Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Датчики магнитного поля. Учебное пособие
.pdf
Рис. 27. ВАХ двухконтактного интерферометра
при воздействии внешнего магнитного потока φe=0 и φ
e
=π
По осям ВАХ отложены ток и напряжение, нормированные на
Ic и Vc. На графике также приведена сигнальная характеристика V(t),
амплитуда которой равна разнице напряжений интерферометра
между двумя значениями магнитного потока.
Сквид содержит усилитель выходного сигнала датчика и цепь
следящей обратной связи. Посредством обратной связи в кольцо
интерферометра задаётся магнитный поток ΦFB, который призван
компенсировать изменение внешнего магнитного поля
(Φ
=const). Выходным сигналом сквида в итоге служит сигнал с
e+ΦFB
цепи обратной связи, который пропорционален изменению внешнего
магнитного потока.
Чувствительность сквида определяется крутизной
преобразования η=|δV/δΦ
| и уровнем внутренних флуктуаций,
e
мощность которых пропорциональна частотной полосе пропускания
прибора ∆f.
Чувствительность сквидов характеризуется минимальным
значением магнитного потока и энергии, отнесенным к единичной
51
полосе частот ∆f=1 Гц, которые способен обнаружить прибор.
Энергия при этом записывается следующим выражением:
, (43)
где L – индуктивность кольца.
Современные сквиды имеют чувствительность по энергии,
достигающую 5·10
-33
Дж/Гц, а по магнитному полю – 10
-13
Тл.
Такие чувствительные датчики магнитного поля нашли
применение во многих отраслях, в том числе в биологии и медицине:
измерение магнитных полей, создаваемых человеком.
Сверхпроводящие магнитометры позволяют наблюдать магнитные
поля, создаваемые сердечной деятельностью (магнитокардиография),
деятельностью мышц (магнитомиография), мозговой деятельностью
(магнитоэнцефалография). Магнитокардиограф на основе сквида
способен бесконтактным образом измерять кардиограмму сердца
ребенка, находящегося в утробе матери. Современные
многоканальные томографы на основе сквидов способны
бесконтактным образом анализировать картину магнитного поля и
его пространственной локализации в мозге человека и животных. На
рисунке 28 приведены значения магнитных полей, полученные при
биомагнитных исследованиях человека. Для сравнения на том же
рисунке указана предельная чувствительность сквидов и
феррозондовых магнитометров.
52
Рис. 28. Значения магнитных полей, создаваемых человеком
Впервые использовать сквиды для исследования магнитных
полей человека предложили Коэн, Эдельсак и Циммерман. Чтобы
свести к минимуму влияние магнитного поля Земли, измерения
проводились в экранированной комнате в Национальной магнитной
лаборатории им. Ф. Биттера Массачусетского технологического
института. Экранированная комната изготовлена из трех слоев
материала с высокой магнитной проницаемостью для магнитного
экранирования и двух слоёв алюминия для электрического экрана.
Амплитуда медленно изменяющегося сигнала МКГ имеет
величину около 3·10
-11
Т. Впоследствии за счет использования
градиометров удалось отказаться от использования экранированных
комнат. Типовая МКГ в сравнении с ЭКГ приведена на рисунке 29.
Рис. 29. Вверху: МКГ, полученная с помощью сквида, внизу – ЭКГ
53
6. МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
6.1. Физические основы магнитооптических эффектов
Наиболее распространёнными магнитооптическими
датчиками являются датчики, основанные на эффекте Фарадея.
Этот эффект заключается во вращении плоскости
поляризационного света при прохождении через материал,
пронизанный магнитным полем.
Любое линейно поляризованное излучение, проходящее
через оптически неактивную среду (среду, не вызывающей
вращения плоскости поляризации, проходящего через неё света),
всегда может быть представлено как сумма двух лево- (ЛП) и
правополяризованных (ПП) волн с противоположным
направлением вращения (рис. 30). При прохождении через линии
магнитного поля показатели преломления для двух этих волн
становится различным, вследствие чего меняются их фазовые
скорости, а плоскость поляризации линейно поляризованного света
поворачивается на угол [20]
, (44)
где v – постоянная Верде, зависящая от свойств вещества, длины
волны излучения и температуры и являющаяся мерой
интенсивности проявления эффекта Фарадея; H – напряженность
магнитного поля; l – длина пути, который прошел луч
монохроматического линейно поляризованного света .
Строгое объяснение этого эффекта происходит на уровне
квантовой механики. Различие скоростей по-разному
поляризованных волн обусловлено расхождением значений между
длинами волн поглощаемого и переизлучаемого фотонов [21].
Материалы, в которых наблюдаются магнитооптические
эффекты, называются магнитооптическими материалами. Помимо
устройств хранения и обработки информации, магнитооптические
элементы нашли применение в измерительной технике, а именно в
области измерения и топографирования магнитных полей.
54
Рис. 30. Линейная и круговая поляризации
Одним из основных материалов для таких датчиков стали
пленки на основе феррит-граната, которые способны измерять слабые
магнитные поля (~10
-5
А/м). Магнитооптические датчики отличают от
аналогов высокая чувствительность и быстродействие, большой
динамический диапазон.
Для измерения больших магнитных полей используются
диамагнитные стекла типа флинт-гласс (SF-6).
Конструктивно различают следующие типы датчиков:
1) интерферометрические на одномодовом световоде с
магнитострикционной оболочкой;
2) на эффекте Фарадея в одномодовом световоде;
3) на эффекте Фарадея в объемном элементе из диамагнитного
стекла, сопряженном с многомодовым волоконным световодом.
Последние датчики получили наибольшее распространение изза наименьшей чувствительности к температуре и механическим
нагрузкам. Они способны обеспечивать погрешность измерений в
пределах ±1,5 % для полей в диапазоне 1,6-40 кА/м при температурах
от -25 до 800 С.
Помимо эффекта Фарадея, необходимо отметить ещё несколько
магнитооптических эффектов, одним из которых является эффект
Коттона – Мутона, или эффект Фохта. Этот эффект заключается в
возникновении линейного двойного лучепреломления в среде,
55
помещённой во внешнее магнитное поле, при распространении света
перпендикулярно полю.
Эффект Коттона – Мутона экспериментально регистрируется
по возникновению эллиптичности прошедшего через среду линейно
поляризованного светового пучка (см. рис. 31). Под действием
магнитного поля первоначально изотропная среда превращается в
оптически одноосную. В результате ортогональные компоненты
вектора напряжённости электрического поля световой волны,
проходящей через среду, испытывают разные фазовые сдвиги и,
складываясь на выходе из среды, образуют эллиптически
поляризованный свет. Эффект Коттона – Мутона описывается
следующим выражением:
где ∆
– разность фаз световых лучей, выраженная в длинах волн; l –
λ
, (45)
длина пути света в веществе; С – постоянная Коттона – Мутона,
зависящая от природы среды, длины волны излучения и температуры;
H – напряженность магнитного поля.
Рис. 31. Проявление эффекта Коттона – Мутона
Эффект Коттона – Мутона обычно слабо проявляется
(исключением являются магнитоупорядоченные кристаллы), из-за
чего не нашел широкого применения.
Эффект Коттона – Мутона используют для измерений
анизотропии диамагнитной восприимчивости молекул, изучения
структуры примесных центров и магнитных свойств электронных
оболочек.
56
Ещё один магнитооптический эффект, который необходимо
отметить, – это Эффект Керра, который заключается во влиянии
намагниченности среды на интенсивность и поляризацию света,
отраженного от поверхности. Данный эффект наблюдается главным
образом при отражении света от металлических ферромагнетиков.
Различают три вида магнитооптического эффекта Керра (см.
рис. 32), которые различаются по ориентации вектора
намагниченности относительно отражающей поверхности и
плоскости падения светового пучка: полярный, меридиональный и
экваториальный.
При полярном эффекте вектор намагниченности направлен
перпендикулярно отражающей поверхности и параллельно плоскости
падения (рис. 32а). Влияние намагниченности сводится к вращению
плоскости поляризации и появлению эллиптичности отражённого от
поверхности магнетика линейно поляризованного света.
Рис. 32. Магнитооптический эффект Керра: а – полярный,
б – меридиональный, в – экваториальный
При меридиональном эффекте (рис. 32б) Керра вектора
намагниченности параллельны отражающей поверхности магнетика и
плоскости падения светового пучка.
Полярный и меридиональный эффекты Керра с эффектом
Фарадея объединяет тот факт, что в обоих случаях проекция
волнового вектора световой волны на направление намагниченности
отлична от нуля. Это обстоятельство позволяет отнести полярный и
57
меридиональный эффекты к продольным магнитооптическим
эффектам.
Экваториальный эффект (рис. 32в) Керра наблюдается при
расположении вектора намагниченности перпендикулярно плоскости
падения и параллельно плоскости отражения. Этот эффект
проявляется в изменении интенсивности и фазовом сдвиге линейно
поляризованного света, отраженного намагниченной средой. При
экваториальном эффекте проекция волнового вектора на направление
намагниченности отсутствует, что объединяет его с эффектом
Коттона – Мутона. Однако в отличие от квадратичного эффекта
Коттона – Мутона экваториальный эффект Керра является линейным
по фазовым и амплитудным изменениям в отражённом свете в
зависимости от намагниченности. Это позволяет использовать
экваториально намагниченные зеркала в качестве невзаимных
элементов оптических устройств.
Магнитооптический эффект Керра широко применяется при
исследованиях электронной структуры ферромагнитных металлов и
сплавов, доменной структуры ферромагнетиков, а также при
изучении структуры поверхностного слоя полированного металла.
Последним магнитооптическим эффектом, который
необходимо упомянуть в данном пособии, станет эффект Зеемана
(рис. 33).
Он заключается в расщеплении уровней энергии и
спектральных линий атома и других систем под действием
магнитного поля.
Под действием магнитного поля уровни энергии расщепляются
на зеемановские подуровни, и при переходах между подуровнями
уровней вместо одной спектральной линии появляются несколько
поляризованных компонент.
Случаи, описанные на рисунке 33, соответствуют простому
эффекту Зеемана, когда расщепление происходит на 3 подуровня.
При сложном эффекте Зеемана расщепление происходит на большее
количество подуровней, число которых зависит от квантовых чисел.
58
Рис. 33. Эффект Зеемана: а – без магнитного поля;
б – спектр наблюдается поперек поля; в – спектр наблюдается вдоль поля
6.2. Конструкции датчиков на магнитооптических эффектах
С точки зрения применения в датчиках магнитного поля
оптического волокна их можно классифицировать [22]:
1) датчики без оптического волокна;
2) датчики, в которых оптоволокно используется в качестве
чувствительного элемента;
3) датчики, в которых оптоволокно используется в качестве
линии передачи;
59
4) датчики, в которых оптоволокно используется в качестве и
чувствительного элемента и линии передачи.
Для ряда магнитооптических материалов характерно, что при
воздействии на них внешнего магнитного поля сигнал не имеет
сильной зависимости от температуры (рис. 34).
Рис. 34. Температурные зависимости фарадеевского сигнала I на выходе
магнитооптического датчика при воздействии различных магнитных полей
В работе [23] рассматривается конструкция датчика для
измерения магнитного поля, основанного на эффекте Фарадея. Схема
датчика приведена на рисунке 35.
Конструктивно датчик реализован на однопроходном
чувствительном элементе в виде магнитооптической пленки и
содержит поляризатор П, плёнку из железо-иттриевого граната
(ЖИГ) и анализатора (А). При прохождении через поляризатор П свет
от источника излучения становится линейно поляризованным с
азимутальным углом 1. Магнитооптическая плёнка железо-
иттриевого граната (ЖИГ) поворачивает плоскость поляризации
излучения на угол 2. На выходе схемы установлен анализатор с
азимутальным углом 3, преобразующий вращение плоскости
поляризации в изменение интенсивности излучения.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]