传感器技术磁敏传感器.ppt

E1+ΔE1E1E2+ΔE2E1E2vv0原子能级跃迁示意图g—E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。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ΔE1，ΔE2。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。12（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。01通过对塞曼效应的分析，可得到以下几点结论02磁共振的频率大小取决于相邻能级间的能量差（ΔE），ΔE=hv。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。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。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：μJ=μS。由于电子自旋磁矩μJ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外磁场(弱磁场)作用在磁矩上的附加能量γs——电子的总磁矩比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处各出现了旋转方向相反的圆偏振光（见图2.2-l）。式中（j·H）——磁场H和壳层磁矩Pj之间的夹角。如果像碱金属那样，只有一个外层电子在起作用，问题即变得简单了，这时只考虑单电子的内量子数就可以了，即: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，这种情况称为正氦。式中rs——电子的总旋磁比。由于塞曼效应的结果，氦原子在外磁作用下产生能级分裂之后，相邻磁子能级间的能量差是外磁场T的函数，并且与外磁场成正比。如果我们设法测出的大小，由于旋磁比是已知的，外磁场T也就得知了。如图2.2-5所示。由图中可以看出，由于光线方向和外磁场方向一致，因而D1线中的pai成分不起作用（在光敏元件中接收不到）。对于右旋偏振光的D1线，使样品原子产生跃迁按选择定则mj=＋1进行。23S1态的0，-1磁子能级上的原子，按选择定则跃迁到23S1态的J=1的＋1，0磁子能级上，在此停留10-8S后，又以相等