Яновский Б.М. Земной Магнетизм. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Протонный магнитометр

431

Регистрирующим устройством служит флюксметр конструк-

ции

А. Г.

Калашникова^[29], который отличается

от

других боль-

шей величиной собственного периода колебаний

большим

коэффициентом затухания,

что и

позволяет

ему

регистрировать

непосредственно амплитуды колебаний,

а не

скорости вариаций.

Так,

по

сравнению

флюксметрами фирмы «Кэмбридж» собст-

венный период колебания

его в 4

раза больше,

индуктивность

рамки

в 10 раз

меньше, поэтому

нему применимы

все

выводы

из теории, рассмотренные выше

в п. 1.

Цена деления такой установки порядка

0,02—0,05 у/мм, что

совпадает

данными расчетов

по

формуле

(12.33).

Индукционная установка обсерватории Нивернэ (Франция).

Вторым примером индукционного метода может служить уста-

новка, осуществленная Фурнье

[102] на

обсерватории Нивернэ

во Франции. Здесь датчиками являются многовитковые катуш-

ки

(250—300

тысяч)

пермаллоевыми сердечниками

виде

ци-

линдрических стержней диаметром

20 мм и

длиной

40 см.

Катушки располагаются

на

земной поверхности

по

направле-

нию географического меридиана

параллели

регистрируют

таким образом

δΧ и δΥ.

Регистрирующим устройством является шлейфовый электро-

цефалограф типа Рега

VIII

«Альвар-Электроник»

усилитель-

ной схемой,

что

позволяет доводить цену деления

до 0,001 у/мм.

Собственный период шлейфа электроцефалографа составляет

доли секунд, вследствие чего диапазон принимаемых частот рас-

ширяется

при

таком способе регистрации

до 50

сект

что

соот-

ветствует периоду

Т= 1/50 сек.

10.

Протонный магнитометр

для

регистрации магнитных

вариаций (автоматическая магнитная обсерватория)

Применение протонного магнитометра

для

регистрации маг-

нитных вариаций нашло свое осуществление

автоматической

магнитной обсерватории, разработанной

построенной

в США

Л.

Олдриджем [85].

§ 7 гл. IX

было показано,

что

метод протонного резонанса

требует

для

измерения напряженности магнитного поля некото-

рого промежутка времени,

поэтому непрерывная регистрация

магнитного поля таким методом невозможна. Однако

при

доста-

точно малой величине этого промежутка регистрацию можно

осуществить

виде «точечной» записи отдельных значений поля,

разделенных некоторым промежутком времени.

Первой особенностью автоматической станции Олдриджа

является

то, что для

записи вариаций нескольких элементов зем-

ного магнетизма (склонения

наклонения

/ и

полной величи-

ны напряженности земного поля

)

используется один

и тот же

432 Вариационные приборы

[гл.

Х|1

датчик, вследствие чего регистрация этих элементов происходит

по очереди: Н

, затем / и, наконец, D.

Вторая особенность этой станции — то, что регистрация

вариаций осуществляется при помощи записи на магнитную

ленту, данные с которой сразу же вводятся в счетную машину.

Рис. 200. Схема протонного магнитометра.

Схема протонного магнитометра такой станции представле-

на на рис. 200. Протонсодержащий образец (2) (датчик) поме-

шается в центр двух взаимно перпендикулярных колец Гельм-

гольца Ci и C

, одни из которых располагаются в плоскости,

близкой к магнитному меридиану. При этом общая ось колец

(Î) устанавливается по направлению, близкому к направлению

вектора Н

. (На схеме кольца Гельмгольца представлены в

виде одного кольца.)

Кольца Cd служат для измерения склонения, кольца

С<

—

для измерения наклонения. Кольца установлены на горизон-

тальном круге (9), который позволяет определить угол D

между

географическим меридианом и плоскостью колец с\. Шкала (4)

служит для определения угла /

между горизонтальной плоско-

стью и осью катушек. Кольца могут вращаться вокруг оси ef и

§ Ю]

Протонный магнитометр

433

вокруг горизонтальной оси аб, перпендикулярной к плоскости

магнитного меридиана.

Углы D

и /

являются постоянными и определяются как кон-

станты прибора астрономическими и геодезическими методами

с погрешностью до нескольких секунд.

Так как D

и /

лишь приближенно соответствуют истинным

значениям склонения и наклонения, то в каждый момент вре-

мени истинные значения склоне-

ния D и наклонения / будут отли-

чаться от D

и /

. Для определе-

ния же разностей D — D

и / — /

и служат кольца Гельмгольца.

Определение наклонения. Что-

бы понять принцип измерения,

рассмотрим частный случай, ко-

гда плоскость колец Cd совпадает

с плоскостью магнитного мери-

диана, а ось колец С* составляет

угол βι с направлением Н

(рис.

201). Тогда, включив в

кольца Ci ток / в одном направ-

лении, мы создадим перпенди-

кулярно оси ' ef поле + Л, а при

другом направлении то же поле

—h, направленное в противопо-

ложную сторону.

Напряженности суммарного поля (рис. 201) #ι и Н

, а также

напряженность поля Н

в отсутствии тока измеряется протонным

магнитометром.

Из треугольников OH

и OH

h- можно написать:

После вычитания одного уравнения из другого находим

Рис. 201. К определению на-

клонения.

Далее, сложив почленно оба уравнения, получим

Подставив это значение в предыдущее выражение, будем

иметь

(12.39)

434

Вариационные приборы

[гл.

XIГ

Так

как все

вектора

и Н

лежат

одной плоскости,

то

угол βί

90°—α; следовательно,

cos

α=sin

β*.

Угол

β* на

практи-

ке

не

превышает

2°,

поэтому

sin βϊ

можно заменить самим углом,

и, следовательно,

(12.40)

а наклонение

В действительности

ось ef

никогда

не

лежит

плоскости маг-

нитного меридиана, поэтому угол

β{,

вычисленный

по

формуле

(12.40),

будет отличаться

от

истинного значения.

этом случае

приходится измерения

Н\, Н

повторить, повернув кольца

С*

вокруг

оси ef на 180°. При

новом положении катушки

{

Поправочный угол

β/

найдется простым вычитанием:

Определение склонения аналогично определению наклонения.

Поля смещения

Hi и Н

создаются

этом случае кольцами

СО

направлении, перпендикулярном плоскости магнитного

меридиана,

поправочный угол

определится

по тем же

самым

формулам

(12.39) и (12.40), а

склонение вычислится

из

уравне-

ния

Процесс регистрации этим магнитометром состоит

следую-

щем.

После окончания работ

по

установке колец

определения

углов

и /

включается программирующее устройство, которое

автоматически проводит одну

за

другой

ряд

операций:

Замыкается цепь колец

С*, при

этом создается поле

-4-Λ,

которое используется

при

определении наклонения.

Подключается цифровой счетчик

выходу магнитометра

и записывается число периодов прецессии

соответствующее

полю

Hi.

Изменяется направление тока

кольцах

С,- на

противопо-

ложное,

при

этом создается поле

—h.

Включается цифровой счетчик

записывается число

пе-

риодов прецессии соответствующее полю

Выключается

ток в

кольцах

Ci.

Приводится

действие цифровой счетчик

записывается

число

п,

соответствующее полю

§11]

Метод оптической накачки

435

7. Далее повторяются все операции пп. 1—4 для колец C

Числа η должны записываться с точностью до 6-го знака для

того,

чтобы обеспечить вычисление соответствующего магнит-

ного поля с погрешностью 0,1 γ в диапазоне изменения напря-

женности до 60

ООО

у.

Каждую минуту в обсерватории измеряется 5 величин, за

сутки —

7200,

которые записываются на бумажную ленту, дли-

ной 30 м. Данные, полученные обсерваторией в течение месяца,

накапливаются на магнитной ленте шириной 6 мм и дли-

ной 3C0 м.

Вычисления. Запись на магнитной ленте подается непосред-

ственно в счетную машину, которая программируется так, чтобы

получать средние значения магнитных составляющих за пери-

оды 1 мин и 1 час; кроме того, для определения индексов маг-

нитной активности производятся следующие операции:

а) вычисляется среднее значение данной составляющей за

3-часовой период;

б) вычисляется отклонение действительного значения со-

ставляющей от ее усредненного значения, найденного согласно

п. а);

в) для каждого 15-минутного периода определяется ряд

таких отклонений, найденных в п. б), или наибольшее отклоне-

ние.

г) в соответствии с заранее определенной шкалой Q (Q-ин-

дексами обозначаются величины, найденные в п. в) находятся

для каждого 15-минутного периода;

д) для каждого 3-часового периода определяется ряд откло-

нений, отмеченных в п. б);

е) в соответствии с заранее определенной шкалой К (/(-ин-

дексами обозначаются величины, найденные в п. д) находятся

для 3-часового периода;

ж) все вышеприведенные операции следует повторить для

каждой составляющей. Окончательные Q- и /(-индексы — это

наибольшие величины отклонений, которые находятся после

рассмотрения всех составляющих.

§11.

Метод оптической накачки

Явление ядерного парамагнитного резонанса, наблюдаемое

в жидкостях при помещении их в магнитное поле, теоретически,

как было показано в § 7 гл. IX, объясняется тем, что энергети-

ческий уровень ядра в этом случае подразделяется на два под-s

уровня с разностью энергий Δ£=2μ

#, где μ

— магнитный моч

мент ядра. При переходе ядра с одного подуровня на другой

возникает прецессия ядра с частотой

Вариационные

приборы

[гл.

XIГ

которую можно обнаружить радиоспектроскопическими мето-

дами.

То же самое происходит и с атомом в целом, находящимся

в магнитном поле: его основные уровни расщепляются на не-

сколько подуровней, разность же энергий между двумя под-

уровнями определяется той же самой формулой за исключе-

нием лишь того, что магнитным моментом в этом случае яв-

ляется магнитный момент электрона (спин), равный магнитному

момейту Бора μ

. Такое расщепление уровней энергий носит на-

звание Зеемановского эффекта.

Частоту излучения или поглощения при переходе электрона

с одного .зеемановского подуровня на другой можно вычислить

для заданного поля Я, так как μ и h известны, а именно:

'Следовательно, аналогично явлению ядерного резонанса

можно' возбудить резонансный переход с одного подуровня на

другой, если одновременно с постоянным магнитным полем

возбудить'переменное магнитное поле, направленное перпенди-

кулярно постоянному. Однако наблюдать такой переход до по-

следнего времени не удавалось, и лишь в 1957 г. Беллу и Блуму

[88] удалось обнаружить такое явление в парах щелочных ме-

таллов и применить его для измерения напряженности магнит-

ного поля; Метод БеЛла и Блума получил название метода «оп-

тической' '"накачки»; под термином «накачка» подразумевается

искусственное заселение атомами верхнего подуровня энергии.

Только благодаря такой «накачке» и удалось Беллу и Блуму

•обнаружить Явление резонансного перехода и применить его

к измерению Напряженности.

Теория этого явления заключается в следующем. Атомы ще-

лочных металлов: натрия, рубидия, цезия имеют в незаполнен-

ной внешней ободочке лишь по одному электрону, и, как пока-

зал Д. С. Рождественский, имеют спектры, аналогичные спектру

водорода,-И поэтому основным состоянием, как и у водорода, яв-

ляется состояние

35ι/2

определяемое азимутальным квантовым

числом; (угловым моментом) /=0 и спиновым моментом

= 7г-

Одними, из возбужденных состояний являются: 3Ρι/

и ЗР3/2

(/=/—s=i,

i=l+s=

-) . Согласно правилу отбора переходы

из состояний ЗР„ и ЗР„ в состояние 35.. и обратно возмож-

/ι /ι

(12.41)

§11]

Метод оптической накачки

437

ны,

когда

Δ/=±1,

поэтому

для

атомов щелочных металлов

воз.

можными являются лишь переходы

3/j

^35,^ и 3Ρ

(/ί

^35,^..

Для натрия

это

соответствует дублету желтой линии

(λ©|

0,5896

мк и Яв

0,5890

мк).

Если поместить, например, пары натрия

магнитное поле,

то атомы приобретут дополнительный угловой момент, опреде-

ляемый магнитным квантовым числом

т,

которое может прини-

мать значения

0— ±

1,4:2,...,

при

этом

m не

должно превышать

/. Следовательно,

этом случае каждый

из

уровней энергии,

определенный числом

расщепляется

на ряд

уровней, число которых составляет

(2/41). Так,

в основном

^состоянии

3S-, , где /=0,

расщепления

не происходит,

возбужденном

же 3P

(/j

уровень.

расщепляется

на три (m=

—1,

«1=0, т= + 1).

Переход

из

возбужденного состояния

основное

и обратно определяется

этом случае условием

Д/я±1

Δ/=±1.

Схема такого перехода пока-

зана

на рис. 202. Как

видно,

переходу

~+-3S соответствующей линии

добавля-

ются

еще два

возможных перехода: ЗР+^-к^

ЗР~

-*-35

и мы

должны наблюдать вместо

12 12

одной желтой линии

Di три,

разделенных

по

частоте величиной

(12.41).

Однако эксперимен-

ты

со

спектрометрами

большой разрешающей

способностью обнаружили наличие

не

трех,

а це-

лого ряда линий.

Эти

линии оказались обуслов-

ленными взаимодействием электронных оболочек

с ядром, которое,

как мы

видели. обла-

дает угловым

магнитным моментами. Поэтому общий

угловой момент атома должен складываться

не

только

из

азимутального

I и

спинового

s, но

также ядерного

/. По-

этому суммарный момент должен определяться квантовым

числом

F=/ + s + /, при

этом

может принимать значения

V2,

/з,

/г и т. д. Для

натрия

основном состоянии

35.. и в

возбуж-

денном

ЗР„

число

может принимать значения

F=l и F=2. и,

следовательно, каждый

из

этих уровней расщепляется

на два

подуровня. Такое расщепление носит название сверхтонкой'

структуры.

При наличии магнитного поля каждый уровень

F в

свою

очередь расщепляется

на 2F+\

подуровней,

поэтому

основ-

ном состоянии

35 и в

возбужденном

ЗР,.

уровни, соответст-

Рие.

202.

Схема рас-

членения

ли-

нии натрия

£>! в

магнит-

ном поле.

438

Вариационные приборы

[гл.

XII

вующие

F=\,

расщепляются

на три, а

уровни

F=2 — на

пять

подуровней. Схема такого расщепления показана

на рис. 203.

Рассмотрим, каково будет распределение атомов между

уровнями энергий,

т. е.

сколько атомов приходится

на

один

уровень

сколько

на

другой.

Положим,

что на

нижнем подуровне имеется

атомов,

а на

более высоком

. В

состоянии теплового равновесия соотноше-

ние между

и п

определяется законом вероятности Больцма-

иа:

(12.42)

где

Ει и

—значения энергии, соот-

ветствующие более высокому

Оолее

низкому подуровням;

Τ —

абсолютная

температура;

к —

постоянная Больц-

мана.

Разность энергий

АЕ = Е

— £•

можно выразить

единицах частоты:

где

Δ/ —

разность частот излучения,

испускаемого атомом

при

переходе

одного уровня

на

другой.

Из уравнения

(12.42)

получаем

(12.43)

Рис.

203.

Схема расщепле- Величина

представляющая собой

ния

- относительный избыток атомов

на од-

ном уровне

по

сравнению

другим,

или, иначе, избыток

населенности уровней, носит название

параметра накачки.

В основном состоянии атомы щелочных металлов имеют,

как

мы видели,

отсутствии магнитного поля

два

подуровня

и F

Разность частот между этими подуровнями,

как

показали опыты,

имеет порядок

гц,

вследствие чего

ϊ^Γ^'

П0ЭТ0М

па

раметр накачки

этом случае будет иметь значение:

При наличии слабого магнитного поля уровни

F\ и F

расщеп-

ляются, однако порядок величины

Δ/

изменится мало,

так как

§11]

Метод оптической накачки

439

разность между двумя зеемановскими линиями составляет, как

мы видели, величину порядка 10

гц. Поэтому и параметр на-

качки также мало изменится.

При наложении перпендикулярно к постоянному магнитному

полю переменного магнитного поля резонансной частоты Af

должно возникнуть поглощение энергии переменного поля, со-

ответствующее переходу атомов с более высокого уровня на

более низкий. Однако наблюдать такое явление невозможно

из-за малой населенности верхних уровней, так как величина

поглощения энергии пропорциональна избытку (п

—л

). Следо-

вательно, чтобы наблюдать эффект поглощения, необходимо

увеличить параметр накачки, т. е. увеличить заселенность более

высокого уровня.

Формула

(12.43)

показывает, что при увеличении п

абсо-

лютная температура должна падать и при

rii

= n

обращается в

нуль.

При дальнейшем возрастании п

температура становится

отрицательной, чего в действительности не может быть. Однако

условно термин «отрицательная температура» вошел в прак-

тику спектроскопии, указывая на то, что заселенность верхнего

уровня больше, чем нижнего. Получить отрицательную темпе-

ратуру можно лишь при помощи каких-либо внешних воздейст-

вий на возбужденные атомы: таких как электронные удары,

переменные электромагнитные поля резонансной частоты.

Однако наиболее эффективным оказалось воздействие посторон-

него излучения, частота которого совпадает с частотой перехода

с одного подуровня на другой. Такой метод воздействия и полу-

чил название метода оптической накачки.

Рассмотрим явление оптической накачки на примере одного

из дуплетов желтой линии натрия D

Опыт и теория показывают, что расщепление в магнитном

поле приводит к поляризации каждой из компонент Qi. Линии,

соответствующие переходу Апг = 0, поляризованы прямолинейно

и обозначаются символом π. При переходе

Atfi

= +

испус-

каются линии, поляризованные по кругу, при этом переходу

Апг=

—

соответствуют линии, поляризованные по часовой

стрелке, если свет от источника распространяется в направле-

нии магнитного поля, и переходу Дт= +

1—линии,

поляризо-

ванные против часовой стрелки. Эти линии обозначаются симво-

лом σ~ и σ+. Плоскость же поляризации всегда перпендикуляр

на силовым линиям магнитного поля Н.

Положим, что мы имеет сосуд А (.рис. 204) с парами натрия

(Na

помещенный в магнитное поле И, направление которого

совпадает с осью ζ. И пусть в направлении той же оси ζ распро-

страняется монохроматический пучок света К с длиной волны,

равной длине линии D

поляризованный по кругу о+.

440

Вариационные приборы

[гл.

XII

При прохождении через сосуд А этот свет будет поглощаться

парами натрия, что соответствует переходу атомов натрия с

уровня 3S,. на уровень ЗР„. При этом, как показывает теория*

возможны лишь те переходы, для которых правило отбора имеет

вид:

Обратный же переход с уровня ЗР

1/г

на уровень 35

(/j

должен

удовлетворять обычным правилам, т. е. Дт=0, Лт = +

Если обратиться к

рис.

205, где представле-

ны уровни энергии атома

натрия и возможные пе-

реходы, удовлетворяю-

щие указанным прави-

лам, то можно видеть,

что переходы со всех

нижних подуровней 3S,

на высшие ЗР

1/2

разреше-

Рас. 204. Схема расположе-

ния полей в экспериментах

по оптической ориентации

атомов.

Рис. 205. Схема, поясняющая процесс

оптической накачки.

ны за исключением подуровня m =+2, так как для него раз-

ность Am всегда меньше +1. Обратный же переход возможен

с любого верхнего подуровня на любой нижний, в том числе и

на подуровень т=+2. Вследствие этого на подуровне

lJt

m=2

непрерывно будут накапливаться атомы, у которых спины ори-

ентированы по направлению магнитного поля, и, следовательно,

газ в целом окажется намагниченным. В этом и заключается ме-

тод накачки — под влиянием пучка света происходит как бы на-

качивание атомов на один из подуровней.