Магнитометр
Магнитометр — (от греч. magnetis — магнит и… метр), прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств материалов. В зависимости от определяемой величины различают приборы для измерения: напряжённости поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента. Магнитометры градуируются в единицах напряжённости магнитного поля СГС системы единиц (Эрстед, мЭ, мкЭ, гамма = 105 Э) и в единицах магнитной индукции СИ (Тесла, мкТл, нТл). Магнитометры.
Применяется:
- в геологии, при поиске полезных ископаемых,
- в археологии, при археологических раскопках,
- в астрофизике, при исследовании орбиты планет.
- в навигации на море, космосе и авиации.
- в биологии и медицине.
- в сейсмологии (предсказании землетрясений).
Содержание |
Типы магнитометров
Магнитостатические магнитометры
(механический магнитометр) основаны на измерении механического момента , действующего на индикаторный магнит прибора в измеряемом поле ; , где — магнитный момент индикаторного магнита. Момент в магнитометрах различной конструкции сравнивается:
- с моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые магнитометры и универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью G ~ 1 нтл)
- с моментом силы тяжести (магнитные весы с G ~ нтл)
- с моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определённом положении (оси индикаторного и вспомогательного магнитов в положении равновесия перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогательного магнита в поле , можно измерить абсолютную величину (абсолютный метод Гаусса).
Основное назначение магнитостатических магнитометров — измерение компонент и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля, градиента поля, а также магнитных свойств веществ.
Индукционные магнитометры
Основаны на явлении электромагнитной индукции — возникновении эдс в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь её контур магнитного потока . Изменение потока в катушке может быть связано:
- с изменением величины или направления измеряемого поля во времени (примеры — индукционные вариометры, флюксметры). Простейший флюксметр (веберметр) представляет собой баллистический гальванометр, действующий в сильно переуспокоенном режиме (G ~ вб/деление); широко применяются магнитоэлектрические веберметры с G ~ вб/деление, фотоэлектрические веберметры с G ~ вб/деление и другие.
- с периодическим изменением положения (вращением, колебанием) измерительной катушки в измеряемом поле (рис. 2); простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G ~ тл. У наиболее чувствительных вибрационных магнитометров G ~ 0,1—1 нтл.
- с изменением магнитного сопротивления измерительной катушки, что достигается периодическим изменением магнитной проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается до насыщения вспомогательным переменным полем возбуждения); действующие по этому принципу ферромодуляционные магнитометры имеют G ~ 0,2—1 нтл.
- Индукционные магнитометры применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т. д.
- Вибрационный магнитометр
- Флюксметр
- Феррозондовый магнитометр.
Квантовые магнитометры
Приборы, основанные на свободной прецессии магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах (ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе). Для наблюдения зависимости частоты прецессии магнитных моментов микрочастиц от напряжённости измеряемого поля (, где — магнитомеханическое отношение) необходимо создать макроскопический магнитный момент ансамбля микрочастиц (ядер или электронов). В зависимости от способа создания макроскопического магнитного момента и метода детектирования сигнала различают: протонные магнитометры (свободной прецессии, с динамической поляризацией и с синхронной поляризацией), резонансные магнитометры (электронные и ядерные), магнитометры с оптической накачкой и др. Квантовые магнитометры применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей (в том числе геомагнитного и магнитного поля в космическом пространстве), в геологоразведке, в магнитохимии (G до - нтл). Значительно меньшую чувствительность (G ~ тл) имеют квантовые магнитометры для измерения сильных магнитных полей.
- Протонный магнитометр.
- Гелиевый магнитометр.
- Атомный магнитометр на щелочный металлах с оптической накачкой.
- Атомный магнитометр, свободный от спин-обменного уширения (SERF-магнитометр)
- СКВИД (англ. SQUID).
Чувствительность квантового магнитометра определяется следующим соотношением:
где константа, — ширина спектральной линии, - гиромагнитное отношение и — отношение сигнал/шум. Чувствительность не зависит от ларморовой частоты. Магнитометры Оверхаузена, ларморова частота которых равна 0.042 Гц/нТл, цезиевый и гелиевый-4 магнитометры с 3.5 Гц/нТл и 28 Гц/нТл, соответственно, имеют одинаковую чувствительность. Ширина спектральной линиии для разных квантовых магнитометров приведена в таблице.
Сравнение магнитометров
| Тип магнитометра | Ширина резонансной линии, <math>\Gamma</math>, нТл |
|---|---|
| Цезий | <math>20</math> |
| Гелий 3 | <math>2.74x10^{-5}</math> |
| Гелий 4 | <math>70</math> |
| Оверхаузен | <math>4</math> |
| Калий | <math>0.1-10</math> |
| Протон | <math>15</math> |
Применение магнитометров в медицине
| Величина магнитного поля, Тл | Источники и оценка магнитометра | Тип магнитометра |
|---|---|---|
| <math>10^{-2} - 10^{-3}</math> | Предельно допустимое поле на рабочем месте | |
| <math>10^{-4}-10^{-7}</math> | Геомагнитное поле | Холловский датчик |
| <math>10^{-8}</math> | Городские магнитные помехи, | Феррозонд |
| <math>10^{-9}</math> | Порог магнитобиологических реакций | Феррозонд |
| <math>10^{-10}</math> | Сигнал электрического органа рыб, геомагнитный шум, сердце, ферромагнитные включения | Индукционный |
| <math>10^{-11}</math> | Мышцы скелетные, глаз | Магнитометр с оптической накачкой |
| <math>10^{-12}</math> | Фоновая и вызванная активность мозга | Магнитометр с оптической накачкой |
| <math>10^{-13}</math> | Клетчатка глаза | Магнитометр с оптической накачкой |
| <math>10^{-14}</math> | Чувствительность СКВИДА | СКВИД |
