质子旋进式磁敏传感器的设计.ppt

质子旋进式磁敏传感器
光泵式磁敏传感器
SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器
磁通门式磁敏传感器
感应式磁敏传感器
半导体磁敏传感器
霍尔器件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻
机械式磁敏传感器
光纤式磁敏传感器质子旋进式磁敏传感器是利用质子在外磁场中的旋进现象，根据磁共振原理研制成功的。从经典力学和量子力学观点,此公式的来源均能得以论证。磁矩三个分量综合起来看，质子磁矩M在外磁场T的作用下，绕外磁场T旋进，它的轨迹描绘出一个圆锥体，旋进的角频率为ω，称为拉莫尔频率（Larmorfrequency）。当被测磁场很弱时，信号幅度大大衰减。对微弱的被测磁场，用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号的。为了测得质子磁矩M绕外磁场的旋进频率f信号，必须采取特殊方法：在垂直于外磁场方向加一极化场H（该场强约为外磁场的200倍）。在极化场作用下，容器内水中质子磁矩沿极化场方向排列，形成宏观磁矩，如下图所示。核心：500cc左右有机玻璃容器,在容器外面绕以数百匝的导线,使线圈轴向与外磁场方向大致垂直,线圈中通以1～3A的电流,而形成约0.01T的极化场,使水中质子磁矩指向极化场H的方向。在实际工作时,线圈轴向与外磁场的夹角θ不正好保持900,由实测得知：总磁矩量值与sin2θ成正比例,所以,自由旋进感应信号的电压幅值和sin2θ成比例。又考虑到旋进信号按指数规律衰减的特点,其感应信号完整表达式应为由实验得知,对于几百cm3的样品，线圈为数百匝的传感器，在较好的情况下，质子感应信号仅为0.5mV左右。
感应信号的衰减还和外磁场梯度的大小有关。
理论分析和实验表明：测量线圈中产生的感应信号频率即为质子磁矩的旋进频率，这和公式是一致的。1.样品选择考虑到无磁性，价格便宜，加工方便，选择有机玻璃材料制作容器是合适的。CZM-2型质子磁力仪
IGS-2/MP-4质子磁力仪IGS-2型质子磁力仪的系统扩展及外设配置光泵式磁敏传感器是高灵敏度光泵磁力仪的核心部件。它是以某些元素的原子在外磁场中产生的塞曼分裂为基础，并采用光泵和磁共振技术研制成的。当原子在弱磁场H中时，总的轨道动量矩Pl和总的自旋动量矩Ps之间的“耦合”，没有被拆开，这时，原子的壳层动量矩Pj将带着Pl和Ps一起绕磁场H旋进。如图所示。由图看出，磁场将使原子获得的附加能量为：E1+ΔE1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。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。2、磁共振的频率大小取决于相邻能级间的能量差（ΔE），ΔE=hv。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在亚稳态（23s1）中，J=1，mj=0,±1。对J=1的亚稳态在外磁场中分裂为三个能级，两相邻磁子能级间的能量差为：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。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