第二章磁敏传感器.ppt

2021/3/26 * 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。 2021/3/26 * 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。 2021/3/26 * 2 3 4 5 8 9 10 6 1 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； 7—RF振荡器； 8—射频线圈； 9—透镜2； 10—光敏元件 7 He4光泵式磁敏传感器系由吸收室、氦灯、两个透镜、偏振片、λ/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 2021/3/26 * 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λ/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 2021/3/26 * 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。 2021/3/26 * 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。 2021/3/26 * 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ΔE=hf 时发生共振,样品吸收电磁波功率。 2021/3/26 * 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 * * 光泵磁力仪一经出现，即引人注目，到目前为止，国内外业已应用于国防工程，空间磁场测量，地磁场微变测量，区分矿与非矿异常以及预报天然地震等广泛的领域中。 本节主要介绍He4光泵磁敏传感器的物理基础、测磁原理、传感器组成及其应用等。 在实例中，将发光元素置于O点，并处在弱磁场中，此时谱线产生了分裂。 在垂直于磁场方向（即y方向）观察时，发现谱线分裂情况是：中间一条是沿磁场方向偏振的，两边的v1、v2、是以v0为中心呈对称状态的，而v1-v0=v0-v2。在v1和v2处的谱线，是沿垂直磁场方向偏振的。 沿磁场方向（即x方向）观察时，中间那条v0谱线消失了，v1、v2处