Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf

Раздел третий

НЕКОТОРЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

ИПРИБОРЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ

ВФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

В настоящем разделе будут рассмотрены наиболее важные совре­ менные методы и лабораторные установки, которые в последнее время все чаще находят применение при исследовании самых раз­ личных областей физики и техники, начиная от прецизионных меха­ нических измерений и кончая квантовой электроникой и криоген­ ными сверхпроводящими устройствами.

По нашему мнению, излагаемый ниже материал должен опреде­ ленным образом способствовать тому, чтобы была возможность най­ ти применение описанным здесь приборам и методам, более подроб­ ные характеристики которых могут быть найдены как в специальной литературе, так и в процессе их изготовления и эксплуатации са­ мими экспериментаторами.

Г л а в а 1

МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Задачей магнитных измерений является измерение таких пара­ метров магнитного поля, как его напряженность Я, величина маг­

явлений, конфигурации магнитного поля в сложных магнитопро­ водящих цепях с учетом потока рассеяния и др.

Как правило, «классическим» инструментом почти во всех та­ ких исследованиях обычно является баллистический гальванометр и несколько катушек, допускающих нужную коммутацию тока.

96

В ряде случаев, однако, бывает необходимо применять иные, более совершенные н более чувствительные методы измерений, осо­ бенно если дело касается проведения прецизионных измерений, а также исследований в области строения вещества с применением магнитных методов.

При этих условиях незаменимыми могут явиться такие специ­ альные устройства, как квантовые магнитометры, работающие на основе эффекта резонансного поглощения высокочастотной энер­ гии системой ядерных или электронных спинов [1—10], а также приборы, работающие на основе применения явления квантования магнитного потока (эффект Джозефсона) [11—27, 45].

Кроме того, определенный интерес представляют устройства, использующие магнитное поле в качестве системы подвеса, в кото­ рой практически полностью отсутствуют необратимые потери на трение (таковы, например, сверхпроводящий «подшипник» и маг­ нитный подвес с электронной следящей системой).

Вследующих параграфах будут рассмотрены принцип действия

исхемы таких устройств.

§ 1. Квантовые магнитометры. Протонный магнитометр непрерывного действия

Квантовыми измерителями магнитного поля (магнитометрами) обычно называют такие устройства, которые измеряют напряжен­ ность внешнего магнитного поля Н путем регистрации энергии (частоты) кванта электромагнитного поля при переходе системы из состояния с энергией £ ; в состояние с энергией Ек, для которых разность величин Д; и £,. зависит как от свойств этой системы (рабочее тело), так и от величины внешнего магнитного поля Н, которое снимает вырождение энергетических уровней.

Ниже будут рассмотрены конкретные схемы квантовых магни­ тометров различных типов — прецессионных импульсных, спино­ вых генераторов, атомных цезиевых, а также принцип действия и схема сверхпроводящего магнитометра, основанного на явлении Джозефсона.

На рис. 17 приведена принципиальная схема магнитометра автодинного типа1. При использовании в качестве рабочего вещества обычной воды, а также тяжелой воды и раствора хлористого лития диапазон измеряемых значений поля лежит в пределах от 250 до 25 000 э.

Высокочастотный генератор собран на лампе 6Н15П, левая половина которой является усилителем, правая — катодным по­ вторителем. Положительная обратная связь осуществляется с по­ мощью сопротивления R u. Контурная катушка с образцом (раз­ меры датчика 97 X 17X 11 мм) подключается к гнезду 3, а модули­ рующая катушка к гнезду 4. Регулировка амплитуды колебаний

1 Прибор выпускается под маркой El 1-2 (ИМИ-2)

93

Рис. 17. Электрическая схема прецессионного магнитометра типа El 1-2

генератора производится с помощью переменного сопротивления в цепи катода лампы 6Н15П, регулировка частоты — с помощью се­ точного конденсатора.

С генератора напряжение высокой частоты подается на детек­ тор (Л2) и на индикатор генерации (Л3), а также (через детектор) — на трехкаскадный усилитель (Л4, Л5, Л„). С выхода усилителя сиг­

В положении, соответствующем максимальной величине сигнала, производится измерение частоты генератора с помощью гетеродин­ ного волномера. При этом величина Я может быть найдена из соот­ ношения

где / — частота генератора в момент резонанса; у* — парамаг­ нитное отношение для ядер вещества датчика.

Величина у* для некоторых ядер приведена ниже:

Максимальная погрешность измерения поля не превышает 0,01% при неоднородности 6Я/Я^0,02% на 1 см и 0,1% при не­ однородности бЯ/Я^С0,2 % на 1 см.

Предельная чувствительность такого магнитометра определя­ ется естественной шириной линии ЯМР:

Так, например, если принять Т2 = 3 с, то бЯ = 10-4 гс, т. е. 10_5% для полей Я ~ 1 0 3 э. Поскольку измерение частоты с такой точностью вполне осуществимо, то необходимо брать образцы с весь­

ма большим временем релаксации Т 2 и весьма однородные магнит­ ные поля. Строго говоря, при проведении прецизионных измере­

ний необходимо учитывать и другие факторы (в частности, форму образца, в. ч. полеЯх и др.), однако это выходит за рамки данной книги и поэтому не будет рассматриваться.

§ 2. Ядерный магнитометр со свободной прецессией спинов ядер

и совмещенными поляризацией и измерением

Метод свободной прецессии заключается в том, что если система ядерных магнитных моментов внезапно переносится из области силь­ ного в область слабого поля, то при этом частота свободной прецес­ сии ядерных моментов определяется этим последним (слабым) по­ лем, в то время как ядерная намагниченность (или, в конечном счете, величина сигнала) определяется именно сильным полем. Ос­ новными преимуществами такого метода является прежде всего однозначная связь между внешним измеряемым слабым полем ѵі частотой свободной прецессии, что позволяет проводить абсолют­ ные измерения величины слабого поля Я. Кроме того, широкополосность датчика является достаточно большой и равной примерно (2ч-8) - ІО- 2 э.

С целью повышения эффективности поляризации ядер в ряде случаев может быть использован так называемый метод динамиче­ ской поляризации, основанной на эффекте Оверхаузера.

Сущность данного эффекта состоит в следующем.

Пусть имеется вещество, которое допускает разрешение сверх­ тонкой структуры электронного парамагнитного резонанса в сла­ бом поле (например, в поле Земли).

Равновесное состояние электронных спинов может быть нару­ шено, например, с помощью внешнего высокочастотного поля, частота которого равна ларморовской частоте для электронов в поле Я . В результате можно получить насыщение верхнего уровня и выравнивание заселенностей обоих (нижнего и верхнего) уровней, что эквивалентно повышению температуры электронных спинов. При этом для системы ядерных спинов будет иметь место охлажде­ ние, т. е. преимущественное заселение нижнего энергетического уровня, причем эффективное возрастание сигнала ЯМР может уве­ личиться в несколько сот раз.

Для магнитометра, работающего по принципу свободной пре­ цессии при использовании динамической поляризации ядер (эффект Оверхаузера), весь процесс измерений можно разделить на сле­ дующие три цикла:

а) ts! — время динамической поляризации ядер и измерения частоты свободной прецессии;

б) tn — поворот ядерной намагниченности на угол я/2 отно­ сительно вектора измеряемого поля Я (при этом происходит «унич­ тожение» компоненты тху ядерной намагниченности, прецесси­ рующей в поле Я);

100

релаксации в катушке датчика паразитного сигнала, обусловлен­ ного поворотом Н*.

Если выполняется соотношение

tB /п <3=S ^п>

то все три операции «не мешают друг другу» и все выглядит так, как если бы имела место только непрерывная свободная незату­ хающая прецессия, частота которой периодически замеряется с помощью любого электронно-счетного частотометра.

На рис. 18 [6 ] приведена схема магнитометра (без частотометра), работающего по этому принципу. Данная.схема позволяет прово­ дить в одну секунду два измерения, интервал между которыми равен

Т=^п + ^в< 0 .1^и-

Магнитометр работает следующим образом. Генератор высокой частоты (54—56 Мгц), собранный на лампах Л7 (6С2П) и Л8 (ГУ-32), осуществляет динамическую поляризацию ядер образца (протоны воды) путем насыщения одного из двух уровней электронного па­ рамагнитного спектра рабочего вещества — водного раствора нитро­ дисульфоната калия К 2[NO ( S03)3] с концентрацией 0,008 моль/л 2, для радикала которого NO (S 0 3)2 имеет место разрешение уровней электронного спектра в магнитном поле Земли.

При амплитуде насыщающего в. ч. поля, равной примерно 1 э, возрастание ядерной намагниченности при динамической поляри­ зации ядер K2[NO ( SO3)2] (хо = 3,2-ІО-10 ед. CGSM) составляет около 600, т. е. динамическая восприимчивость оказывается при­

2 К раствору K2[N 0 (S 0 3)2] обычно добавляют некоторое количество (0,1—0,2)

стабилизирующего вещества Na2C 03.

102