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2 3 4 5 8 9 10 6 1 放大 图2.2-6 He4光泵式磁敏传感器的组成框图 1—高频激发振荡器； 2—氦灯； 3—透镜1； 4—偏振偏； 5— /4 ； 6—吸收室； 7—RF振荡器； 8—射频线圈； 9—透镜2； 10—光敏元件 7 He4光泵式磁敏传感器系由吸收室、氦灯、两个透镜、偏振片、λ/4、光敏元件等元器件组成。 三、光泵式磁敏传感器的组成及工作原理 第三十页，共三十五页，2022年，8月28日 首先将测磁传感器置于被测外磁场中，并使传感器的轴向与外磁场方向平行，其后将高频激发振荡器打开，激发氦灯使发出D线；激发He4吸收室使其处于亚稳状态。 这时灯发出的D线经过透镜将D线变成平行光，再经偏振片和λ/4变成圆周极化光，直射至吸收室中的亚稳态正氦上，正氦在外磁场作用下产生塞曼分裂，塞曼能级2s态原子吸收D线，跃迁到2P态而产生光泵作用。 He4光泵式磁敏传感器的工作原理 第三十一页，共三十五页，2022年，8月28日 第一页，共三十五页，2022年，8月28日 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 磁敏传感器的种类 第二页，共三十五页，2022年，8月28日 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。 物理学已证明物质是具有磁性的。对水分子（H2O）而言，从其分子结构、原子排列和化学价的性质分析得知：水分子磁矩（即氢质子磁矩）在外磁场作用下绕外磁场旋进。 一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理 质子磁矩旋进 T ? α M ? 质子的旋进频率 γp 为质子旋磁比；T为外磁场强度 f=γp T /2π 第一节?? 质子旋进式磁敏传感器 第三页，共三十五页，2022年，8月28日 从经典力学和量子力学观点,此公式的来源均能得以论证。 为方便起见，在此采用经典力学的观点，分析直角坐标系中质子磁矩的旋进情况。 设质子磁矩M在外磁场T作用下有一力矩M×T，于是，它和陀螺一样，其动量矩的变化率等于外加力矩，即： 动量矩变化率 第四页，共三十五页，2022年，8月28日 磁矩三个分量 设Tz=T(外磁场)；Tx=0；Ty =0 对上式中的第一式微分 显然，为简谐运动方程，其解为 同理 第五页，共三十五页，2022年，8月28日 α z x y Mz M┴ My Mx 磁矩 M 旋进规律变化示意图 从上式可看出，Mz是常数，磁矩M在z轴上的投影是不变的；磁矩M在x轴上的投影是按余弦规律变化的；磁矩M在y轴上的投影是按正弦规律变化的。由图看出： 磁矩M在xy平面上的投影的绝对值是一个常数，并且在xy平面上旋进。 常数 第六页，共三十五页，2022年，8月28日 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（Larmor frequency）。 根据简谐运动方程，可得到： 即： 将此值代入上式 γp=（2.67513±0.00002）S-1T-1 可见，频率f与磁场T成正比，只要能测出频率f，即可间接求出外磁场T的大小,从而达到测量外磁场的目的。 需要指出的是：这里没有考虑驰豫时间,是在假设α角不变、信号不衰减的前提下分析测磁原理的。但是，在实际工作中是有驰豫时间的，信号也是衰减的。 第七页，共三十五页，2022年，8月28日 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： 二、磁场的测量与旋进信号 在核磁共振中，共振信号的幅度与被测磁场T3/2成正比。 使沿外磁场方向排列的质子磁矩,在极化场的激励下,建立质子宏观磁矩,并使其方向于外磁场方向垂直或接近垂直 通常采用预极化方法或辅助磁场方法来建立质子宏观磁矩，以增强信号幅度。 具体作法是:用圆柱形玻璃容器装满水样品或含氢质子液体，作为灵敏元件，在容器周围绕上极化线圈和测量线圈或共用一个线圈，使线圈轴向垂直于外磁场T方向。 第八页，共三十五页，2022年，8月28日 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。 预极化法示意图 H * M M M H T θ 当质子磁矩在旋进过程中切割线圈，使线圈环绕面积中的磁通量发生变化