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作者：何志偉 渠珊珊
【關(guān)鍵詞】：磁力儀；光泵；超導(dǎo)SQUID；原子
【摘要】：對磁力儀未來發(fā)展進行了展望。重點介紹了：1.光泵磁力儀及其光源和共振元素的選擇與設(shè)計2.超導(dǎo)技術(shù)的進步推動了超導(dǎo)量子干涉磁力儀的發(fā)展3.對處于研究、探索階段的原子磁力儀進行了關(guān)注。
引言
目前，在空間、海洋、勘探、在醫(yī)院和其它實驗室中廣泛的應(yīng)用著各種磁力儀，用于測量地磁場以及生物磁場。在這些領(lǐng)域，新型的光泵磁力儀、超導(dǎo)磁力儀（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）；以及處于研究、試驗階段的固體電子自旋共振磁力儀（Electron Spin Resonance ,ESP）、原子磁力儀（Atomic Magnetometer, AM）必將以其超高的精度擔負起越來越重的任務(wù)。
過去測量磁場強度的單位是奧斯特(Oersted,Oe)，采用和推廣國際單位制(SI)以后，測量磁 感 應(yīng) 強度( 磁 通量密度)的 單 位 是 特 斯 拉(Tesla,T)或高斯(Gaus ,Gs)。 它們之間的對應(yīng)關(guān)系為1nT= 10-9 T = 1gamma(γ)。特 斯 拉的換算關(guān)系為:1T(特斯拉)= 109nT (納特)=1012pT(皮特)=1015fT(飛特)=1018aT(阿特)［1］。
磁場強度曾經(jīng)用過T、F、Be等幾個符號表示，許多文獻中曾采用F、Be。文章中為了規(guī)范、清晰采用國際標準單位T。
�。�.光泵磁力儀
光泵磁力儀是高靈敏的磁測設(shè)備。它是以某些元素的原子在外磁場中產(chǎn)生的蔡曼分裂為基礎(chǔ)，并采用光泵技術(shù)與磁共振技術(shù)研制成的。
按照量子理論，在外磁場T中，具有自旋的亞原子粒子（如核子和電子）能級簡并（degeneracy）解除，分裂為一些磁次能級（或稱為蔡曼能級），在光譜上的表現(xiàn)，就是譜線分裂，這就是蔡曼效應(yīng)，蔡曼因此獲得1902(第二屆)諾貝爾物理學(xué)獎。分裂的能級間的能量差一般與外界磁場成正比。當粒子在分裂的能級間發(fā)生躍遷時，就會發(fā)射或吸收電磁波，其頻率與磁次能級間的能量差成正比，測定這個電磁波的頻率，即可測定磁場。
光泵磁力儀是目前實際生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)應(yīng)用中靈敏度較高的一種磁測儀器。它靈敏度高，一般為0.01nT量級，理論靈敏度高達10－２-10－４nT;響應(yīng)頻率高，可在快速變化中進行測量;可測量地磁場的總向量T及其分量，并能進行連續(xù)測量。
光泵磁力儀的種類甚多。按共振元素的不同，可分為氦（He）光泵磁力儀和堿金屬光泵磁力儀，共振元素有氦（He4）、銣（Rb85、Rb87）、銫（Cs133）、鉀（K39）、汞（Hg）等。對堿金屬而言，受溫度影響較大，如銫（Cs133）元素在恒溫430C左右，方可變成蒸汽狀態(tài)，而只有在蒸汽狀態(tài)時才能產(chǎn)生光泵作用。對He3、He4而言，因其本身是氣體狀態(tài)，無需加熱至恒溫，只需將它激勵使其處于亞穩(wěn)態(tài)，就能產(chǎn)生光泵作用。這些條件在設(shè)計與制造儀器時，必須予以重視。
光泵磁力儀未來的發(fā)展水平，主要取決于光泵光源及共振元素的發(fā)展程度。法國曾用可調(diào)諧的激光器代替常規(guī)的氦燈制成光泵磁力儀，由于譜線的選擇性較好，激光又比氦燈的光要強，因此提高了磁力儀的靈敏度，達到10pT/Hz1/2。美國的R.Slcum博士利用二極管激光器作為氦同位素光泵磁力儀的光源，并申請了專利，與氦燈光源相比，靈敏度提高一個量級。最新的激光光泵氦（He4）磁力儀的靈敏度已突破１PT/Hz1/2的界限，達到0.4 PT/Hz1/2，而用高頻激發(fā)的燈室作為光泵的光源的氦４航空磁力儀達到了20pT/Hz1/2的靈敏度［2-3］。在共振元素的選擇上，為了提高精度，需要選擇譜線較窄的物質(zhì)，堿金屬符合譜線窄的要求，但需要一定的溫度（40-55℃）加熱為氣態(tài)�，F(xiàn)在已經(jīng)有很多利用堿金屬制成的磁力儀，前不久問世的鉀磁力儀，由于譜線很窄又不重疊，方位誤差很小，維修方便，分辨率達到0.1pT，在取樣率為20Hz時，靈敏度可達到0.014nT。因此鉀光泵磁力儀在光泵磁力儀中占有優(yōu)勢地位。當然隨著靈敏度，取樣率的提高，其價格也顯著提高。
�。�.超導(dǎo)量子干涉磁力儀
超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）是上世紀60年代中期發(fā)展起來的一種新型的靈敏度極高的磁敏傳感器。它是以約瑟夫遜（Josephson）效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，用超導(dǎo)材料制成的，是超導(dǎo)量子干涉磁力儀的核心。
SQUID由兩個用很薄的絕緣體隔開的超導(dǎo)體而形成兩個并聯(lián)的約瑟夫松結(jié)（Josephson junction）組成。約瑟弗松獲得1973年諾貝爾物理學(xué)獎，在此前一年（1972年）J.Bardeen、L.N.Cooper 和J.R.Schrieffer三位物理學(xué)家由于共同研究建立解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的BCS理論獲得諾貝爾物理學(xué)獎。
SQUID可以檢測非常微弱的磁場，足以檢測生物電流產(chǎn)生的微弱磁場，人類心臟產(chǎn)生的磁場約為10-10T（0.1nT），人腦的磁場約為10-13T（0.1pT）。如果有一個恒定的電流維持在SQUID中，則測得的電壓隨兩個結(jié)上相位的變化而振蕩，而相位的變化取決于磁通的變化。量子理論得出的十分重要的結(jié)論是，若有一超導(dǎo)體環(huán)路，則它包圍的磁通量只能取Φ0的整數(shù)倍。
Φ0＝h/(2e)=2.0678506(54)×10-15Wb≈2.07×10-15 Wb =2.07×nT.cm2
這就是磁通量的量子化，Φ0叫做磁通量量子。如果磁場發(fā)生變化，則Φ0的個數(shù)也跟著變化，對Φ0個數(shù)進行計數(shù)就可測得磁場值。超導(dǎo)磁力儀是矢量磁力儀，它測量垂直于超導(dǎo)環(huán)路平面的磁場[4]。
SQUID靈敏度極高，可達10-15T，比靈敏度較高的光泵磁力儀要高出幾個數(shù)量級；它測量范圍寬，可從零場測量到數(shù)千特斯拉；其響應(yīng)頻率可從零響應(yīng)到幾千兆赫。這些特性均遠遠超過常用的磁通門磁力儀和質(zhì)子旋進磁力儀。
量子超導(dǎo)磁力儀具有高精度、高靈敏度的同時不足之處也相對十分明顯，超導(dǎo)材料自身易碎、不易加工，成本極其昂貴且SQUID磁測儀器要求在低溫條件下工作、需要昂貴的液氦（或液氮）和制冷設(shè)備，這給SQUID磁測技術(shù)的廣泛應(yīng)用帶來許多困難。在超導(dǎo)領(lǐng)域的這場競爭中，世界各國都在不斷探索，超導(dǎo)從低溫向高溫的方向進步，同時生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)也持續(xù)的提高。可以預(yù)計，量子超導(dǎo)干涉磁力儀隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展將會在許多領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。
�。�.原子磁力儀
獲得1997年諾貝爾物理學(xué)獎的法國物理學(xué)家科恩-唐努吉（Claude Cohen-Tannoudji）指出，原子磁力儀是通過測量所含電子自旋已被極化的原子在磁場中的進動(旋進)來實現(xiàn)的。最近美國普林斯頓大學(xué)物理系M．v．Romalis教授和位于西雅圖的華盛頓大學(xué)物理系的J.C.Allred等研制成一種完全利用光學(xué)方法測量磁場的新型原子磁力儀，因此有人將這種磁力儀稱為全光學(xué)磁力儀(alloptical atomic magnetometer)。
首先由激光器產(chǎn)生一定頻率的偏振激光束照射氣態(tài)鉀原子，使鉀原子躍遷到高能級產(chǎn)生極化，待測的外磁場使原子的極化發(fā)生變化，從而原子的磁矩繞著磁場方向進動(旋進)，用另一束激光來檢測上述變化。即可測定磁場，磁力儀的核心是一個充滿了氣態(tài)鉀原子和緩沖氣體氦的氣室。用一束起光泵作用的圓偏振高功率的激光照射氣室，鉀原子最外層未配對的價電子吸收激光后進入自旋極化狀態(tài)．電子的自旋指向圓偏振方向。此時用一個單頻二極管激光器發(fā)出一束垂直于光泵激光束的取樣激光，檢測電子自旋在待測磁場中進動（旋進）時電子自旋的取向，取樣激光少許離開鉀的共振頻率，并且當它通過極化了的氣態(tài)鉀時，激光偏振角會轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的角度與自旋指向取樣光束的角度成比例。將取樣光束聚焦投射到光電二極管陣列上。即可形成磁場的圖像［5］。
M.V.Romalis等指出，根據(jù)量子力學(xué)的測不準原理（uncertainty principle,或不確定性原理），原子磁力儀的極限靈敏度δB＝１/（γ(nT2Vt)1/2），式中γ是旋磁比， n是單位體積內(nèi)工作物資的原子數(shù)，T2是橫向弛豫(自旋馳豫)時間，V是體積，t是測量時間。由上式可見，在γ、t給定的條件下，要提高靈敏度，必須讓n、T2達到盡可能大的數(shù)值．而為了提高空間分辨率，V又不能取很大的數(shù)值。
M．v．Romalis教授等研制的量子磁力儀正是巧妙的提高了n與T。M.V.Romalis等把鉀原子密度增加到n≈6×1013cm-3,是通常的10000倍，并加進大密度（2.9atm）的氦作為緩沖等方法，避免了自旋弛豫，即保持大的T２數(shù)值，獲得提高測量磁場的靈敏度和空間分辨率的優(yōu)異成果。靈敏度達到0.54fT/Hz1/2，經(jīng)過改進后還可提高10-2-10-3fT/Hz1/2，空間分辨率達到毫米級。在弱磁場中工作時．這種磁力儀的靈敏度可能達到10-18T的數(shù)量級，那將比SQUID靈敏1000倍，更為重要的是這種磁力儀不需要低溫條件。受M.V.Romalis教授等研制的新型原子磁力儀的啟發(fā)，目前美國已經(jīng)有公司提出根據(jù)頻率調(diào)制磁學(xué)-光學(xué)轉(zhuǎn)動原理設(shè)計靈敏磁力儀,轉(zhuǎn)動率與磁場成比例,用極化測定方法測量[4][6]。
新型原子磁力儀可用于物理學(xué)基本理論的研究，高精度地質(zhì)調(diào)查和油、氣等礦產(chǎn)普查，生物磁學(xué)研究。前已提及,現(xiàn)在光泵磁力儀已成功地測繪出心臟產(chǎn)生的磁場,磁場幅度為0.1nT，人腦的磁場很弱,只有幾個fT。高靈敏度的原子磁力儀,在繪制心磁圖、腦磁圖作醫(yī)學(xué)診斷乃至是生物磁測、空間磁測，軍事偵察等領(lǐng)域，無疑是非常合適的，但仍需進行完善才適應(yīng)實際應(yīng)用的需要。
結(jié)束語:
雖然現(xiàn)在許多小巧的新興磁敏傳感器（如霍爾磁敏傳感器，巨磁阻傳感器等）也十分活躍，但其精度遠不能與文中涉及的磁力儀相比較。隨著磁力儀的發(fā)展，磁場探測精度的提高，新興學(xué)科--磁法應(yīng)用有著廣泛的發(fā)展空間。
參考文獻
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[4] 張昌達，董浩斌. 量子磁力儀評說. 工程地球物理學(xué)報. 2004年12月第1卷第6期：499-506.
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