Квантовые магнитометры.

По установившейся отраслевой (геолого-геофизической) терминологии квантовыми называются магнитометры, работающие на принципе оптической накачки, хотя по международной терминологии группа квантовых магнитометров значительно шире.

Магнитометры на принципе оптической накачки основаны на взаимодействии магнитных моментов атомов рабочего вещества (пары щелочных металлов - Na, K, Rb, Cz или инертные газы He, Ar, Kr и др.) с внешним магнитным полем (эффект Зеемана).

Сущность эффекта Зеемана состоит в том, что энергетические уровни атомов жидких, газообразных и парообразных веществ, находящихся в магнитном поле, расщепляются на несколько подуровней.

Частота излучения или поглощения¦ (в Гц) при переходе электрона с одного подуровня на другой определяется:

¦ = (m_Б / h)×Т_ВН ,(3.23)

где m_Б - магнетон Бора (магнитный момент электрона); h - постоянная Планка (коэффициент пропорциональности между квантом энергии и циклической частотой его излучения), Т_ВН - напряженность внешнего магнитного поля.

Из формулы (3.23) видно, что если измерить частоту излучения¦ при переходе электрона с одного подуровня на другой, можно определить значение поля Т_ВН.

Но наблюдать переход отдельных атомов с одного зеемановского уровня на другой практически невозможно. Необходимо добиться согласованного возбуждения множества атомов и последующего перехода их всех сразу в невозбужденное состояние. Этого добиваются с помощью принципа оптической накачки.

Схематически принцип оптической накачки или оптической ориентации атомов состоит в следующем (рис.3.18).

Рис. 3.18. К пояснению принципа оптической накачки

Под действием внешнего магнитного поля Т_ВН, в соответствии с эффектом Зеемана, энергетические уровни атомов расщепляются на подуровни А,В,С (рис.3.18 а). Поэтому преимущественную заселенность подуровня В обеспечивают облучением рабочего вещества светом, в котором нет спектральной линии В. Тогда, по законам квантовой физики, переход из В в С запрещен (невозможен) из А в С возможен, из С в А и В равновероятен. Постепенно (рис. 3.18 б - г) атомы перейдут в состояние В. Поглощение света закончится, вещество магнитно поляризуется (одинаковая поляризация магнитных моментов атомов).

Отфильтровка спектральной линии ВС достигается круговой поляризацией монохроматического света. Детектирование сигнала при оптической накачке осуществляется по изменению интенсивности проходящего света. При воздействии дополнительного радиочастотного магнитного поля (усиливающего выравнивание заселенности) прозрачность рабочего вещества уменьшается, что фиксируется фотоэлементом в виде электрического сигнала.

Минимум света наблюдается при соответствии частоты радиополя (f_P) круговой частоте резонансного перехода

w = 2p¦ = g*Т_ВН , (3.24)

где g - гиромагнитное отношение электрона.

Нетрудно заметить, что и в основе способа оптической накачки, и в основе способа ядерной прецессии - одна и та же формула, но способы поляризации рабочего вещества различны. Именно по этой причине за рубежом и ядерно-протонные и квантовые магнитометры объединяют под общим названием «ядерные магнитометры».

Порог чувствительности магнитометров, основанных на принципе оптической накачки, составляет 1 - 0.01 нТл в зависимости от цикла измерений. Их показания менее устойчивы, чем у протонных магнитометров, однако они имеют лучшую частотную характеристику, могут работать и в слабо-, и в сильноградиентных полях.

На принципе оптической накачки построены квантовые аэромагнитометры ММ-305, КАМ-28, пешеходные М-33, ММП - 303, ММ -60.

Порядок работы с этими магнитометрами также достаточно прост и аналогичен порядку работы с магнитометром ММП -203М.