Квантовий магнітометр, прилад для виміру напруженості магнітних полів, заснований на квантових явищах. Такими явищами служать вільна впорядкована прецессия ядерних або електронних магнітних моментів> (див. Магнітний резонанс ),квантові переходи між магнітними підрівнями атомів, а також квантові зміни магнітного потоку в надпровідному контурі (див. Надпровідність ).
До. м. застосовуються головним чином для виміру напруженості слабких магнітних полів і, зокрема, магнітного поля Землі і його аномалій як на її поверхні, так і на великих висотах, відповідних орбітам балістичних ракет і штучних супутників Землі, для виміру магнітних полів планет Сонячної системи в космічному просторі. До. м. застосовуються також для розвідки корисних копалини, для магнітного каротажу, пошуку затонулих судів і тому подібне
Рівні енергії атомних ядер, електронів атомів або молекул, що володіють магнітними моментами, в магнітному полі розщеплюються на декілька підрівнів, різниця енергій між якими D E залежить від величини напруженості Н магнітного поля і в багатьох випадках пропорційна Н (див. Зеемана ефект ). Частки можуть переходити з одного магнітного підрівня на іншій, поглинаючи або випромінюючи порцію (квант) електромагнітної енергії, рівну:, де — Планка постійна, w — частота електромагнітного поля. Частота w точно дорівнює частоті прецессиі магнітного моменту довкола напряму магнітного поля, тобто w = g Н , де g — гіромагнітне відношення (див. Магнітомеханічне відношення, Лармора прецессия, Ядерний магнітний резонанс ). Частота 0.1 лежить в радіодіапазоні. Вимірюючи її, наприклад по резонансному поглинанню речовиною радіохвиль (див. Радіоспектроскопія ), можна визначити напруженість магнітного поля Н . Оскільки коефіцієнт пропорційності між частотою w і полемо Н виражається через атомні константи, що характеризуються надзвичайно високою стабільністю і відтворюваністю, то чутливість таких До. м. висока. Найбільш досконалі До. м. цього типа володіють чутливістю до 10 –8 е або 10 –3 гамм (1 гамма = 10 –5 е ).
Протонний магнітометр. Датчиком магнітометра є ампула з діамагнітной рідиною, молекули якої містять атоми водню (наприклад, воду або бензол). Магнітні моменти молекул обумовлені лише магнітними моментами ядер атомів водню — протонами (електронні магнітні моменти в молекулах таких рідин компенсуються; див.(дивися) Діамагнетизм ). Ампулу поміщають в котушку L , через яку пропускають протягом декількох секунд струм, створюючи в ній допоміжне магнітне поле H 0 напруженістю в декілька сотів е ( мал. 1 ). Під дією поля H 0 магнітні моменти протонів орієнтуються і рідина набуває сумарного магнітного момент М-коду . Після виключення струму магнітні моменти протонів починають процесувати довкола напряму вимірюваного магнітного поля Н з частотою w = g p H , де g р = (2,67513 ± 0,00002) 10 4 гс –1 сік –1 — магнітомеханічне відношення для протонів. Прецессия сумарного магнітного моменту М-коду приводить до появи в котушці П змінної едс(електрорушійна сила) з частотою, рівній частоті прецессиі w. У магнітному полі Землі H 3 ~ 0,6 е , w = 2,55 кгц . Прецессия поступово затухає завдяки процесу релаксації, обумовленому слабкою взаємодією між протонами і атомами парамагнітних домішок, розчинних в робочій рідині. Для чистої води час релаксації ~3 сік . Для повторного виміру поля цикл повторюють. Циклічність роботи датчика усувають, наприклад, за допомогою системи з 2 датчиків, що працюють по черзі.
Електронний До. м. аналогічний протонному. У нім використовується прецессия в магнітному полі магнітних моментів неспарених електронів парамагнітних атомів, частота якої в декілька сотів разів більше частоти прецессиі протонів (див. Електронний парамагнітний резонанс ). Частота прецессиі для електронів в полі Н ~ 1 е рівна 2,8 Мгц . Зміна поля на 1 гамму приводить до зміни частоти прецессиі на 28 гц , що в 660 разів більше, ніж для протонних магнітометрів.
Для здобуття чималих едс(електрорушійна сила) застосовують методи динамічної поляризації ядер. При цьому орієнтація магнітних моментів протонів здійснюється завдяки їх взаємодії з електронними моментами парамагнітних іонів (у воді розчиняють парамагнітну сіль). В такий спосіб ядерну намагніченість удасться збільшити в декілька сотів раз. Вживання речовини, що містить радикали нітрозодісульфоната калія, дозволяє збільшити намагніченість ще приблизно в 40 разів.
Оптичний магнітометр (магнітометр з оптичним накачуванням: мал. 2 ). Датчиком приладу є скляна колба, наповнена парами лужного металу (наприклад, Rb), атоми якого парамагнітни, оскільки містять один неспарений електрон (див. Парамагнетик ). При пропусканні через колбу, поміщену у вимірюване поле Н , циркулярно поляризованого світла, частота якого дорівнює частоті оптичного квантового переходу між основним станом атома і одним з його збуджених станів, відбувається резонансне розсіяння світла. При цьому момент кількості руху квантів розсіюваного світла передається атомам, які таким чином «оптично орієнтуються», скупчуючись на одному з магнітних підрівнів основного стану. Якщо в об'ємі колби датчика створити змінне магнітне поле, частота якого дорівнює частоті квантового переходу між магнітними підрівнями основного стану, то населеність атомів на магнітних підрівнях вирівнюється, атоми втрачають придбану переважну орієнтацію магнітних моментів і приходять у вихідний стан. При цьому пари металу, що наповнюють колбу, знов починають сильно поглинати і розсіювати світло. Вимірюючи частоту змінного поля з, можна визначити напруженість магнітного поля Н , в якому знаходиться колба датчика.
Оптичні До. м. особливо зручні для виміру слабких полів < 1 е . Чутливість, яка може бути досягнута за допомогою таких приладів ~10 –6 —10 –7 е , що дозволяє вимірювати дуже слабкі поля, зокрема в космічному просторі.
Надпровідний магнітометр заснований на квантуванні магнітного потоку, захопленого надпровідним кільцем. Величина захопленого потоку кратна кванту магнітного потоку Ф 0 = 2×10 –7 е × см 2 . Повний струм, що протікає через паралельні з'єднання двох переходів Джозефсона (надпровідне кільце, розділене по діаметру дуже тонким шаром ізолятора; див.(дивися) Джозефсона ефект ) в результаті складання струмів, проходящих по кожній з гілок ( мал. 3 ), змінюється пропорційно cos e /Ф, де Ф — магнітний потік, що охоплюється кільцем, е — заряд електрона. Цей струм досягає максимуму всякий раз, коли Ф = n Ф 0 ( n — ціле число). Спостерігаючи за змінами струму, що проходить через подвійний перехід Джозефсона, можна вимірювати магнітний потік Ф і, знаючи площу перетину переходу, визначити напруженість вимірюваного магнітного поля. Якщо площа, що охоплюється двома переходами, дорівнює 1 мм 2 , те максимуми струму розділені інтервалом в 2g. Таким методом можна реєструвати десяту частину цього інтервалу. Чутливість методу складає в цьому випадку 0,2 гамм. Для розглянутого прикладу найбільш сильне поле, яке можна виміряти, складає близько 20 гамм.
Все До. м. не бояться вібрацій; їх свідчення не залежать від орієнтації приладу відносно вимірюваного поля Н , слабо залежать від зміни температури тиск, вологості і тому подібне
Літ.: Помаранч Н. М., Рижков Ст М., Ськроцкий Р. Ст, Фізичні основи квантової магнітометрії, М., 1972; Абрагам А., Ядерний магнетизм, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1963.
