Сносов измерения магнитных полей
343240
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз СоеетскиХ
Социалистических
Республик
Зависимое QT авт. свидетельства №
Заявлено 16.XI.1970 (М 1495312/26-25) М. Кл. G Olv 3/14 с присоединеиисм заявки ¹
Приоритет
Опубликовано 22.VI.1972. Бюллетень № 20
Дата опубликования описания 05.IX.1972 комитет по делам изсбретениб и открытий при Сосете Мииистроо
OCO1
УДК 550,838(088.8) Автор изобретения
H. Е. Айнбиндер
Пермский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет имени А. М. Горького
Заявитель
СПОСОБ ИЗМЕРЕЙИЯ МАГНИТНЬ!Х ПОЛЕИ
Изобретение относится к области физикй магнитных явлений и, в частности магнитометрйи. Явление, лежащее в основе предлагаемого изобретения, относится к области радиоспектроскопии твердого тела.
Известны способы измерения магнитных полей, использующие явления ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса и оптической накачки атомов.
В этих способах рабочим телом служит вещество (твердое, жидкое или газообразное), помещаемое в измеряемое магнитное поле, а квантовый резонанс элементарных частиц (ядер, электронов, ионов, атомов) этого вещества наблюдается и измеряется на радиоспектрометре соответствующего типа. При этом в основном измеряются частоты резонансных линий, пропорциональные абсолютной величине напряженности внешнего постоянного магнитного поля. Поскольку измерения частот могут быть выполнены с большой точностью, то и точность измерения магнитных полей достаточно велика. ,Однако для точного измерения частоты резонанса необходимо наличие узких резонансных линий, поскольку степень точности измерения частоты ограничивается шириной резонансной линии. В свою очередь ширина резонансной линии определяется величиной неоднородности постоянного магнитного поля.
Чем больше неоднородность ЛН магнитного поля Н в объеме образца, тем шире резонансная линия и меньше отношение сигнал — шум.
Поэтому в сильно неоднородных полях
5 ЛН (0,001(. (1 на один см) эти методы
Н малоэффективны особенно в том случае, когда сложна пространственная конфигурация сильно неоднородного магнитного поля. Кроме
1О того, в диапазоне магнитных полей 1—
I00 эрстед резонансные методы слабо чувствительны, ибо резонансные частоты довольно малы.
15 Цель изобретения — расширить пределы измерения магнитных полей и повысить точность измерений.
Для этого в исследуемое магнитное поле помещают датчик с поликристаллическим
20 образцом, подводят к нему импульсные радиочастотные колебания, регистрируют сигнал ядерного квадрупольного спинового эха и измеряют частоты модуляции огибающей сигналов эха, по которым определяют величину
25 напряженности магнитного поля. В отличие от случая резонансной линии поглощения увеличение неоднородности магнитного поля не сказывается на условиях наблюдения сигнала спинового эха, а тем более на огибающей
З0 сигналов эха, получаемой путем варьирова343240
Заказ 2593/1б
Изд. № 1134
Подписное
Тираж 406
Типография, пр. Сапунова, 2 ния временного интервала между первым и вторым радиочастотными импульсами.
Эффект, составляющий основу предлагаемого способа, заключается в следующем.
В кристаллическом образце, содержащем атомы, на ядрах которых возможно наблюдение ядерного квадрупольного резонанса, регистрируется сигнал спинового эха, образующегося через время т после наложения двух коротких радиочастотных импульсов (например, 90 — 180 -го) с интервалом времени т между ними, огибающая сигналов спинового эха при варьировании времени t затухает экспоненциальным образом. При наложении внешнего магнитного поля иа мопокристалл квадрупольные энергетические уровни ядер со сппном, равным 1, расщепляются, и появление близких резонансных частот приводит к возникновенйю модуляции огибающей сигналов квадрупольйого эха («медленные биения») . Матсм атическое выражение огибающей сигналов эха, наблюдающихся на переходе (=11/2 — +-3/2), имеет вид:
А=А, 1 х
tg 8 +- 1-+-—
g вдп (т А У, -.) sin (-Л У, -.), (1) где Ао — амплитуда сигнала эхо в отсутствии внешнего магнитного поля Н, Π— угол между Н и направлением оси градиента электрического поля (ГЭП) кристалла: У1 и Y2— частоты расщеплений (частоты модуляции) соответственно нижнего (11/2) и верхнего (13/2) квадрупольных энергетических уровней: д г
hY, =;Нcos 0 1+ 1+ — tg О, г
ЛY, = ЗТОcos H. (2)
В случае использования образцов с отсутствием аксиальной симметрии ГЭП для огибающей сигналов эха получают более сложные выражения, в которых, кроме О, появляется зависимость от азимутального угла в системе главных осей ГЭП (Х, Y, Z). Из выражения 1 ясно, что поскольку период квадрата синуса равен л, то максимумы огибающей имеют место при выполнении условий:
Л 1 1. д = 1 или Ь Уг "су„— 1. (3)
Следовательно, измерение периодов модуляции огибающей (т1) дает возможность измерения величины магнитного поля Н и его пространственной ориентации, если известно направление осей ГЭП в данном монокристаллическом образце.
При использовании поликристаллических образцов, содер>кащих квадрупольные ядра со спином 1=3/2, для определения величины
Н можно использовать соотношение уНт„п=
=1,77 (у — гиромагнитное отношение ядра), 5
50 полученное путем усреднения по порошку соответствующего выражения для огибающей сигналов эха при не слишком больших отклонениях от аксиальной симметрии 1 ЭП. Здесь т ;„— положение первого минимума огибающей сигналов эха. Для ядер Cl например, Нт;а=О,б75 эрстед лкек. При изменении т в хлорсодержащ их образцах от 1 до
0,1 мсек диапазон измерения Н составляет от
0,6 до б эрстед. С использованием образцов, содержащих другие квадрупольные ядра (например бром, йод, сурьму, висмут и др.), гиромагнитное отношение которых значительно больше у(С1зз), диапазон измерения Н во много раз расширяется. Этот диапазон и является неудобным для других известных методов измерения величины напряженности магнитного поля Н.
Неоднородность магнитного поля не ухудшает условий наблюдения сигналов спинового эха.
Процесс измерения величины напряженности неоднородного магнитного поля сводится к следующему, Поликристаллический образец (например, КС10з) объемом 1 — 10 см, помещенный в радиочастотную катушку, служит в качестве зонда (рабочее тело). С помощью одной из известных установок для наблюдения квадрупольного спинового эха (принци. пиальная схема: задающий генератор прямо. угольных импульсов, датчик с радиочастотной катушкой, приемник, осциллоскоп, самописец) наблюдаются сигналы спинового эха, Визуально на осциллоскопе или по записи на ленте самописца определяются частоты медленных биений огибающей спинового эха при измене. нии временного интервала между радаочастотными импульсами, формирующими сигнал эхо, и по формулам (2) определяется величина Н.
При использовании монокристаллического образца с известным направлением осей ГЭП измерение ориентации Н сводится к вычислению углов О и гр при трех неэквивалентных ориентациях монокристалла по измеренным величинам частот модуляции огибающей спин — эха при каждом и определенном направлении кристалла рабочего тела, смонтированного на гониометре.
Предмет изобретения
Способ измерения магнитных полей, основанный на квантовых резонансных свойствах веществ, отличающийся тем, что, с целью расш ирения пределов измерения и повышения точности, в исследуемое магнитное поле помещают датчик с поликристаллическим образцом, подводят к нему импульсные радиочастотные колебания, регистрируют сигнал ядерного квадрупольного спинового эха и измеряют частоты модуляции огибающей сигналов эха, по которым определяют абсолютную величину напряженности магнитного поля.
