论新型磁力仪展望

【论文关键词】：磁力仪；光泵；超导SQUID；原子 

【论文摘要】：对磁力仪未来发展进行了展望。重点介绍了：1.光泵磁力仪及其光源和共振元素的选择与设计2.超导技术的进步推动了超导量子干涉磁力仪的发展3.对处于研究、探索阶段的原子磁力仪进行了关注。 
　　 
　　引言 
　　 
　　 目前，在空间、海洋、勘探、在医院和其它实验室中广泛的应用着各种磁力仪，用于测量地磁场以及生物磁场。在这些领域，新型的光泵磁力仪、超导磁力仪（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）；以及处于研究、试验阶段的固体电子自旋共振磁力仪（Electron Spin Resonance ,ESP）、原子磁力仪（Atomic Magnetometer, AM）必将以其超高的精度担负起越来越重的任务。 
　　 过去测量磁场强度的单位是奥斯特(Oersted,Oe)，采用和推广国际单位制(SI)以后，测量磁 感 应 强度( 磁 通量密度)的 单 位 是 特 斯 拉(Tesla,T)或高斯(Gaus ,Gs)。 它们之间的对应关系为1nT= 10-9 T = 1gamma(γ)。特 斯 拉的换算关系为:1T(特斯拉)= 109nT (纳特)=1012pT(皮特)=1015fT(飞特)=1018aT(阿特)［1］。 
　　 磁场强度曾经用过T、F、Be等几个符号表示，许多文献中曾采用F、Be。文章中为了规范、清晰采用国际标准单位T。 
　　 
　　１.光泵磁力仪 
　　 
　　 光泵磁力仪是高灵敏的磁测设备。它是以某些元素的原子在外磁场中产生的蔡曼分裂为基础，并采用光泵技术与磁共振技术研制成的。 
　　 按照量子理论，在外磁场T中，具有自旋的亚原子粒子（如核子和电子）能级简并（degeneracy）解除，分裂为一些磁次能级（或称为蔡曼能级），在光谱上的表现，就是谱线分裂，这就是蔡曼效应，蔡曼因此获得1902(第二届)诺贝尔物理学奖。分裂的能级间的能量差一般与外界磁场成正比。当粒子在分裂的能级间发生跃迁时，就会发射或吸收电磁波，其频率与磁次能级间的能量差成正比，测定这个电磁波的频率，即可测定磁场。 
　　 光泵磁力仪是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它灵敏度高，一般为0.01nT量级，理论灵敏度高达10－２-10－４nT;响应频率高，可在快速变化中进行测量;可测量地磁场的总向量T及其分量，并能进行连续测量。 
　　 光泵磁力仪的种类甚多。按共振元素的不同，可分为氦（He）光泵磁力仪和碱金属光泵磁力仪，共振元素有氦（He4）、铷（Rb85、Rb87）、铯（Cs133）、钾（K39）、汞（Hg）等。对碱金属而言，受温度影响较大，如铯（Cs133）元素在恒温430C左右，方可变成蒸汽状态，而只有在蒸汽状态时才能产生光泵作用。对He3、He4而言，因其本身是气体状态，无需加热至恒温，只需将它激励使其处于亚稳态，就能产生光泵作用。这些条件在设计与制造仪器时，必须予以重视。 
　　 光泵磁力仪未来的发展水平，主要取决于光泵光源及共振元素的发展程度。法国曾用可调谐的激光器代替常规的氦灯制成光泵磁力仪，由于谱线的选择性较好，激光又比氦灯的光要强，因此提高了磁力仪的灵敏度，达到10pT/Hz1/2。美国的m博士利用二极管激光器作为氦同位素光泵磁力仪的'光源，并申请了专利，与氦灯光源相比，灵敏度提高一个量级。最新的激光光泵氦（He4）磁力仪的灵敏度已突破１PT/Hz1/2的界限，达到0.4 PT/Hz1/2，而用高频激发的灯室作为光泵的光源的氦４航空磁力仪达到了20pT/Hz1/2的灵敏度［2-3］。在共振元素的选择上，为了提高精度，需要选择谱线较窄的物质，碱金属符合谱线窄的要求，但需要一定的温度（40-55℃）加热为气态。现在已经有很多利用碱金属制成的磁力仪，前不久问世的钾磁力仪，由于谱线很窄又不重叠，方位误差很小，维修方便，分辨率达到0.1pT，在取样率为20Hz时，灵敏度可达到0.014nT。因此钾光泵磁力仪在光泵磁力仪中占有优势地位。当然随着灵敏度，取样率的提高，其价格也显著提高。 
　　 
　　２.超导量子干涉磁力仪