра­тор при­ме­ня­ет­ся при ис­сле­до­ва­ни­ях маг­нит­ных свойств гор­ных по­род, напр. при изу­че­нии па­лео­маг­не­тиз­ма.

Фер­ро­зон­до­вые М. ос­но­ва­ны на пе­рио­дич. из­ме­не­нии маг­нит­ной про­ни­цае­мо­сти фер­ро­маг­не­ти­ков при пе­ре­маг­ни­чи­ва­нии (до на­сы­ще­ния) пе­ре­мен­ным по­лем воз­бу­ж­де­ния. На об­мот­ку воз­буж­де­ния по­да­ёт­ся пе­ре­мен­ный ток; при этом в из­ме­рит. ка­туш­ке на­во­дит­ся пе­ре­мен­ная эдс, чёт­ные гар­мо­ни­ки ко­то­рой про­пор­цио­наль­ны про­доль­ной ком­по­нен­те внеш­не­го по­ля. Про­стей­ший фер­ро­зон­до­вый дат­чик со­сто­ит из стерж­не­во­го фер­ро­маг­нит­но­го сер­деч­ни­ка и на­хо­дя­щих­ся на нём об­мо­ток из­ме­ре­ния и воз­бу­ж­де­ния. В наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ных фер­ро­зон­до­вых М. ис­поль­зу­ет­ся то­рои­даль­ный сер­деч­ник с об­мот­кой воз­бу­ж­де­ния или два стерж­не­вых сер­деч­ни­ка с рас­пре­де­лён­ны­ми по их дли­не об­мот­ка­ми воз­бу­ж­де­ния, вклю­чён­ны­ми по­сле­до­ва­тель­но-встреч­но (т. е. элек­три­че­ски по­сле­до­ва­тель­но, но маг­нит­ные по­ля, соз­да­вае­мые об­мот­ка­ми, име­ют про­ти­во­по­лож­ное на­прав­ле­ние). Из­ме­ре­ния про­из­во­дят­ся ли­бо при по­мо­щи од­ной об­щей сиг­наль­ной об­мот­ки, ли­бо с ис­поль­зо­ва­ни­ем двух об­мо­ток, со­еди­нён­ных так, что не­чёт­ные гар­мо­нич. со­став­ляю­щие маг­нит­но­го поля прак­ти­че­ски ком­пен­си­ру­ют­ся. Ис­поль­зо­ва­ние то­рои­даль­но­го сер­деч­ни­ка по­зво­ля­ет од­но­вре­мен­но из­ме­рять 2–3 вза­им­но ор­то­го­наль­ные ком­по­нен­ты маг­нит­но­го по­ля, что умень­ша­ет ошиб­ки в оп­ре­де­ле­нии на­прав­ле­ния век­то­ра по­ля.

Фер­ро­зон­до­вые М. при­ме­ня­ют для из­ме­ре­ния маг­нит­но­го по­ля Зем­ли и его ва­риа­ций, при аэ­ро­маг­нит­ных съём­ках и раз­вед­ке по­лез­ных ис­ко­пае­мых, в кос­мич. ис­сле­до­ва­ни­ях, хи­рур­гии, в сис­темах кон­тро­ля ка­че­ст­ва про­дук­ции, в элек­трон­ных ком­па­сах. Чув­ст­ви­тель­ность фер­ро­зон­до­во­го М. дос­ти­га­ет 10^–4–10^–5 А/м.

Квантовые магнитометры

В ра­бо­те кван­то­вых магнитометров ис­поль­зу­ют­ся кван­то­вые яв­ле­ния: сво­бод­ная упо­ря­до­чен­ная пре­цес­сия ядер­ных (ядер­ный маг­нит­ный ре­зо­нанс, ЯМР) или элек­трон­ных (элек­трон­ный па­ра­маг­нит­ный ре­зо­нанс, ЭПР) маг­нит­ных мо­мен­тов во внеш­нем маг­нит­ном по­ле, кван­то­вые пе­ре­хо­ды меж­ду маг­нит­ны­ми по­ду­ров­ня­ми ато­мов, а так­же кван­то­ва­ние маг­нит­но­го по­то­ка в сверх­про­во­дя­щем кон­ту­ре. В за­ви­си­мо­сти от спо­со­ба соз­да­ния мак­ро­ско­пич. маг­нит­но­го мо­мен­та и ме­то­да де­тек­ти­ро­ва­ния сиг­на­ла раз­ли­ча­ют: про­тон­ные М. (М. сво­бод­ной пре­цес­сии, с ди­на­ми­чес­кой и син­хрон­ной по­ля­ри­за­ци­ей), М. с оп­тич. на­кач­кой и др.

Дат­чи­ком про­тон­но­го М. слу­жит кон­тей­нер с диа­маг­нит­ной жид­ко­стью, мо­ле­ку­лы ко­то­рой со­дер­жат ато­мы во­до­ро­да. В ка­че­ст­ве та­кой жид­ко­сти мо­гут вы­сту­пать во­да, ке­ро­син, бен­зол, геп­тан и др. Ам­пу­лу с жид­ко­стью по­ме­ща­ют в ка­туш­ку, ли­бо ка­туш­ку по­гру­жа­ют в ём­кость с ра­бо­чей жид­ко­стью. Че­рез ка­туш­ку вна­ча­ле про­пус­ка­ют ток по­ля­ри­за­ции, ко­то­рый соз­да­ёт маг­нит­ное по­ле, ори­ен­ти­рую­щее маг­нит­ные мо­мен­ты про­то­нов и на­маг­ни­чи­ваю­щее жид­кость. По­сле от­клю­че­ния то­ка по­ля­ри­за­ции маг­нит­ные мо­мен­ты про­то­нов на­чи­на­ют пре­цес­си­ро­вать во­круг на­прав­ле­ния из­ме­ряе­мо­го маг­нит­но­го по­ля Н_изм c час­то­той ω = γ_pН_изм, где γ_p – ги­ро­маг­нит­ное от­но­ше­ние для про­то­нов. Т. о., из­ме­ре­ние час­то­ты пре­цес­сии по­зво­ля­ет с вы­со­кой точ­но­стью оп­ре­де­лить ве­ли­чи­ну на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля.

В ра­бо­те кван­то­во­го М. мо­жет быть ис­поль­зо­ва­на так­же пре­цес­сия в маг­нит­ном по­ле маг­нит­ных мо­мен­тов не­спа­рен­ных элек­тро­нов па­ра­маг­нит­ных ато­мов. Час­то­та пре­цес­сии элек­тро­нов в сот­ни раз боль­ше час­то­ты пре­цес­сии про­то­нов. Соз­да­ны про­тон­ные М., в ко­то­рых ЭПР уве­ли­чи­ва­ет ин­тен­сив­ность ЯМР (эф­фект Овер­хау­зе­ра).

Кван­то­вый оп­тич. М. (М. с оп­тич. на­кач­кой) час­то на­зы­ва­ют про­сто кван­то­вым М. Дат­чи­ком при­бо­ра яв­ля­ет­ся стек­лян­ная кол­ба, на­пол­нен­ная парáми ще­лоч­но­го ме­тал­ла (напр., Rb, Cs, K), ато­мы ко­то­ро­го па­ра­маг­нит­ны. При про­пус­ка­нии че­рез кол­бу све­та с кру­го­вой по­ля­ри­за­ци­ей и дли­ной вол­ны, со­от­вет­ст­вую­щей пе­ре­хо­ду ато­мов ме­тал­ла на один из воз­бу­ж­дён­ных уров­ней, ато­мы за­пол­ня­ют один из маг­нит­ных по­ду­ров­ней это­го уров­ня, что при­во­дит к умень­ше­нию ре­зо­нанс­но­го по­гло­ще­ния и рас­сея­ния све­та. При по­ме­ще­нии кол­бы в пе­ре­мен­ное маг­нит­ное по­ле с час­то­той ω = γ_eН_изм (γ_e – ги­ро­маг­нит­ное от­но­ше­ние для элек­тро­нов) на­се­лён­ность маг­нит­ных по­ду­ров­ней вы­рав­ни­ва­ет­ся, а по­гло­ще­ние и рас­сея­ние све­та рез­ко воз­рас­та­ют. Чув­ст­ви­тель­ность про­тон­но­го и оп­ти­че­ско­го М. со­став­ля­ет 10^–4–10^–5 А/м.

Все опи­сан­ные кван­то­вые М. при­ме­ня­ют­ся для из­ме­ре­ния на­пря­жён­но­сти сла­бых маг­нит­ных по­лей, в т. ч. гео­маг­нит­но­го по­ля в кос­мич. про­стран­ст­ве, а так­же в гео­ло­го­раз­вед­ке.

Прин­цип дей­ст­вия сверх­про­во­дя­щих кван­то­вых М. (СКВИД-маг­ни­то­мет­ров) ос­но­ван на кван­то­вых эф­фек­тах в сверх­про­вод­ни­ках: кван­то­ва­нии маг­нит­но­го по­то­ка в сверх­про­вод­ни­ке и за­ви­си­мо­сти кри­тич. то­ка кон­так­та двух сверх­про­вод­ни­ков от Н_изм (см. Джо­зеф­со­на эф­фект). Сверх­про­во­дя­щие М. из­ме­ря­ют сверх­сла­бые маг­нит­ные по­ля и при­ме­ня­ют­ся в био­фи­зи­ке, фи­зи­ке твёр­до­го те­ла, маг­не­то­хи­мии и др., а так­же для из­ме­ре­ний ком­по­нент гео­маг­нит­но­го по­ля. Чув­ст­ви­тель­ность СКВИД-маг­ни­то­мет­ров дос­ти­га­ет 10^–10 A/м.

Другие типы магнитометров

 Прин­цип дей­ст­вия галь­ва­но­маг­нит­ных М. ос­но­ван на ис­крив­ле­нии тра­ек­то­рий за­ря­жен­ных час­тиц в маг­нит­ном по­ле. К этой груп­пе М. от­но­сят­ся М., ис­поль­зую­щие Хол­ла эф­фект и эф­фект Га­ус­са (из­ме­не­ние со­про­тив­ле­ния про­вод­ни­ка в по­пе­реч­ном маг­нит­ном по­ле). На эф­фек­те Хол­ла ос­но­ва­ны так­же: тес­ла­мет­ры, при­ме­няе­мые для из­ме­ре­ния по­сто­ян­ных, пе­ре­мен­ных и им­пульс­ных маг­нит­ных по­лей; флюкс­мет­ры, ис­поль­зуе­мые для от­бра­ков­ки по­сто­ян­ных маг­ни­тов; ко­эр­ци­ти­мет­ры, при­ме­няе­мые при не­раз­ру­шаю­щем кон­тро­ле ка­че­ст­ва. На ос­но­ве дат­чи­ков Хол­ла соз­да­ют­ся гра­ди­ен­то­мет­ры для ис­сле­до­ва­ния маг­нит­ных свойств ма­те­риа­лов. Чув­ст­ви­тель­ность М. на эф­фек­те Хол­ла обыч­но на­хо­дит­ся в диа­па­зо­не 10–100 А/м. Эф­фект Га­ус­са при­ме­ня­ет­ся в маг­ни­то­ре­зи­стив­ных дат­чи­ках, ис­поль­зуе­мых в элек­трон­ных ком­па­сах и др. Чув­ст­ви­тель­ность та­ких тес­ла­мет­ров со­став­ля­ет 0,5–10 А/м.

Су­ще­ст­ву­ют так­же М., прин­цип дей­ст­вия ко­то­рых ос­но­ван на вра­ще­нии плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции све­та в маг­нит­ном по­ле или по­ле на­маг­ни­чен­но­го об­раз­ца, из­ме­не­нии дли­ны на­маг­ни­чен­но­го стерж­ня под дей­ст­ви­ем при­ло­жен­но­го по­ля (маг­ни­то­ст­рик­ции) и др. Та­кие М. при­ме­ня­ют­ся в разл. об­лас­тях тех­ни­ки.