传感器技术磁敏传感器

第 二 章 磁 敏 传 感 器 第 一 节 质 子 旋 进 式 磁 敏 传 感 器 第 二 节 光 泵 式 磁 敏 传 感 器 第 三 节 SQUID磁 敏 传 感 器 第 四 节 磁 通 门 式 磁 敏 传 感 器 第 五 节 感 应 式 磁 敏 传 感 器 第 六 节 半 导 体 磁 敏 传 感 器 第 七 节 机 械 式 磁 敏 传 感 器 磁 敏 传 感 器 是 对 磁 场 参 量 (B,H,)敏 感 的 元 器 件 或装 置 ,具 有 把 磁 学 物 理 量 转 换 为 电 信 号 的 功 能 。 质 子 旋 进 式 磁 敏 传 感 器光 泵 式 磁 敏 传 感 器SQ UID（ 超 导 量 子 干 涉 器 ） 磁 敏 传 感 器磁 通 门 式 磁 敏 传 感 器感 应 式 磁 敏 传 感 器半 导 体 磁 敏 传 感 器 霍 尔 器 件 、 磁 敏 二 极 管 、 磁 敏 三 极 管 、 磁 敏 电 阻机 械 式 磁 敏 传 感 器光 纤 式 磁 敏 传 感 器磁 敏 传 感 器 的 种 类 质 子 旋 进 式 磁 敏 传 感 器 是 利 用 质 子 在 外 磁 场中 的 旋 进 现 象 ， 根 据 磁 共 振 原 理 研 制 成 功 的 。 物 理 学 已 证 明 物 质 是 具 有 磁 性的 。 对 水 分 子 （ H2O） 而 言 ， 从其 分 子 结 构 、 原 子 排 列 和 化 学 价的 性 质 分 析 得 知 ： 水 分 子 磁 矩（ 即 氢 质 子 磁 矩 ） 在 外 磁 场 作 用下 绕 外 磁 场 旋 进 。 一 、 质 子 旋 进 式 磁 敏 传 感 器 的 测 磁 原 理质 子 磁 矩 旋 进T M 质 子 的 旋 进 频 率 p 为 质 子 旋 磁 比 ； T为 外 磁 场 强 度f=p T /2 第 一 节 质 子 旋 进 式 磁 敏 传 感 器 从 经 典 力 学 和 量 子 力 学 观 点 ,此 公 式 的 来 源 均 能 得 以 论 证 。 为 方 便 起 见 ， 在 此 采 用 经 典 力 学 的 观 点 ， 分 析 直 角坐 标 系 中 质 子 磁 矩 的 旋 进 情 况 。设 质 子 磁 矩 M在 外 磁 场 T作 用 下 有 一 力 矩 M T， 于 是 ，它 和 陀 螺 一 样 ， 其 动 量 矩 的 变 化 率 等 于 外 加 力 矩 ， 即 ：PM p TMdtPd TMdtPddtMd PP Pzyx zyx TTT MMM kji 动 量 矩变 化 率 磁矩三个分量 xyyxPz zxxzPy yzzyPx TMTMdtdM TMTMdtdM TMTMdtdM 0dtdM TMdtdM TMdtdM z xPy yPx 设 Tz=T(外 磁 场 )； Tx=0； Ty =0对 上 式 中 的 第 一 式 微 分 xPyPx MTTdtdMdtMd 2222 02222 xPx MTdtMd 显 然 ， 为 简 谐 运 动 方 程 ， 其 解 为 常 数 z Py PxM TtAM TtAM )sin( )cos( 同 理 z xy Mz MMy Mx磁 矩 M 旋 进 规 律 变 化 示 意 图从 上 式 可 看 出 ， Mz是常 数 ， 磁 矩 M在 z轴 上的 投 影 是 不 变 的 ； 磁矩 M在 x轴 上 的 投 影是 按 余 弦 规 律 变 化 的 ；磁 矩 M在 y轴 上 的 投影 是 按 正 弦 规 律 变 化的 。 由 图 看 出 ： 磁 矩 M在 xy平 面 上 的 投 影 的 绝 对 值 是 一 个 常数 ， 并 且 在 xy平 面 上 旋 进 。 AMMM yx 22 常 数 综 合 起 来 看 ， 质 子 磁 矩 M在 外 磁 场 T的 作 用 下 ， 绕外 磁 场 T旋 进 ， 它 的 轨 迹 描 绘 出 一 个 圆 锥 体 ， 旋 进 的角 频 率 为 ， 称 为 拉 莫 尔 频 率 （ Larmor frequency） 。 根 据 简 谐 运 动 方 程 ， 可 得 到 ： 即 ： 将 此 值 代 入 上 式 HzTf nTfT 8.42574874.23Tf P2 p=（ 2.67513 0.00002） S-1T-1可 见 ， 频 率 f与 磁 场 T成 正 比 ， 只 要 能 测 出 频 率 f， 即 可间 接 求 出 外 磁 场 T的 大 小 ,从 而 达 到 测 量 外 磁 场 的 目 的 。需 要 指 出 的 是 ： 这 里 没 有 考 虑 驰 豫 时 间 ,是 在 假 设 角 不变 、 信 号 不 衰 减 的 前 提 下 分 析 测 磁 原 理 的 。 但 是 ， 在实 际 工 作 中 是 有 驰 豫 时 间 的 ， 信 号 也 是 衰 减 的 。f 2 TP 当 被 测 磁 场 很 弱 时 ， 信 号 幅 度 大 大 衰 减 。 对 微 弱 的 被 测磁 场 ， 用 一 般 的 核 磁 共 振 检 测 方 法 是 接 收 不 到 旋 进 信 号的 。 为 了 测 得 质 子 磁 矩 M绕 外 磁 场 的 旋 进 频 率 f 信 号 ，必 须 采 取 特 殊 方 法 ：二 、 磁 场 的 测 量 与 旋 进 信 号在 核 磁 共 振 中 ， 共 振 信 号 的 幅 度 与 被 测 磁 场 T3/2成 正 比 。使 沿 外 磁 场 方 向 排 列 的 质 子 磁 矩 ,在 极 化 场 的 激 励 下 ,建 立质 子 宏 观 磁 矩 ,并 使 其 方 向 于 外 磁 场 方 向 垂 直 或 接 近 垂 直 通 常 采 用 预 极 化 方 法 或 辅 助 磁 场 方 法 来 建 立 质 子 宏 观磁 矩 ， 以 增 强 信 号 幅 度 。具 体 作 法 是 :用 圆 柱 形 玻 璃 容 器 装 满 水 样 品 或 含 氢 质 子 液体 ， 作 为 灵 敏 元 件 ， 在 容 器 周 围 绕 上 极 化 线 圈 和 测 量 线圈 或 共 用 一 个 线 圈 ， 使 线 圈 轴 向 垂 直 于 外 磁 场 T方 向 。 在 垂 直 于 外 磁 场 方 向 加 一 极 化 场 H（ 该 场 强 约 为 外 磁 场的 200倍 ） 。 在 极 化 场 作 用 下 ， 容 器 内 水 中 质 子 磁 矩 沿极 化 场 方 向 排 列 ， 形 成 宏 观 磁 矩 ， 如 下 图 所 示 。 预 极 化 法 示 意 图 H*M M M HT 当 质 子 磁 矩 在 旋 进 过 程中 切 割 线 圈 ， 使 线 圈 环绕 面 积 中 的 磁 通 量 发 生变 化 ， 于 是 在 线 圈 中 就产 生 感 应 电 动 势 。当 去 掉 极 化 场 H， 质 子磁 矩 则 以 拉 莫 尔 旋 进 频率 绕 外 磁 场 旋 进 。 M 若 测 出 感 应 电 压 的 频 率 ， 就 可 计 算 出 外 磁 场 的 大 小 。因 为 极 化 场 H大 于 外 磁 场 ， 故 此 法 可 使 信 噪 比 增 大 H/T倍 。 设 外 磁 场 T的 磁 感 强 度 为 0.5 10-4T， 极 化 场 H的磁 感 强 度 为 100 10-4 T， 则 可 使 信 噪 比 增 大 200倍 。 = Tt2 t在 自 由 旋 进 的 过 程 中 ， 磁 矩 M的 横 向 分 量 以 t2（ 横 向 弛豫 时 间 ） 为 时 间 常 数 并 随 时 间 逐 渐 趋 近 于 零 ； 在 测 量线 圈 中 所 接 收 的 感 应 信 号 ， 也 是 以 t2为 时 间 常 数 按 指 数规 律 衰 减 的 。 M衰 减 示 意 图 感 应 信 号 衰 减 示 意 图xy 核 心 ： 500cc左 右 有 机 玻 璃 容 器 ,在 容 器 外 面 绕 以 数 百 匝的 导 线 ,使 线 圈 轴 向 与 外 磁 场 方 向 大 致 垂 直 ,线 圈 中 通 以 1 3A的 电 流 ,而 形 成 约 0.01T的 极 化 场 ,使 水 中 质 子 磁 矩指 向 极 化 场 H的 方 向 。 质 子 旋 进 式 磁 敏 传 感 器蒸 馏 水 T 计 数 器放 大 器线 圈 质 子 旋 进 式 磁 敏 传 感 器 的 组 成E若 迅 速 撤 去 极 化 磁 场 ,则 M的 数 值 与 方 向 均 来 不 及 变 化 ,弛 豫 过 程来 不 及 影 响 M的 行 为 ,此 时 ,质 子 磁 矩 在 自 旋 和 外 磁 场 T的 作 用 下 以角 速 度 绕 外 磁 场 T旋 进 。 在 旋 进 的 过 程 中 ， 周 期 性 切 割 测 量 线圈 ， 产 生 感 应 信 号 。 由 于 弛 豫 过 程 的 作 用 ， 其 信 号 幅 度 Vt的 大 小随 时 间 按 指 数 规 律 衰 减 ， 其 表 示 式 为 ： tSMWV sin410 080 在 实 际 工 作 时 ,线 圈 轴 向 与 外 磁 场 的 夹 角 不 正 好 保 持 900,由 实 测 得 知 ： 总 磁 矩 量 值 与 sin2成 正 比 例 ,所 以 ,自 由 旋 进感 应 信 号 的 电 压 幅 值 和 sin2成 比 例 。 又 考 虑 到 旋 进 信 号按 指 数 规 律 衰 减 的 特 点 ,其 感 应 信 号 完 整 表 达 式 应 为M0磁 化 强 度如 果 接 收 线 圈 有 W匝 ,所 包 围 的 面 积 为 S,充 填 因 子 为 ,则角 的 大 小 只 影 响 质 子 旋 进 信 号 的 振 幅 大 小 ， 而 并 不 影 响质 子 旋 进 频 率 ， 故 在 实 际 测 量 中 ， 探 头 无 需 严 格 定 向 。=900时 ， 信 号 最 大 。质 子 旋 进信 号 强 度 2/208 sinsin410 ttt teSMWV 2/0 ttt eVV t2横 向 驰 豫 时 间 ； V0信 号 初 始 幅 度 。 由 实 验 得 知 ,对 于 几 百 cm3的 样 品 ， 线 圈 为 数 百 匝 的 传 感器 ， 在 较 好 的 情 况 下 ， 质 子 感 应 信 号 仅 为 0.5 mV左 右 。感 应 信 号 的 衰 减 还 和 外 磁 场 梯 度 的 大 小 有 关 。理 论 分 析 和 实 验 表 明 ： 测 量 线 圈 中 产 生 的 感 应 信 号 频 率即 为 质 子 磁 矩 的 旋 进 频 率 ， 这 和 公 式 是 一 致 的 。Tf P2用 质 子 旋 进 式 磁 敏 传 感 器 测 量 外 磁 场 的 主 要 优 点 是 ： 精 度 高 ， 一 般 在 （ 0.110） nT范 围 内 ； 稳 定 性 好 （ 因 p是 一 常 数 ， 其 值 只 与 质 子 本 身 有 关 ，它 的 值 与 外 界 温 度 、 压 力 、 湿 度 等 因 素 均 无 关 ） ； 工 作 速 度 快 ， 可 直 读 外 磁 场 nT 值 ； 绝 对 值 测 量其 缺 点 是 ：极 化 功 率 大 ,只 能 进 行 快 速 点 测 ； 受 磁 场 梯 度 影 响 较 大 1. 样 品 选 择如 果 设 计 的 传 感 器 系 用 于 磁 测 作 业 ， 因 水 的 纵 向 弛 豫 时间 t1和 横 向 弛 豫 时 间 t2较 长 ， 故 适 合 地 面 操 作 。选 择 样 品 一 定 要 选 择 水 或 含 有质 子 的 液 体 ， 如 酒 精 、 煤 油 、甘 油 等 。 几 种 溶 液 的 驰 豫 时 间t1、 t2数 值 见 表 。 溶 液 时 间 /st1 t2水 2.3 3煤 油 0.7 1如 果 有 自 动 化 程 度 高 的 测 频 装 置 ， 则 可 选 用 t1、 t2时 间短 的 样 品 ； 如 果 在 空 中 磁 测 ， 由 于 飞 机 航 速 快 ， 选 择煤 油 作 样 品 则 是 合 适 的 ； 如 果 在 低 温 地 区 工 作 ， 除 考虑 t 1、 t2外 ， 还 应 考 虑 选 择 冰 点 低 （ 如 甘 油 ） 的 样 品 。 三 、 质 子 旋 进 式 磁 敏 传 感 器 的 设 计 考 虑 到 无 磁 性 ， 价 格 便 宜 ， 加 工 方 便 ， 选 择 有 机 玻 璃 材料 制 作 容 器 是 合 适 的 。2. 容 器 的 选 择3. 激 发 与 接 收据 前 述 ： 极 化 场 方 向 应 垂 直 于 被 测 磁 场 ， 极 化 场 的 大小 应 大 于 被 测 磁 场 200倍 ， 被 测 磁 场 按 0.5 10-4T计 算 ，根 据 实 践 经 验 ， 应 选 大 于 100 10-4T的 极 化 场 进 行 激发 较 妥 。 为 得 到 大 的 感 应 信 号 ， 接 收 线 圈 的 轴 向 应 垂直 于 被 测 磁 场 。 必 须 采 用 预 极 化 方 式 才 能 接 收 到 旋 进的 感 应 信 号 。 由 实 验 和 理 论 计 算 结 果 认 为 ； 容 器 的 直 径 和 长 之 比 应为 l ： 1.2（ 1.3） 的 圆 柱 形 为 宜 。 接 收 线 圈 的 种 类 :地 面 传 感 器 用 单 线 圈 ,空 中 磁 测 用 双 线圈 ,地 震 台 站 用 环 形 线 圈 , 海 洋 磁 测 用 三 轴 式 线 圈 。 lCZM-2型 质 子 磁 力 仪lIGS-2/MP-4质 子 磁 力 仪四 、 质 子 旋 进 式 磁 敏 传 感 器 的 应 用 CZM-2型 质 子 磁 力 仪磁 化系 统 选 频放 大 器 压 控倍 频 器 电子门 计 数 器数 字译 码 显 示数 字打 印 输 出晶 振 分 频 及 程 序 控 制稳 压 器DC+13V-+18V传 感 器 打 印 指 令+ 10V 自 校 测 量 IGS-2型 质 子 磁 力 仪 的 系 统 扩 展 及 外 设 配 置打 印 机 曲 线 记 录 仪 磁 带 记 录 仪 微 型 计 算 机 调 制 解 调 器IG2-2 控 制 台 磁 力 仪MP-4 电 磁 仪EM 甚 低 频 仪VLF 计 算 机 光 泵 式 磁 敏 传 感 器 是 高 灵 敏 度 光 泵 磁 力 仪 的 核 心 部 件 。它 是 以 某 些 元 素 的 原 子 在 外 磁 场 中 产 生 的 塞 曼 分 裂 为 基础 ， 并 采 用 光 泵 和 磁 共 振 技 术 研 制 成 的 。第 二 节 光 泵 式 磁 敏 传 感 器磁 力 仪 种 类 ： 按 共 振 元 素 的 不 同 ,分 为 氦 (He)光 泵 磁 力 仪 ,其 中 又 分 He 3、 He4光 泵 磁 力 仪 ;碱 金 属 光 泵 磁 力 仪 ,其 共 振元 素 有 铷 (Rb85、 Rb87)、 铯 (Cs133)、 钾 (K39)、 汞 (Hg)等 。灵 敏 度 高 ,一 般 为 0.01nT量 级 ,理 论 灵 敏 度 高 达 10-210-4nT响 应 频 率 高 ， 可 在 快 速 变 化 中 进 行 测 量可 测 量 磁 场 的 总 向 量 T及 其 分 量 ， 并 能 进 行 连 续 测 量利 用 光 泵 传 感 器 做 成 的 测 磁 仪 器 ， 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 同 质 子 旋进 式 磁 力 仪 相 比 有 以 下 特 点 ： （ 一 ） 塞 曼 效 应塞 曼 效 应 是 指 在 外 磁 场 中 原 子 能 级 产 生 分 裂 的 现 象 。一 、 氦 （ He4） 光 泵 式 磁 敏 传 感 器 的 物 理 基 础xSSNv 2 v0 v1O v2v0v1 zy塞 曼 效 应 ： 正 常 和 反 常 塞 曼 效 应正 常 塞 曼 效 应 ： 在 弱 磁 场中 ,电 子 自 旋 量 子 数 为 零 时(S=0)产 生 的 塞 曼 效 应 。反 常 塞 曼 效 应 ： 在 弱 磁 场中 ,电 子 自 旋 量 子 数 不 为 零(S0)时 产 生 的 塞 曼 效 应光 泵 式 磁 敏 传 感 器 ， 不 管 是 碱 金 属 Cs、 Rb还 是 He 4、 He3光 泵 传 感器 ， 电 子 自 旋 量 子 数 均 不 为 零 （ S0） ， 并 且 均 是 在 弱 磁 场 中 工作 ， 故 属 反 常 塞 曼 效 应 。 成 分成 分 当 原 子 在 弱 磁 场 H中 时 ， 总 的 轨 道 动 量 矩 Pl和总 的 自 旋 动 量 矩 Ps之 间 的 “ 耦 合 ” ， 没 有 被 拆 开 ，这 时 ， 原 子 的 壳 层 动 量 矩 Pj将 带 着 Pl和 Ps一 起 绕磁 场 H旋 进 。 如 图 所 示 。 由 图 看 出 ， 磁 场 将 使 原子 获 得 的 附 加 能 量 为 ： H P sPl0H PjPlPs0弱 磁 场 中 Pj 、 Pl 、 Ps的 旋 进)cos( HjHE jH (jH)磁 场 H和 壳 层 磁 矩 j之 间 的 夹 角 。 （ 二 ） 反 常 的 塞 曼 效 应 的 能 级 分 裂 E1+ E1E1E2+ E2E1E2 vv0 原 子 能 级 跃 迁 示 意 图 gE能 级 的 郎 得 因 子 ； f0拉 莫 尔 旋 进 频 率 ； 波 尔 磁 子 ； h普 朗 克 常 数 ； m电 子 质 量 ； c光 速 。mceh 40 假 设 原 子 跃 迁 能 级 为 E1、 E2。 在 外 磁 场 作 用 下 ，这 两 个 能 级 各 自 有 附 加 能 量 E 1， E2。 原 子 就 在 附加 能 量 的 能 级 上 产 生 跃 迁 。 （ 如 上 图 所 示 ） 。 对 外 层 电 子 只 有 一 个 在 起 作 用 ， 只 考 虑 单 电 子 的 内 量子 数 ， 则 可 导 出 hfmgHmgE jjjjH 00 磁 场 将 使 原 子 获得 的 附 加 能 量 氦 原 子 有 两 个 电 子 ， 两 个 质 子 和 两 个 中 子 ， 核 自 旋互 相 抵 消 ， 核 磁 矩 为 零 。 在 一 般 情 况 下 ， 两 个 电 子 都 处在 1s轨 道 ， 充 满 n=l轨 道 ， l=0， 表 现 不 出 轨 道 磁 矩 ； 根据 泡 利 不 相 容 原 理 ， 两 个 电 子 的 自 旋 也 必 然 相 反 ， 也 显示 不 出 电 子 的 自 旋 磁 矩 ； 因 而 氦 原 子 在 外 磁 场 中 不 会 产生 塞 曼 分 裂 ， 也 就 无 法 利 用 He4进 行 光 泵 磁 测 了 。 为 使 没 有 磁 矩 的 He4产 生 磁 矩 ， 来 测 量 磁 场 。 将 一电 子 激 发 到 较 高 能 级 的 轨 道 上 ,另 一 电 于 仍 处 在 1s态 (基态 )。 处 在 激 发 态 的 高 能 级 上 的 电 子 , 其 自 旋 状 态 有 两 种取 向 ： 一 种 是 和 处 在 基 态 (1s)的 电 子 的 自 旋 方 向 相 同 ,所表 现 的 总 自 旋 量 子 数 S=1/2+1/2=1； 另 一 种 是 相 反 ，S=1/2-1/2=0。（ 三 ） 氦 （ He4） 原 子 能 级 的 塞 曼 分 裂 当 S=0时 ,由 于 l1=l2=0,所 以 J=0,即 在 磁 场 作 用 下 ,能 级 不发 生 分 裂 ， 表 现 为 单 重 能 级 ， 称 这 种 情 况 为 仲 氦 。当 S=l时 ,由 于 l1=l2=0,所 以 J=1,在 外 磁 场 作 用 下 ,能 级 分 裂为 2J 1=3个 能 级 ,能 级 表 现 为 三 重 态 ,这 种 情 况 称 正 氦 。 通 过 对 塞 曼 效 应 的 分 析 ， 可 得 到 以 下 几 点 结 论 2、 磁 共 振 的 频 率 大 小 取 决 于 相 邻 能 级 间 的 能 量 差 （ E） ， E=hv。1、 塞 曼 分 裂 后 ， 相 邻 能 级 之 间 的 能 量 差 极 小 ， 要 观 察这 样 小 的 分 裂 情 况 ， 只 有 通 过 能 级 间 受 激 跃 迁 的 方 法 ，也 就 是 用 磁 共 振 的 方 法 进 行 检 测 。 这 里 所 指 的 受 激 跃迁 ， 受 激 能 量 来 自 光 ， 也 就 是 通 常 所 说 的 光 泵 （ 光 抽运 ） 方 式 。3、 由 于 塞 曼 分 裂 后 ， 磁 子 能 级 间 能 量 很 小 ， 信 号 只有 微 伏 量 级 ， 要 观 察 这 样 小 的 信 号 ， 必 须 外 加 一 射 频场 并 用 电 子 接 收 技 术 来 完 成 。4、 在 磁 共 振 过 程 中 ， 其 它 量 子 数 不 发 生 变 化 ， 而 只 有磁 量 子 数 在 选 择 定 则 的 范 围 内 变 化 ， 光 泵 式 磁 敏 传 感器 就 是 在 这 种 情 况 下 工 作 的 。 He4原 子 在 稳 态 下 既 不 具 有 核 磁 矩 ,也 不 具 有 壳 层 磁 矩 ,整个 原 子 不 显 示 磁 性 ,在 外 磁 场 中 不 产 生 塞 曼 能 级 分 裂 。 当 把 He4原 子 中 一 电 子 激 发 到 亚 稳 态 时 ,对 正 氦 s=l的 情况 ,则 具 有 电 子 自 旋 磁 矩 。 这 时 是 单 个 电 子 的 自 旋 磁 矩 ,即 原 子 的 总 磁 矩 等 于 电 子 的 总 自 旋 磁 矩 ,即 ： J =S。 由于 电 子 自 旋 磁 矩 J是 在 外 磁 场 作 用 下 ,故 在 外 磁 场 方 向 上的 投 影 为 二 、 氦 （ He4） 光 泵 式 磁 敏 传 感 器 的 测 磁 原 理 2hm SsST )cos( TJTE JT )cos( TJTS TST外 磁 场 (弱 磁 场 )作 用在 磁 矩 上 的 附 加 能 量ThmE SST 2 s电 子 的 总 磁 矩 比 在 亚 稳 态 （ 23s1） 中 ， J=1， mj=0, 1。 对 J=1的 亚 稳态 在 外 磁 场 中 分 裂 为 三 个 能 级 ， 两 相 邻 磁 子 能 级 间 的能 量 差 为 ： ThE ST 2 hfE T 跃 迁 过 程 中 辐 射 的 光 子 能 量 恰 好 等 于 两 相 邻 能 级 间 的能 量 差 ， 即 ：由 上 式 可 看 出 ： 频 率 f与 外 磁 场 T成 正 比 关 系 ， 只 要 测出 频 率 f即 可 求 得 外 磁 场 T的 大 小 。 2Tf SThhf S 2f辐 射 频 率 ； h普 郎 克 常 数 。 He4光 泵 式 磁 敏 传感 器 测 磁 原 理 公 式 j=1 11 11j=1D123S122P1 D1线 作 用 下 He4亚 稳 态 原 子 的 光 泵 作 用 示 意 图 00mj利 用 光 使 原 子 磁 矩 达 到 定 向 排 列 的 过 程 ,也 称 光 学 取 向 。 （ 一 ） 光 泵 作 用实 质 过 程 ： 在 垂 直 于 外 磁 场 方 向 (即 垂 直 于 光 轴 )加一 交 变 的 磁 场 射 频 场 ， 使 射 频 场 的 频 率 f0等 于 相 邻 磁 子 能 级 间 的 跃 迁 频 率 。 根 据 受 激跃 迁 原 则 ， 射 频 场 将 使 富 集 在 mj=+1磁 子 能 级上 的 原 子 ， 产 生 受 激 跃 迁 。 首 先 向 mj=0磁 子能 级 上 跃 迁 ， 再 逐 渐 向 mj=-1的 磁 子 能 级 跃 迁 ，使 原 子 的 分 布 规 律 服 从 玻 尔 兹 曼 分 布 规 律 。于 是 原 子 磁 矩 的 定 向 排 列 被 打 乱 ， 完 成 了 磁共 振 的 整 个 过 程 。 （ 二 ） 磁 共 振 作 用用 射 频 场 打 乱 原 子 磁 矩 定 向 排 列 的 过 程 。 在 原 子 磁 矩 取 向 前 ， 吸 收 室 中 大 量 亚 稳 态 正 氦 原子 吸 收 由 氦 灯 射 来 的 D线 ， 原 子 通 过 光 泵 作 用 将原 子 磁 矩 定 向 排 列 到 某 一 能 级 上 去 ， 这 时 透 过 吸收 室 的 光 线 相 对 较 少 ， 称 作 光 弱 (暗 )； 当 原 子 磁矩 取 向 时 刻 ， 吸 收 室 内 的 原 子 磁 矩 已 排 列 好 ， 不再 吸 收 D线 ， 而 透 过 吸 收 室 的 光 相 对 变 强 ， 称 作光 强 (亮 )。 当 发 生 磁 共 振 时 ， 即 原 子 磁 矩 取 向 被打 乱 ， 吸 收 D线 产 生 光 泵 作 用 而 重 新 取 向 ， 此 时为 暗 。 若 能 测 量 出 通 过 吸 收 室 样 品 光 线 最 暗 时 的射 频 场 频 率 ， 即 求 得 磁 共 振 （ 吸 收 ） 频 率 。从 吸 收 室 光 的 强 或 弱 （ 即 从 光 学 检 测 ） 的 角 度 出发 ， 分 析 光 泵 作 用 和 磁 共 振 作 用 的 全 过 程 。 2 3 4 5 8 9 1061 放 大 图 2.2-6 He4光 泵 式 磁 敏 传 感 器 的 组 成 框 图1高 频 激 发 振 荡 器 ； 2氦 灯 ； 3透 镜 1； 4偏 振 偏 ； 5 /4 ； 6吸 收 室 ； 7RF振 荡 器 ； 8射 频 线 圈 ； 9透 镜 2； 10光 敏 元 件 7He4光 泵 式 磁 敏 传 感 器 系 由 吸 收 室 、 氦 灯 、 两 个 透 镜 、偏 振 片 、 /4、 光 敏 元 件 等 元 器 件 组 成 。 三 、 光 泵 式 磁 敏 传 感 器 的 组 成 及 工 作 原 理 首 先 将 测 磁 传 感 器 置 于 被 测 外 磁 场 中 ，并 使 传 感 器 的 轴 向 与 外 磁 场 方 向 平 行 ， 其 后将 高 频 激 发 振 荡 器 打 开 ， 激 发 氦 灯 使 发 出 D线 ；激 发 He4吸 收 室 使 其 处 于 亚 稳 状 态 。 这 时 灯 发 出 的 D线 经 过 透 镜 将 D线 变 成 平行 光 ， 再 经 偏 振 片 和 /4变 成 圆 周 极 化 光 ， 直射 至 吸 收 室 中 的 亚 稳 态 正 氦 上 ， 正 氦 在 外 磁场 作 用 下 产 生 塞 曼 分 裂 ， 塞 曼 能 级 2s态 原 子 吸收 D线 ， 跃 迁 到 2P态 而 产 生 光 泵 作 用 。He4光 泵 式 磁 敏 传 感 器 的 工 作 原 理 光 泵 作 用 结 果 使 原 于 磁 矩 取 向 于 2s态某 一 磁 子 能 级 上 。 然 后 由 RF娠 荡 器 提 供 给的 射 频 能 量 ， 打 乱 亚 稳 态 中 某 一 磁 子 能 级上 原 子 磁 矩 的 取 问 ， 产 生 磁 共 振 作 用 。 当测 出 磁 共 振 时 射 频 场 的 频 率 f0， 即 可 求 出 被测 外 磁 场 T的 大 小 。 由 前 所 述 ， 磁 共 振 频 率 f0是 由 光 敏 元 件通 过 光 线 的 弱 或 强 的 变 化 来 检 测 ， 即 由 射频 振 荡 器 指 示 出 的 吸 收 室 最 暗 时 刻 相 对 应的 频 率 ， 就 是 所 要 测 量 的 共 振 频 率 f0。 四 、 磁 共 振 检 测 方 法大 调 频 法 ： 是 一 种 粗 略 地 观 察 与 测 量 共 振 信 号 的 方 法 ，信 号 源 提 供 振 荡 频 率 接 近 于 共 振 频 率 的 电 磁 波 ， 同 时 被一 个 锯 齿 波 所 调 制 。 输 给 样 品 的 电 磁 波 振 荡 频 率 围 绕 着中 心 频 率 有 一 变 化 范 围 。大 调 频 法 、 大 调 场 法 、 小 调 频 法调 制 信 号 频 率 为 几 Hz几 十 Hz。要 求 ： 调 频 幅 度 必 须 大 于 谱 线 宽 度 ， 使 信 号 源 频 率 变化 范 围 覆 盖 样 品 共 振 区 ， 故 称 大 调 频 法 。 大 调 场 法 ： 在 观 察 塞 曼 分 裂 能 级 之 间 的 共 振 吸 收 时 （ 磁共 振 ） ， 也 可 用 固 定 频 率 的 信 号 源 ， 通 过 改 变 恒 磁 场 的方 法 进 行 ， 即 大 调 场 法 。小 调 频 法 ： 用 两 个 调 频 信 号 ， 一 个 是 调 频 幅 度 小 于 谱 线线 宽 ， 称 为 小 调 频 ， 由 正 弦 波 发 生 器 供 给 。 其 调 制 频 率一 般 为 几 十 Hz到 几 百 Hz 。 另 一 个 调 频 幅 度 大 于 谱 线 线宽 ， 称 为 慢 扫 频 ， 它 由 慢 扫 频 发 生 器 供 给 。 扫 频 频 率 与小 调 频 的 调 制 频 率 相 等 。 慢 扫 频 使 信 号 源 的 振 荡 频 率 缓慢 通 过 共 振 区 。原 理 ： 当 改 变 恒 磁 场 时 ， 塞 曼 能 级 的 间 距 发 生 变 化 ， 当磁 场 变 化 到 使 两 塞 曼 能 级 间 的 能 量 差 满 足 E=hf 时 发 生共 振 ,样 品 吸 收 电 磁 波 功 率 。 五 、 氦 （ He4） 光 泵 式 磁 敏 传 感 器 的 应 用 He4跟 踪 式 光 泵 磁 力 仪 方 框 图数 模 转 换 器 记 录 器计 数 器 打 印 机倍 频 器压 控 振 荡 器 低 频 振 荡 器 移 相 器选 频 放 大 器 相 敏 检 波 器 积 分 器He4传 感 器高 频 振 荡 器是 一 种 根 据 小 调 频 法 检 测 磁 共 振 的 磁 力 仪