*Magnetómetro de bomba óptica y magnetómetro superconductor
(1) Magnetómetro de bomba óptica
Después del magnetómetro de protones, el magnetómetro de bomba óptica comenzó a utilizarse en trabajos geofísicos a mediados de la década de 1950. Es un magnetómetro de alta sensibilidad y alta precisión.
1. Principios físicos del magnetómetro de bomba óptica
(1) División de Zeeman y transición de niveles de energía. Cuando los átomos están en un campo magnético externo, debido a la influencia del campo magnético, el nivel de energía con el mismo valor F (número cuántico angular total) se puede dividir en (2F+1) subniveles magnéticos, lo que se llama Zeeman. terrible. La diferencia de energía entre subniveles magnéticos adyacentes es proporcional al campo magnético externo, lo que permite medir el campo geomagnético T.
Cuando un electrón obtiene energía del mundo exterior o libera la energía adecuada al mundo exterior, salta de un nivel de energía a otro. El cambio en el nivel de energía atómica se denomina transición atómica.
(2) Efecto bombeo óptico. Algunos magnetómetros de bomba óptica utilizan helio como sustancia de trabajo, y el proceso de utilizar energía luminosa para bombear los estados energéticos de los átomos al mismo nivel de energía se denomina bombeo óptico.
2. El magnetómetro de bomba óptica de seguimiento mide el campo geomagnético T
En el dispositivo de sonda del magnetómetro de bomba óptica, la lámpara de helio se llena con 4He a una presión más alta. Después de ser excitado por un campo eléctrico de alta frecuencia, emite luz monocromática de 1083,075 nm, que pasa a través del espejo convexo, el polarizador y la placa de 1/4 de longitud de onda para formar una luz polarizada circularmente de 1,08 μm e ilumina la cámara de absorción. El eje óptico del sistema óptico debe ser coherente con la dirección del campo geomagnético (el campo magnético medido). La cámara de absorción se llena con 4He a menor presión. Después de ser excitados por un campo eléctrico de alta frecuencia, sus átomos de 4He se convierten en helio positivo metaestable y se vuelven magnéticos. La luz polarizada circularmente emitida por la lámpara de helio interactúa con el helio positivo metaestable para producir transiciones atómicas. La frecuencia de transición f tiene la siguiente relación con el campo geomagnético T:
Introducción a la Exploración Geofísica
En la fórmula: T está en nT. Es decir, la luz polarizada circularmente hace que los momentos magnéticos atómicos en la cámara de absorción se orienten y alineen, y luego la luz emitida por la lámpara de helio puede pasar a través de la cámara de absorción, ser enfocada por el espejo convexo e iluminar el elemento fotosensible para formar una fotocorriente.
Se aplica un campo electromagnético de radiofrecuencia (campo de modulación) en dirección perpendicular al eje óptico, y su frecuencia es igual a la frecuencia de transición atómica f. Debido a la interacción entre el campo magnético de radiofrecuencia y los momentos magnéticos de los átomos alineados, se altera la disposición de los momentos magnéticos de los átomos en la cámara de absorción (lo que se denomina resonancia magnética). En este momento, la luz polarizada circularmente emitida por la lámpara de helio interactuará con los momentos magnéticos atómicos dispuestos caóticamente y no podrá penetrar la cámara de absorción. La fotocorriente es la más débil. Al medir la radiofrecuencia f en este momento, el valor geomagnético. Se puede obtener el campo T. Cuando el campo geomagnético cambia, la frecuencia del campo de radiofrecuencia cambia en consecuencia para mantener la luz que pasa a través de la cámara de absorción en su punto más débil. Es decir, la frecuencia del campo de radiofrecuencia rastrea automáticamente los cambios en el campo geomagnético para lograr una continuidad. y medición automática del valor T.
(2) Magnetómetro superconductor
Es un magnetómetro de alta sensibilidad desarrollado a mediados de los años 1960. Su sensibilidad es varios órdenes de magnitud superior a la de otros magnetómetros, alcanzando los 10-6nT. Tiene un amplio rango de medición, una alta respuesta de frecuencia del campo magnético y datos de observación estables y confiables.
El principio básico del magnetómetro superconductor es el siguiente: ciertos metales como estaño, plomo, zinc, niobio, tantalio y algunas aleaciones, cuando su temperatura desciende por debajo de una determinada temperatura cercana al cero absoluto, su resistencia cae repentinamente al valor cero. Esta característica de desaparición repentina de la resistencia en condiciones de baja temperatura se denomina superconductividad, y los materiales con esta propiedad se denominan superconductores. La temperatura cuando la resistencia es cero se llama temperatura crítica Tc, como en el caso del estaño (3,7 K), plomo (7,2 K) y niobio (9,2 K).
En 1962, Josephson propuso y confirmó experimentalmente que una capa aislante de 1 nm a 3 nm está intercalada entre dos superconductores. Los electrones superconductores pueden pasar sin resistencia y no hay caída de voltaje en ambos extremos de la capa aislante. Esta capa aislante se llama unión de túnel superconductora (unión Josephson), y este fenómeno se denomina efecto Josephson de unión de túnel superconductor.
El magnetómetro superconductor utiliza el efecto Josephson para medir campos magnéticos. Su dispositivo de medición es un anillo cerrado hecho de material superconductor con una o dos uniones de túnel superconductor. El área de la sección transversal de la unión es muy pequeña Siempre que pase una pequeña corriente (10-4A ~ 10-6A), se alcanzará la corriente crítica Ic en la unión (la superconductividad se destruirá si se excede). Ic, es decir, la corriente superconductora máxima que puede soportar la unión). Ic es muy sensible al campo magnético. Fluctúa periódicamente con el tamaño del campo magnético externo y su amplitud se atenúa gradualmente. La corriente crítica Ic también es una función periódica del flujo magnético Φ que penetra en la unión superconductora. Utiliza la respuesta periódica del dispositivo al campo magnético externo para contar los cambios en el flujo magnético (proporcional a los cambios en el campo magnético externo se puede calcular conociendo el área del anillo);
En el campo de la geofísica aplicada, se puede convertir en un gradiómetro magnético aéreo de súper navegación; en geomagnetismo, se puede utilizar para estudiar la perturbación del campo geomagnético, en el método magnetotelúrico; se utiliza para medir cambios débiles en el campo magnético; también se puede utilizar en la investigación del magnetismo de rocas. Dado que la sonda de este instrumento requiere condiciones de baja temperatura, a menudo se enfría con helio líquido en una botella Dewar. El equipo es complejo y el costo elevado.