10. Магнитные измерительные преобразователи: квантовые магнито-измерительные преобразователи. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов.

Квантовыми называют преобразователи, принцип действия которых основан на силовом взаимодействии внешнего магнитного поля с магнитным полем микрочастиц (ядер, электронов, атомов, молекул), обладающих магнитным моментом m и моментом количества движения (спином) p. В результате такого взаимодействия микрочастицы, при помещении их во внешнее магнитное поле с индукцией В, начинают прецессировать вокруг направления вектора р. Прецессией называют движение, при котором ось собственного вращения тела перемещается вокруг некоторого направления (в данном случае - направления вектора В) с угловой частотой _о, образуя при этом коническую поверхность (рисунок 2.15). Частота прецессии _о микрочастиц вокруг направления вектора индукции В внешнего магнитного поля будет линейной функцией значения индукции В, т.е.  =  В, (2.41)

г де  - гиромагнитное отношение, равное отношению магнитного момента частицы к моменту количества движения частицы и характеризующее ее магнитные механические свойства независимо от внешних условий (температура, влажность и т.д.).

И змерив частоту прецессии микрочастиц ₀, из выражения (2.41) можно определить индукцию В внешнего магнитного поля. Измерение ₀ можно проводить различными методами, наибольшее распространение среди которых получил метод магнитного резонанса. Суть его заключается в том, что путем наложения на измеряемое поле с индукцией В перпендикулярного ему переменного поля с индукцией В_ и плавного изменения частоты _в последнего можно добиться при условии ₀ > _В резкого увеличения амплитуды прецессии до ее максимального значения (при  = 90 на рисунке 2.14). Это явление и получило название магнитного резонанса. Возрастание амплитуды прецессии происходит за счет поглощения микрочастицами энергии переменного магнитного поля. Следовательно, момент резонанса может быть зафиксирован по уменьшению амплитуды переменного тока или напряжения, создающего это поле. Частота прецессии определяется путем измерения частоты _В переменного возбуждающего поля. В зависимости от типа микрочастиц, взаимодействующих с измеряемым магнитным полем, говорят о ядерном магнитном резонансе (ЯМР), электронном парамагнитном резонансе (ЭПР), ферромагнитном резонансе (ФМР) и др. Соответственно различают ядерные, электронные, атомные и другие квантовые магнитоизмерительные преобразователи.

Рассмотрим подробнее ядерный квантовый преобразователь, схема которого представлена на рисунке 2.15. Он в общем случае представляет собой стеклянную ампулу 1 с веществом, атомы которого обладают магнитным моментом (например, ядра водорода, лития, дейтерия в таких веществах, как вода, водный раствор LiCl, тяжелая вода), помещенную в измерительную катушку 2. Измерительная катушка запитывается переменным напряжением, в результате чего создается возбуждающее магнитное поле. Преобразователь вносится в измеряемое магнитное поле таким образом, чтобы направления вектора индукции В измеряемого поля и вектора индукции В_~ переменного поля были перпендикулярны (см. рисунок 2.15). Диапазон преобразования таких измерительных преобразователей составляет примерно 510^-2…10 Тл. Они могут использоваться для измерений только в однородных полях, что является их недостатком.

М агнитоизмерительные приборы на основе ядерных квантовых преобразователей можно представить упрощенной структурной схемой, изображенной на рисунке 2.16. Переменное поле В_~ создается напряжением, подаваемым на зажимы измерительной катушки ядерного квантового преобразователя (ЯКП) от перестраиваемого генератора гармонических сигналов (Г).

Ядерный магнитный резонанс фиксируется по уменьшению амплитуда напряжения на катушке ЯКП с помощью электронного осциллографа (Э0) и с помощью электронно-счетного частотомера (Ч) измеряется значение ₁, равное ₀. Затем вычисляется значение измеряемой индукции В.

Преобразование измеряемой индукция магнитного поля в частоту электрического сигнала, которая в настоящее время может измеряться с наивысшей точностью, обусловливает возможность создания тесламетров с преобразователями, основанными на вынужденной прецессии протонов, самых точных приборами для измерений в области средних и сильных магнитных полей.