Квантовый магнитометр - прибор для измерения напряжённости магнитных полей, основанный на квантовых явлениях. Такими явлениями служат свободная упорядоченная прецессия ядерных или электронных магнитных моментов, квантовые переходы между магнитными подуровнями атомов, а также квантовые изменения магнитного потока в сверхпроводящем контуре.

Уровни энергии атомных ядер, электронов атомов или молекул, обладающих магнитными моментами, в магнитном поле расщепляются на несколько подуровней, разность энергий между которыми ΔE зависит от величины напряжённости Н магнитного поля и во многих случаях пропорциональна Н. Частицы могут переходить с одного магнитного подуровня на другой, поглощая или излучая порцию (квант) электромагнитной энергии, равную: ћω, где ћ - постоянная Планка, ω — частота электромагнитного поля. Частота ω точно равна частоте прецессии магнитного момента вокруг направления магнитного поля, т. е. ω = gН, где g — гиромагнитное отношение. Частота 0.1 лежит в радиодиапазоне. Измеряя её, например по резонансному поглощению веществом радиоволн, можно определить напряжённость магнитного поля Н. Так как коэффициент пропорциональности между частотой ω и полем Н выражается через атомные константы, характеризующиеся чрезвычайно высокой стабильностью и воспроизводимостью, то чувствительность таких магнитометров высока. Наиболее совершенные магнитометры этого типа обладают чувствительностью до 10^–8 э или 10^–3 гамм (1 гамма = 10^–5 э).

Оптический магнитометр или магнитометр с оптической накачкой показан на рис. 1. Датчиком прибора является стеклянная колба, наполненная парами щелочного металла (например, Rb), атомы которого парамагнитны, т.к. содержат один неспаренный электрон. При пропускании через колбу, помещенную в измеряемое поле Н, циркулярно поляризованного света, частота которого равна частоте оптического квантового перехода между основным состоянием атома и одним из его возбуждённых состояний, происходит резонансное рассеяние света. При этом момент количества движения квантов рассеиваемого света передаётся атомам, которые таким образом «оптически ориентируются», скапливаясь на одном из магнитных подуровней основного состояния. Если в объёме колбы датчика создать переменное магнитное поле, частота которого равна частоте квантового перехода между магнитными подуровнями основного состояния, то населённость атомов на магнитных подуровнях выравнивается, атомы теряют приобретённую преимущественную ориентацию магнитных моментов и приходят в исходное состояние. При этом пары металла, наполняющие колбу, вновь начинают сильно поглощать и рассеивать свет. Измеряя частоту переменного поля со, можно определить напряжённость магнитного поля Н, в котором находится колба датчика.

 

 

 

Квантовые магнитометры применяются главным образом для измерения напряжённости слабых магнитных полей и, в частности, магнитного поля Земли и его аномалий как на её поверхности, так и на больших высотах, соответствующих орбитам баллистических ракет и искусственных спутников Земли, для измерения магнитных полей планет Солнечной системы в космическом пространстве. Квантовые магнитометры применяются также для разведки полезных ископаемых, для магнитного каротажа, поиска затонувших судов и т.п.

Оптические квантовые магнитометры особенно удобны для измерения слабых полей, < 1 э. Чувствительность, которая может быть достигнута при помощи таких приборов, ~10^–6—10^–7 э, что позволяет измерять очень слабые поля, в частности в космическом пространстве.

Для наблюдений за быстропротекающими вариациями разработан магнитометр на парах рубидия. Датчиком прибора является стеклянная колба, наполненная парами щелочного металла (например, Rb), атомы которого парамагнитны, т.к. содержат один неспаренный электрон.

 

Для наблюдений за быстропротекающими вариациями разработан магнитометр на парах рубидия. Датчиком прибора является стеклянная колба, наполненная парами щелочного металла (например, Rb), атомы которого парамагнитны, т.к. содержат один неспаренный электрон. При пропускании через колбу, помещенную в измеряемое поле Н, циркулярно поляризованного света, частота которого равна частоте оптического квантового перехода между основным состоянием атома и одним из его возбуждённых состояний, происходит резонансное рассеяние света. При этом момент количества движения квантов рассеиваемого света передаётся атомам, которые таким образом "оптически ориентируются", скапливаясь на одном из магнитных подуровней основного состояния. Если в объёме колбы датчика создать переменное магнитное поле, частота которого равна частоте квантового перехода между магнитными подуровнями основного состояния, то населённость атомов на магнитных подуровнях выравнивается, атомы теряют приобретённую преимущественную ориентацию магнитных моментов и приходят в исходное состояние. При этом пары металла, наполняющие колбу, вновь начинают сильно поглощать и рассеивать свет. Измеряя частоту переменного поля, можно определить напряжённость магнитного поля, в котором находится колба датчика.