超导量子干涉仪与应用

在磁测量技术领域,就磁现象而言大体可分为弱磁场、强磁场和甚强磁场三大类,而弱磁场的测量水平在很大程度上代表了国家磁场测量的技术发展水平,弱磁场检测技术的发展与应用也一直是人们至为关切的问题。而弱磁探测技术在军事、资源勘探、科学研究等领域有广泛的应用，近些年更获得了突飞猛进的发展，其中军事需求是主要的推动因素之一。弱磁探测采用测量地球磁场或者磁性目标磁场的方式，通过信号处理与分析获取相关信息，用于资源调查和目标探测等。

• 我们知道弱磁场的检测技术是地磁常规和地震预兆检测的最适用技术,比如:加拿大的全国地磁网就是应用磁通门技术实现的；
• 航磁地磁测量和宇航工程的磁场测量,使用的都是弱磁场技术；
• 高精度的测磁仪器是地面磁法探矿的主要设备；
• 军事上舰艇的消磁、鱼雷的的制导和卫星测距等都需要用到弱磁场技术；
• 工程上也可以通过对一些材料作非破坏性检测,进而检测其内部的缺陷；
• 现代弱磁技术在生物工程和医疗器械方面更是有重要的应用,如:核磁共振CT、肺磁诊断仪、胃磁诊断仪等。

弱磁技术是当今高新技术的一个热点,它的发展前景广阔。本文主要针对弱磁场进行研究。

1.1 弱磁场的检测方法

弱磁场传感器技术多用于医学及军事领域,和其他传感器相比,结构要笨重复杂,且成本较高。由于目标磁场比地磁场(0.5-0.6G)小得多,并且地磁场的微弱变化均比低强度磁场传感器测量范围大,因此在低强度磁场传感器的检测中必须充分考虑到这种影响。

近年来,由于各种物理效应和物理定律在磁场测量中的大量应用,弱磁场的检测技术有了很大的发展,各种弱磁检测方法已趋完善,图1为测磁方法分类:

图1 磁场测量依据测量原理分类图

1.1.1 磁-力法

磁-力法是利用被测物质中的磁化物体(磁针)或载流线圈与被测磁场间相互作用的机械力(或力矩)来测量磁场的方法。利用载流线圈的方法称为电动法,其测量磁场的范围为0.1~10T,测量的误差为(1~2)*10-2T,但此法目前已被更简洁实用的霍尔效应法所取代；还有一种利用磁致伸缩效应的方法,最近用薄膜器件和采用光纤技术后,其分辨率可达10-12T。磁力法仪器在观测日变、地震预报、磁暴等方面的应用很广,也用于测定岩样的磁性。

1.1.2 电磁感应法

电磁感应法是以电磁感应定律为基础的磁场测量方法。它是一种应用十分广泛的方法,其测量的磁场范围为10-13T到103T。用电磁感应法测量恒定磁场时,可以通过探测线圈的移动、转动和振动等方式而使探测线圈中的磁通发生变化。其中冲击法主要用于测定恒定磁场,其测量误差为5×10-3~10-2T；伏安表法主要用于测定高频磁场,测量的误差为10-2T左右；电子磁通表法可用于测定恒定磁场、交变磁场或脉冲磁场和磁通,测量磁通的范围为10-4~10-3T；旋转线圈法和振动线圈法主要用于测定恒定磁场,旋转线圈法的测量磁场范围为10-8~10T,误差为10-4~10-2T,振动线圈法的误差为10-2T左右。

1.1.3 磁饱和法

磁饱和法是利用被测磁场中的磁芯在交变磁场的饱和激励下其磁感应强度磁场强度的非线性关系来测量磁场的方法。这种方法主要用于测定恒定的或缓慢变化的磁场,当测量电路稍加改变后也可以测量低频的交变磁场。其中,频率选择法有称为谐波选择法或磁通门法,测量磁场的范围为10-12~10-13T,测量的误差(1~3)×10-2T；时间选择法的测量磁场范围为2.5×10-9~1.25×10-4T。磁饱和法大量用于宇航工程、军事探测、地质探测、材料探伤等方面。

1.1.4 电磁效应法

电磁效应法是利用金属或半导体中通过电流和外磁场的同时作用下产生电磁效应来测量磁场的一种方法。其中,霍尔效应法应用最为广泛,它可以测量10-9~10T范围的恒定磁场,测量的误差为10-3~10-2T,磁阻效应主要用于测量10-2~10T范围的磁场,其测量误差为10-3T左右,利用电磁复合效应的磁敏晶体管,可以测量10-5~10-2T范围内的恒定磁场和5HZ以内的交变磁场,但因这种器件受稳定性的限制,目前很少用于测量磁场。

1.1.5 磁共振法

磁共振法是利用物质量子状态变化而精密设量磁场的一种方法,其测量的对象一般是均匀定磁场。其中核磁共振法主要用于测量10-2~10T范围的磁场,电子顺磁共振法主要用于测量10-4~10-1T范围内的弱磁场,光泵法用于测量小0-3T以下的弱磁场,其分辨率可以达到10-11核磁共振法已形成通用型仪器,在磁场测量中甚广。光泵阀在地球物理、生物磁学级火箭、卫星、军事工程等方面有较多应用。

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