Яновский Б.М. Земной Магнетизм. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Метод оптической накачки

44!

Как показывает опыт, таким способом можно получить па-

раметр накачки ν, равный 0,99, т. е. заселить нижний подуро-

вень т= +2 на 99%·

Казалось бы, что после выключения пучка света К заселен-

ность уровня m =+2 должна оставаться неизменной, так как

переходы на любой более низкий из подуровней запрещены.

Однако вследствие тепловых флюктуации такая заселенность

будет постепенно уменьшаться, пока не станет удовлетворять

равенству

(12.42);

но время релаксации при таких переходах

будет на несколько порядков больше, чем при переходах с раз-

решенных подуровней, что и позволяет наблюдать явление на-

качки.

Достаточно сказать, что если время жизни атома на более

высоком уровне, с которого разрешен переход на более низкий,

составляет Ю

-5

—10

-6

сек, то время жизни на уровне F=2,

т = 2 имеет порядок Ю

-1

сек.

После того как большинство атомов в сосуде А под влиянием

пучка света К перейдет на уровень F = 2, tn

—

дальнейшее по-

глощение этого пучка прекратится, и после выхода из сосуда А

он будет иметь наибольшую яркость.

Если теперь приложить к сосуду А переменное магнитное

поле h резонансной частоты, перпендикулярно к постоянному

полю (рис. 204), то произойдет такое же явление перехода атома

с уровня m = 2 на уровень m—1, как и в случае перехода ядер

с уровня Ε= + μΗ на уровень—μΉ, рассмотренное в § 7 гл. IX.

Вследствие этого уровень F = 2, m = 2 освободится, а осталь-

ные,

более низкие уровни заселятся снова, и процесс поглоще-

ния пучка света вновь восстановится.

Так как наиболее быстрый переход с уровня т=+2 на

т= +

будет происходить, когда частота перехода совпадает

с частотой переменного тока, то и поглощение будет наиболее

интенсивно в этот момент. Поэтому, наблюдая в проходящем

свете его интенсивность при различных частотах переменного

поля, можно заметить резкое уменьшение интенсивности в мо-

мент резонанса. Измерив резонансную частоту переменного

поля, мы можем по соответствующей формуле, данной не-

сколько ниже, определить и напряженность постоянного поля И.

Схема такого опыта показана на рис. 206. Пучок света, излу-

чаемый лампой Л, наполненной парами щелочного элемента:

натрия, рубидия или цезия, направляется вдоль силовых линий

магнитного поля и фокусируется линзой после чего попа-

дает в колбу А, наполненную парами того же элемента. На пути

от лампы к колбе поставлен светофильтр СФ, который выделяет

соответствующую линию (для натрия — линию D

)

а также

поляроид П, вызывающий круговую поляризацию света.

442

Вариационные приборы [гл. XII

По выходе из колбы расходящимся пучком свет снова фоку-

сируется линзой L> и улавливается фотоэлементом ФЭ. Вызы-

ваемый им фототок усиливается при помощи фотоумножителя

ФУ и подается на осциллограф О, который записывает величину

силы фототока (интенсивности света) в зависимости от частоты

переменного поля (при постоянном поле), или же от напряжен-

ности поля, если частота постоянна.

Связь между резонансной частотой / перехода с уровня

т=2 на уровень т=1 и напряженностью магнитного поля в

этом случае будет несколько сложнее, чем в ядерном резонансе,

Рис. 206. Схема опыта оптической накачки.

так как энергетическое состояние атома на уровне m=2 обус-

ловлено не только наличием магнитных моментов у спина, но

также и магнитных моментов ядра и орбиты. Поэтому выраже-

ние энергии атома, находящегося в слабом магнитном поле на

уровне (F,

т),

когда связь между ядром и орбитой жесткая, т. е.

когда магнитное поле не в состоянии нарушить эту связь,

должно иметь вид:

где μβ—магнетон Бора, μ

—магнитный момент ядра, — пред-

ставляет собой косинус угла между моментом спина или ядра

и направлением поля Н.

Разность энергий между уровнями m и m

—1,

равная hf, оче-

видно, будет

Δ£=Λ/= - (

μΒ

—р

)Я,

откуда, заменяя магнитные моменты μ

и μ

через гиромагнит-

ные отношения у

и γ

электрона и ядра по известным форму-

лам:

§11]

Метод оптической накачки

443

получим

для

случая, когда

Множитель перед

представляет атомную постоянную, кото-

рая обозначается через

Г_ и,

следовательно,

(12.44)

В сильных полях, когда связь между ядром

оболочкой нару-

шается, выражение энергии

еще

более усложняется.

этом

случае приходится учитывать энергию сверхтонкого расщепле-

ния, которая

при

переходе

уровня

m на

уровень

m—1 не

будет

оставаться постоянной.

Как показали Брейт

Раби

[92],

энергия, соответствующая

уровню

и т,

выражается формулой

(12.45)

где у

Уе+Уя. Af—разность частот между подуровнями сверх-

тонкого расщепления.

Для щелочных металлов Δ^«10

—10

гц, а ^—

«2,3·

гц,

поэтому

при

значениях

Я,

непревышающих ΙΟ

—10

э,

отношение

2дД^ будет малым,

тогда

точностью

до

членов второго

по-

рядка выражение

(12.45)

примет

вид:

Составляя разность энергий между подуровнями

—

для

случая, когда

/=- и m =

2, получим

(12.46)

444

Вариационные приборы

[гл.

XII

где

Г_

имеет

то же

значение,

что и в

формуле

(12.44),

вторая

постоянная

Таким образом, формула

(12.44)

является лишь первым при-

ближением, когда

невелико,

влиянием членов второго поряд-

ка

более точной формуле можно пренебречь.

Таблица

Постоянные

Г_ и G для

нат-

рия

и для

одного

из

изо-

топов рубидия

приведены

в табл.

22.

Отсюда можно определить,

каково должно быть наиболь-

шее значение

Я, при

котором

приближенная формула

( 12.44)

остается справедливой, если

ограничиться точностью измерения

Я в Ю

-5

величины

Я.

Для натрия

это

будет

Элементы

Г^,

гц\э

гц\э1

Na»

699793

832

699591

216

для

рубидия

Рас.

207.

Блок-схема гелиевого маг-

нитометра.

Постоянные

Г. и С

должны определяться

из

эксперимента,

так

как они

зависят

от

магнитного момента ядра

постоян-

ной сверхтонкого расщепления

Af,

которые нельзя выразить

через какие-либо атомные константы.

Метод

оптической накачки

445

Гелиевый магнитометр. Примером аппаратуры для измере-

ния вариаций геомагнитного поля, основанной на явлении маг-

нитной накачки, может служить гелиевый магнитометр, разра-

ботанный Кейзером и др. [111]. Блок-схема этого прибора пред-

ставлена на рис. 207.

Источником света служит лампа (Л) с 6-миллиметровым ка-

пилляром, наполненная гелием при давлении в 8 мм рт. ст. Лам-

па возбуждается от генератора переменного тока (Г) частотой

50 Мгц и мощностью 5 вт. Свет от лампы, пройдя через колли-

маторную линзу (КЛ), поступает в инфракрасный поляроид

(П),

где линейно поляризуется. За поляроидом помещена поли-

этиленовая пластинка (К) толщиной 3 мм, которая заменяет

кварцевую пластинку в четверть длины волны при λ=

мкм и

служит для поляризации света по кругу.

Рас.

208. Зависимость фототока

от

напряженности поля для

гелие-

вого

магнитометра.

Циркулярно поляризованный свет проходит через погло-

щающую пирексовую трубку (Т) объемом 60 мм

, заполненную

чистым гелием при давлении 0,2 мм рт. ст., который при помощи

того же генератора возбуждается до состояния

5L'

Между ге-

нератором (Г), лампой (Л) и резонансным генератором (РГ)

включены соответствующие распределительные схемы

(CI)H(C

На пирексовый цилиндр навито несколько витков провода

диаметром в 25 мм, которые соединены с резонансным генера-

тором (РГ).

По выходе.из поглощающей трубы (Т) свет, пройдя через

фокусирующую линзу (ФЛ), падает на фотоэлемент (ФЭ) из

сернистого свинца PbS и возбуждаемое им напряжение фото-

тока подается на усилитель и фазовый детектор (Y). От фазо-

вого детектора усиленное напряжение с частотой /о, равной не-

скольким сотням герц, прикладывается к резонансному генера-

тору, в контуре которого возникают колебания магнитного поля

с амплитудой около 200 у.

446

Вариационные

приборы

[глГХЛГ

Рис.

209.

Модуля-

ции

частоты

резо-

нансного

генерато-

ра

частотой

j ва-

риации

земного

поля.

Это в свою очередь вызовет колебания ин-

тенсивности светового потока и колебания

напряжения фотоэлемента. Сигнал, вырабаты-

ваемый фотоэлементом, т. е. зависимость си-

лы фототока от напряженности поля получает

форму, показанную на рис. 208.

Минимум на этой кривой соответствует

условию резонанса, т. е. когда частота генера-

тора равна частоте перехода с одного подуров-

ня на другой, определяемой в первом прибли-

жении

Если на эту кривую, или, иначе, на контур»

в котором происходят такие колебания, нало-

жить добавочные колебания, то в результате

такого наложения в контуре возникнут доба-

вочные колебания, форма и образование .ко-

торых показаны на рис. 209. Из рисунка

видно, что если

f=fo,

то добавочные колеба-

ния не возникают, если же f отличается от

/о,

то происходит модуляция частоты.

Фазовый детектор управляет этими моду-

ляциями так, что автоматически поддержи-

вает частоту

fo=const

при любых колебаниях

внешнего поля. Это соответствует тому, что ре-

зонансная частота /у будет промодулирована

частотой вариации земного поля.

Поэтому напряжение от резонансного гене-

ратора после усиления подается на детектор,

который и выдает колебания магнитного поля

Земли, регистрируемые при помощи осцилло-

графа.

На рис. 210 показан пример такой записи

Рис.

210. Пример записи гелиевым магнитометром^корот-

копериодных.

колебаний земного

поля.

короткопериодных колебаний земного поля

периодом

7=30 сек

и амплитудой около

0,15 у.

Описанный гелиевый магнитометр имеет чувствительность,

определяемую ценой деления

0,03—0,02 \1мм, и

может регистри-

ровать вариации

частотой

до

сотен герц.

Приложение

Таблица отношений между единицами системы МКСА

и СГС

(Гаусса)

Обозна-

чение

величины

Наименование величины

Наименова

в системе

СГС

ние единиц

в системе

МКСА

Переводной

множитель

/ МКСА

[ СГС j

Напряженность электри-

ческого поля

—

вольт

на

метр

(в/м)

Электрическое напря-

жение, потенциал,

электродвижущая

си-

вольт

(в)

ла

—

вольт

(в)

10».

Сила тока

—

ампер

(а)

-1

-с

Электрическое сопро-

тивление

—

ом

(ом)

10».с~

Напряженность магнит-

эрстед

(э)

ного поля

эрстед

(э)

ампер

на

4π·1(Γ

метр (а 1м)

Магнитный поток максвелл

вебер

(вб)

ΙΟ»

(мкс)

вебер

(вб)

Магнитная индукция

гаусс

(гс)

тесла

(тс) 10*

Индуктивность

взаим-

10»

ная индуктивность

сантиметр

(см)

генри

(гн)

10»

Магнитный момент

ампер

(4π)-

·10ΐ»

квадратный

(4π)-

·10ΐ»

метр (а-м

)

Намагниченность

—

ампер

на

(4π)

· 10*

метр

(aJM)

(4π)

· 10*

Магнитная проницае-

мость

— —

(4π)

·107

Магнитная восприимчи-

вость

— —

(4π)"

.10*

Длина

сантиметр

(см) метр

(м)

10»

Площадь

квадратный квадратный

10*»

сантиметр

(см

)

метр

(м

)

Объем

кубический

10»

сантиметр метр

(м*)

(см*)

448

Приложение

Для того чтобы формулы н уравнения, написанные в единицах системы

СГС (при нерационализованкой форме уравнении), представить в единицах

системы МКСА (при рационализованной форме уравнений), необходимо каж-

дый символ, обозначающий ту или. иную величину в обеих частях уравнения,

умножить на соответствующий множитель λ, помещенный в пятом столбце

таблицы (с обозначает скорость света).

Примеры: 1) Уравнение Максвелла в системе СГС имеет вид:

Пользуясь числами столбца 5 приложения и принимая во внимание, что

операция rot есть дифференцирование по координате, т. е.-по длине, получаем

где В' выражено в теслах, а Е' — в вольтах на метр.

2) Формула для электродвижущей силы индукции в системе СГС:

в системе МКСА она будет иметь вид:

ИЛИ

где — в вольтах, аФ' — в веберах.

ЛИТЕРАТУРА

Акулов

H. С.

Ферромагнетизм.

М.,

ГИТТМ,

1940.

2. Амосов

А П., А. Я- Ρ о τ

τ е

и, В. С. Ц

ρ е л ь.

Ядерный аэро-

магнитометр АЯАМ-6

результаты

его

предварительных летных испытаний.

Геофизическое приборостроение.

Сб.

статей,

вып. 6, стр. 33—54, 19К0.

А н В. Α., Η. П.

Владимиров

и др.

Станция

для

измерения

ва-

риаций естественного электромагнитного поля Земли

диапазоне

0,5—

1000 гц.

Вопросы теории

практики электрометрии,

стр. 56—68, 1961.

Андреев

Б. А.

Определение глубины поверхности кристаллическо-

го фундамента платформенных областей

по

магнитным аномалиям. Приклад-

ная геофизика,

вып. 13. М.,

Гостоптехиздат,

1955.

5. Беляев

И. И., Д. Я. Л и б е

с о н, А. М.

Седин. Ядерный магни-

тометр.

Сб.

произв.-техн. информации

по

геофизическому приборостроению,

вып.

4, стр. 85—102, 1959.

БердичевскийМ.

Н.

Электрическая разведка методом теллуриче-

ских токов.

М.,

Гостоптехиздат,

1960.

Бозорт

Р.

Ферромагнетизм. М.—Л.,

ИЛ, 1956.

Боровик

Е. С, А. С. M

л ь

р. Лекции

по

ферромагнетизму.

Изд.

Харьковск. ун-та, г960.

Брюнелли

Б. Е.

Магнитные вариационные станции походного

ти-

па. Труды НИИЗМ,

вып. 2(12), стр. 90, 1948.

10. Брюнелли

Б. Ε., M. Н. Б е ρ д

ч е в с

к и

й, А. М.

Алексеев,

О.

А. Б у ρ д о.

Наблюдения короткопериодических вариаций электромагнитно-

го поля Земли.

Изв. АН

СССР,

сер.

геофиз.,

№ 8, стр. 1206—1213, 1959.

11. Брюнелли

Б. Е., А. А. Ко в ту н, О. М.

Распопов,

Η. М.

Руд-

нева,

Н. Д.

Чичерина. Магнитотеллурическое зондирование

районе

Средне-Русской впадины.

Уч. зап. ЛГУ, № 303, 1962.

12.

В а л ь с

и й Э. И.

Измерение земного магнитного поля

при

помощи

магнетрона. Труды ГГО, вып.

стр.

49, 1936.

13.

В е

и б е ρ г К. Б.

Применение способа Фарадея

для

изображения

магнитного поля силовыми линиями

интерпретации результатов магнитной

съемки. Труды

ГГО, вып. 17, стр. 3, 1938.

14.

В о

с о

к и

й С. В. и Я- С. Шур.

Ферромагнетизм.

М.,

ГИТТЛ,

1948.

15. Гаусс

К- Ф.

Избранные труды

по

земному магнетизму. Перевод

акад.

А. Н.

Крылова.

Изд. АН

СССР,

1952.

16.

Г в

з д ь Д. И., Б. В.

Гусев. Использование явления резонанса

для

увеличения чувствительности астатического магнитометра.

Сб.

научно-техн.

информации ОКБ МГОН, вып.

стр.

89—96, 1960.

450

Литература

17. Гольд

рее ρ И. Г.

Принципы построения аэромагнитометров

и пу-

ти

их

дальнейшего развития.

Сб.

работ

по

геофизическим

метеорологическим

методам

приборам, вып.

стр.

31—38, 1958.

18.

Г ρ а б о

к и

й Μ. Α., Α. Η. Π у

к о в. К

вопросу

возникновении

остаточной намагниченности обратной полярности

горных породах.

Изв. АН

СССР,

сер

геофиз.,

№ 4,

стр.

320—330, 1954.

19.

Г ρ а б о в с

Μ. Α., Г. Η. Π е τ ρ о в а. О

возникновении термооста-

точного намагничения горных пород.

Изв. АН

СССР,

сер.

.геофиз.,

№ 1,

стр.

56—66, 1956.

20.

Д е г τ я ρ е

И. Ф., Д. А. Л а π τ е

й.

динамике доменной структуры

в процессе намагничивания.

ФММ, т. 11, 1962.

21.

Де К о л о н г.

Новый прибор Колонга

Брауэра

для

уничтожения

измерения девиации. Жури. «Морской сборник»,

№ 11, 1880.

22.

Д и а

в-К

л о к о в В. И.

Измеритель малой остаточной намагничен-

ности горных пород.

Изв. АН

СССР,

сер.

геофиз.,

№ 1, стр. 142—147, 1960.

23. Долги

нов С. Α., M. Л. О з е

а я.

Прибор

для

определения маг-

нитных свойств горных пород. Труды НИИЗМ,

вып. 6(16), 3, 1951.

24.

3 а м о ρ е в А. А.

Исследование двухмерной обратной задачи потенциа-

ла.

Изв. АН

СССР,

сер.

геофиз.

геогр.,

№ 4—5, 1941.

25. Иванов

Н. А.

Интерпретация аномалий

по

относительному виду

кривой. Теория

практика интерпретации геофизических аномалий. Труды

Свердл. горн, ин-та

им.

Вахрушева,

вып. 15.

Госгеолизда г,

1951.

26. Инструкция

по

магниторазведке.

Μ., МГ и ОН, 1961.

27. Калашников

А. Г., С. С. Φ о

τ о н.

Экспериментальное изуче-

ние

на

моделях топографии аномального магнитного поля геологических струк-

тур (поле сброса).

Изв. АН

СССР,

сер.

геофиз.,

т. 12,

стр.

37, 1948.

28. Калашников

А. Г. О

новом методе исследования слабых измене-

ний магнитного поля.

Изв. АН

СССР,-сер. геофиз.,

т. 12, стр. 137, 1948.

29.

К а л а ш н

к о в А. Г.

Флюксметр.

Изд. АН

СССР. М—Л.,

1949.

30. Калашников

А. Г.

Моделирование магнитного

гравитационного

полей

изучение

их при

помощи автоматического магнитного полемера.

Изв.

АН СССР,

сер.

геофиз.,

№ 6, стр. 546—554, 1954.

31.

К и ρ е

с к

й Л. В., М. К.

Савченко,

И. Ф.

Дегтярев. ЖЭТФ,

35,

584, 1958.

32. Климов

Н. И., М. С.

Пенкевич. Краткое наставление

произ-

водству наблюдений универсальным магнитометром типа «Комбайн».

Л., ГГО,

1936.

33.

К о л ю б а к и н В. В., М.

И.Лапина. Обзор способов решения пря-

мой

обратной задачи магнитной разведки. Труды Ин-та физики Земли

АН

СССР,

№ 13(180), 1960.

34.

К о π а е в В. В., М.

И.Лапина,

О. М.

Распопов. Вариационный

метод определения магнитных свойств сильномагнитных горных пород.

Изв.

АН СССР,

сер.

геофиз.,

№ 9, стр. 1354—1362, 1961.

35.

Ко ч е г у ρ а В. В.

Рок-генератор

для

измерения вектора остаточной

намагниченности образцов горных пород. Информ. сборник ВСЕГЕИ,

вып. 12,

стр.

81—£7,

1959.

36.

К о ч е г у ρ а В. В., Л. Е. Ш о л π о

Палеомагаитные исследования

дальневосточных базальтов. Вопросы геофизики,

№ 286, стр. 160—164, 1960.

37. Лейст

Э. X.

Курская магнитная аномалия. Госиздат,

1921.

38.

Л и π и н С. П. О

природе пирротина

троилита. Записки Всесоюзного

минералогического

о-ва, ч. 75, стр. 273, 1946.

39.

Л и π с к а я Н. В. О

некоторых соотношениях между гармониками

пе-

риодических вариаций электромагнитных земных полей.

Изв. АН

СССР,

сер-

геофиз.,

№ 1, стр. 41—47, 1953.

40.

Л о г а ч е в А. А.

Воздушная магнитная съемка

опыт

ее

применения

в геолого-поисковых работах.

М.,

Госгеолиздат,

1947.