10.2.3 Квантові перетворювачі

Використання квантових вимірювальних перетворювачів дає змогу вимірювати магнітні величини з похибкою 0,01…0,005% і меншою. Квантові ВП ділять на ядерні, атомні і електронні.

Ядерні перетворювачі базуються на використанні явища ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Відомо, що для ядер атомів багатьох речовин механічний момент кількості руху ядра і його магнітний момент збігаються за напрямки і пов’язані залежністю

, (10.16)

де γ – гіромагнітне відношення ядра (відношення магнітного моменту ядра атома до моменту кількості руху – фізична константа, значення якої відоме з точністю до 10^-4%).

При дії на елементарний одиночний магнітний диполь ядра зовнішнього магнітного поля (рис. 10.7), спрямованого під деяким кутом до вектора , спостерігається безперервна регулярна прецесія вектора навколо напрямку цього поля. При цьому частота прецесії пов’язана з зовнішнім магнітним полем залежністю

. (10.17)

Рисунок 10.7 - Елементарний магнітний диполь ядра

Рисунок 10.8 - До моменту ядерної індукції

Слід зазначити, що безперервна регулярна прецесія можлива лише для одиничного, не пов’язаного з навколишнім середовищем ядра, тобто при відсутності втрат. В ідеальному випадку, коли магнітні моменти групи ізольованих ядер збігатимуться за напрямком, а їх сумарний момент дорівнюватиме , використовуючи метод ядерної індукції (рис. 10.8) можна було б на затискачах котушки L спостерігати появу ЕРС з частотою ω₀.

Поява такої ЕРС пояснюється зміною потокозчеплення, зумовленою зміною в часі проекції на вісь котушки вектора магнітного моменту групи ядер. В дійсності ядерні моменти атомів орієнтовані в просторі по-різному і їх сумарний магнітний момент дорівнює нулю. Дія зовнішнього магнітного поля зводиться до орієнтації сумарного магнітного моменту одиниці об’єму речовини в напрямі поля Н, тобто до ядерної намагніченості , де k₀ – статична парамагнітна сприйнятливість речовини.

Для спостереження сигналу прецесії речовину можна поляризувати, наприклад з допомогою сильного магнітного поля, вектор якого напрямлений під деяким кутом до вектора досліджуваного поля. При поляризації ядерна намагніченість зростає до значення . Після зникнення поля поляризації вектор починає прецесувати навколо вектора , зменшуючись за модулем поступово до М₀ через наявність втрат. Отже поляризація дає змогу збільшити амплітуду сигналу прецесії за рахунок збільшення ядерної намагніченості. Але частота прецесії і в цьому випадку визначається тільки напруженістю досліджуваного поля Н. Зменшення прецесії вектора здійснюється за експоненціальним законом з постійною часу Т₁, яка називається постійною поздовжньої релаксації. Для виникнення ядерної прецесії треба, щоб час, протягом якого поляризуюче поле зменшилось до нуля, був значно меншим за Т₁. Крім того, треба щоб час поляризації був більшим за Т₁, щоб ядерна намагніченість досягла усталеного значення і була орієнтована вздовж поля .

При встановленні нової орієнтації ядерного магнітного моменту змінюється й проекція вектора в горизонтальній площині. При вільній прецесії ця зміна відбувається за експоненціальним законом з постійною часу Т₂,, що називається постійною поперечної релаксації. Отже, в реальних умовах сигнал вільної прецесії має затухаючий характер.

Перетворювач ЯМП являє собою ампулу з дистильованою водою або іншою речовиною, в якій добре проявляється явище ЯМР, охоплену вимірювальною котушкою.

Перетворювачі електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) базуються на використанні резонансу електронів тих речовин, атоми яких мають неспарені електрони, завдяки чому електронна оболонка має магнітний дипольний момент. Гіромагнітне відношення електрона (е і m_e – заряд і маса електрона; с – швидкість світла) приблизно в 1000 разів більше за гіромагнітне відношення протона.

Отже, і частота електронного парамагнітного резонансу в стільки ж разів більша за частоту ядерного магнітного резонансу. Сигнал ЕПР на декілька порядків перевищує сигнал ЯМР. Це дає змогу застосувати перетворювачі ЕПР для вимірювання дуже малих напруженостей магнітного поля. Щоправда, похибки ЕПР-перетворювачів можуть бути в декілька разів більшими за похибки ЯМР-перетворювачів. Методика і апаратура для виявлення частоти резонансу подібна до методики і апаратури для досліджень при ЯМР.

Атомні квантові перетворювачі з оптичним накачуванням базуються на використанні явища прецесії магнітних моментів атомів деяких речовин, що перебувають у газо- чи пароподібному стані. Для збільшення резонансного сигналу тут використовується метод оптичної орієнтації атомів таких речовин.