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1、磁场的测量-磁学国家重点试验室-中国科学院物理研究所磁场的测量1.磁场的基、标准2.磁场的绝对测量磁场的基、标准3.磁场的相对测量3.1.磁场线圈方法标准测量线圈3.2.磁场传感器方法4.磁场测量的几个实例标准的相关术语测量标准计量基准、标准measurement standard,etalon国家测量标准国家计量基准nationalmeasurementstandard国际测量标准国际计量基准internationalmeasurementstandard基准、原级标准primary standard次级标准secondarystandard参考标准referencestandard工作标准
2、workingstandard传递标准transferstandard参考文献计量测试技术手册第7卷电磁学计量测试技术手册编辑委员会编著中国计量出版社，1996年12月第1版。Measurement and Characterization of Magnetic Materials,Chapter 5byFausto FiorilloELSEVIERACADEMICPRESS,2004注意：磁场（强度）的测量磁场强度（幅值、方向）空间分辨时间分辨1.磁场基、标准1.1.磁学单位的确定：基本单位绝对单位制：三个基本量磁场标准1smkgNJJs1WVAMKSA单位制：四个基本量kgms2Nmkg
3、m2s3kgm2s3A1kgm2s3A2机械功率电功率导出顺序SI单位1.磁场基、标准1.1.磁学单位的确定：基本单位电流单位：安培（A）磁场标准2安培是一恒定电流，若保持在处于真空中相距1米的两无限长、而圆截面可忽略的平行直导线内，则在此两导线之间所产生的力在每米长度上等于2107牛顿。1m1m电流电流2107N无限长截面可忽略1.磁场基、标准1.1.磁学单位的确定：基本单位磁场标准3电荷Coulomb定律2107N磁荷Coulomb定律BiotSavart定律c0：m/s；1；04107H/m有理化：k1=k2=k3=42.电流磁铁2.1.1.基础理论：依据Ampre定律与BiotSava
4、rt定律电流磁铁1I1I2dl1dl2rI1dl1r电流的量纲：1.磁场基、标准1.1.磁学单位的确定：基本单位磁场标准3电荷Coulomb定律电荷的量纲：量纲表示方法：质量：Mass、长度：Length、时间：Time电流的量纲：1.磁场基、标准1.1.磁学单位的确定：基本单位磁场标准3磁荷的量纲：电流的量纲：磁荷Coulomb定律BiotSavart定律1.磁场基、标准1.1.磁学单位的确定：基本单位磁场标准3电流的量纲：电荷Coulomb定律Ampre定律Maxwell1.磁场基、标准1.1.磁学单位的确定：基本单位电流单位：安培（A）磁场标准4固定线圈可动线圈无限长截面可忽略1、绝对测
5、量2、核磁共振电流量子标准电流天平电动力计Rayleigh型Ayrton型可动线圈固定线圈磁1.磁场基、标准1.1.磁学单位的确定：导出单位磁通单位：韦伯（Wb）磁场标准5韦伯是只有一匝的环形线圈中的磁通量，它在1秒时间间隔内均匀地降到零时，环路内所感应产生的电动势为1伏特：1亨利的电感、通以1安培电流，电感中的磁通量为1韦伯。1.磁场基、标准1.1.磁学单位的确定：导出单位磁通密度、磁感应强度单位：特斯拉（T）磁场标准61平方米面积内，垂直均匀通过1韦伯磁通量的磁通密度等于1特斯拉：在真空、均匀磁场中，通过电流为1安培、长度为1米的直导线，所受到的力最大为1牛顿时，磁通密度为1特斯拉。1.磁
6、场基、标准1.1.磁学单位的确定：导出单位磁矩单位：安培平方米（Am2）磁场标准7置于磁场中的电流回路所受到的转矩T等于回路的磁矩m与磁通密度B的矢量积：截面积为1平方米的电流回路，通过电流为1安培时的磁矩。1.磁场基、标准1.2.磁场基、标准的建立：原理磁场标准8量子基准：质子旋磁比测量装置核磁共振电流量子标准磁场量子标准质子旋磁比质子旋磁比P：质子磁矩P与其角动量LP之比。能级跃迁共振吸收塞曼分裂1.磁场基、标准1.2.磁场基、标准的建立：原理磁场标准9强磁场标准弱磁场标准利用天平测量载流矩形线圈（常数x0）在磁场中的受力电流、力、尺寸为独立于B 的量使用经过严格计算线圈常数的Helmho
7、ltz线圈产生磁场1.磁场基、标准1.2.磁场基、标准的建立：装置磁场标准10强磁场基准：0.5T1.0T测量载流矩形线圈在磁场中的受力：直接采用质子旋磁比：共振吸收质子：P2.675222099(70)108s1T1纯净水：P2.675153362(73)108s1T1B0Bmf P1=42.576388MHzT1fP1=42.577482MHzT1纯净水（球形）Br.f.共振吸收谱NMRT2：横向弛豫时间Bm：低频微分磁场1.磁场基、标准1.2.磁场基、标准的建立：装置磁场标准11弱磁场基准：0.05mT1.0mT计算法：Helmholtz线圈直接采用质子旋磁比：（核磁矩）自由进动法B0纯
8、净水（球形）BpolarizationB0BpolarizationReceiverr.f.Bpolarization B0自由进动谱磁矩绕B0进动r.f.信号B0BpolarizationReceiverr.f.Bpolarization B0迅速撤掉1.磁场基、标准1.2.磁场基、标准的建立：装置磁场标准12弱磁场标准：10nT1.0mT计算法：Helmholtz线圈质子自由进动式磁强计：（质子）自由进动法中国3(.65)米线圈系统地磁场补偿系统CODATA 2006：f P1=42.576388109MHzT1B1nT1T1mT1T10Tf0(Hz)0.04257638842.57638
9、842.576388k42.576388M 425.76388Me1.760859770(44)1011s1T1fe=28.024953649GHzT1磁场的测量电磁测量方法的分类基本测量法（绝对测量法）定义测量法量的单位的复现方法测量进行的方法直接测量法直接比较测量法测量时的读数方法测量线路的原理补偿法电桥法谐振法正反向法（正负误差补偿法）对称观测法半周期偶数观测法内插法外推法微差法（插值法）零位法（零值法）替代法完全替代法不完全替代法调换法（对照法）符合法（重合法）测量方法取自计量测试技术手册磁场的测量电磁测量方法的分类基本测量法：测量基本量，属于间接测量定义测量法：按照定义测量，适用于基
10、本单位和导出单位绝对测量法：通过以长度、质量、时间为基本量的测量相对测量法：工作测量直读测量法：直接读出被测量的数值直接比较测量法：将被测量与已知量值的比较传感器测量法：使用被测量相关的传感器取自计量测试技术手册2.磁场的绝对测量使用磁场基、标准装置共振吸收方法自由进动法测量：频率P1测量：频率P2磁共振方法、力与力矩方法：强磁场3.磁场的相对测量直接比较法：磁场线圈方法传感器方法：与磁场相关的传感器传感器：经典物理效应：量子物理效应：电磁感应原理磁电效应磁光效应磁力效应（绝对测量）磁弹性效应（绝对测量）磁共振方法量子Hall效应Josephson效应3.磁场的相对测量3.1.磁场线圈方法电磁
11、感应方法发电机方法B0U(t)线圈匝数：N线圈截面积：A角速度：当角速度0时，磁通变化可以通过线圈移动或者转动180实现。标定相对测量13.磁场的相对测量3.2.磁场传感器方法电磁感应原理磁电效应方法磁光效应方法磁热效应方法磁共振方法Hall磁场传感器：Hall效应；MR磁场传感器：各种MR效应；磁光？磁热？磁力？磁共振？磁电注：广义地，所有磁场测量方法都是通过具有感应磁场能力的装置完成的，因此也都可以称为磁场传感器。以某种方式对磁场敏感的器件WH(t,P,T)，使得线性关系成立相对测量2Uz磁场电（流）效应IxUyUxxyzB0磁场电流横向效应：Hall效应磁场电流纵向效应：Thomson效
12、应磁电效应1Hall效应磁场传感器Hall效应：E.H.Hall，1879年E.H.Hall,Amer.J.Math.,2(1879),287xyzIxB0LbdUHall磁电效应2Hall系数载流子浓度n的典型值半导体本征载流子Si1.451010/cm3Ge2.41013/cm3GaAs1.79106/cm3CODATA 2006：e=1.602176487(40)1019Cd1.0mmIx1.0mAGaAs本征半导体1.01016/cm3载流子浓度、温度、禁带宽度A=1017cm31.0eV2.0eV3.0eV4.0eVEgHall效应Halleffect反Hall效应inverseHa
13、lleffect反常Hall效应anomalousHalleffect分数量子Hall效应fractionalquantumHalleffectvonKlitzing常数：RK25812.807(10.210-6)整数量子Hall效应integerquantumHalleffect关于Hall效应的术语Hall效应：E.H.Hall，1879年磁电效应3Hall效应磁场传感器Hall效应磁场传感器件定标：标定K调零：UResistive温度补偿已经达到商品化EB磁电效应4U磁场电流纵向效应xyzVIB0一般磁致电阻效应OMR各向异性磁致电阻效应AMR巨磁致电阻效应GMR庞磁致电阻效应CMR磁致
14、隧道电阻效应TMR？问题：非线性响应磁场饱和磁电效应5线圈电阻OMR、AMR的特性HRRRGMR、TMR灵敏度、标定、测量范围HMR(%)CMR温度稳定性TMR(%)关于术语的讨论磁阻、磁电阻、磁致电阻、磁场电流效应分类术语名称符号术语定义单位电路电阻resistanceR电压与相应电流的比值电导conductivityS电阻的倒数1/RS磁路磁阻reluctanceRm磁通势与相应磁通的比值H1磁导permeance磁阻的倒数1/RmHmagnetoresistance（MR）：磁场导致的电阻变化，也称为ThomsonGauss效应（磁场电流纵向效应）MR：磁电阻效应；磁致电阻效应；磁场电流
15、效应磁阻4.磁场测量的几个实例各种磁场测量装置的测量能力注弱稳恒磁场强稳恒磁场脉冲磁场永磁磁体梯度磁场核磁共振？线圈Hall片MR磁通门SQUID电流常数磁光效应注：基准；：可以；：量程；：响应；：不确定；：介绍；：？4.磁场测量的几个实例4.1.磁通门磁强计：fluxgatemagnetometer利用变压器的电磁感应效应，通过铁芯将环境磁场调制为交流激励电流的偶次谐波感应电动势，实现对环境磁场的测量。4.1.磁通门磁强计变压器理想变压器变压器S匝数：N初级线圈理想变压器铁芯远离饱和区；磁致伸缩效应可以忽略磁通门1没有数学还真不行！4.1.磁通门磁强计实际工作中的变压器磁通门24.1.磁通门
16、磁强计实际工作中的变压器0(t)：由初级线圈感生的电动势，含有奇次谐波分量ext(t)：由环境磁场感生的电动势，含有偶次谐波分量磁通门3变压器次级电动势的表达式整理4.1.磁通门磁(场)强(度)计磁通门一般情况，环境磁场随时间缓慢变化，则这种与变压器相伴生的现象，对于环境磁场来说就好像是一道“门”，通过这道“门”，环境磁场被调制成偶次谐波感应电动势。这种现象称为磁通门现象，相应的电动势称为磁通门信号。磁通门44.1.磁通门磁强计磁通门磁强计的使用1、理论上，没有灵敏阈极限：1011T1012T；2、技术上，抑制噪声是提高分辨力的关键；3、具有矢量响应特性，多探头系统；4、强场测量范围存在原理性
17、限制，有待提高；5、仪器的带宽：1000Hz；6、多功能：测场、测角、测电双铁芯探头，初级线圈反向串联，感应线圈同向串联。磁通门54.磁场测量的几个实例4.2.超导量子干涉器件SQUIDSuperconductingQUantumInterferenceDevice利用环境磁场对Josephson结中两个超导体的电子波函数位相的调制作用，实现对环境磁场的测量。一般有DCSQUID（双或者多Josephson结）和RFSQUID（单Josephson结）两种类型。4.2.超导量子干涉器件Josephson效应与Josephson结Josephson结超导体/绝缘体/超导体Josephson隧穿C
18、ooper对穿过绝缘体形成电流Josephson电流V0时，穿过结的直流电流DCJosephson效应V0时，有直流隧穿电流并且存在最大超流电流；最大超流电流随外加磁场呈现周期性振荡调制。ACJosephson效应VV0，有高频振荡电流，频率为qV0/；Josephson干涉器件由超导体连接的（多个）Josephson结所构成的环Nb/Al2O3/NbPb/Al2O3/PbJosephson结SSOjVBSQUID1B0B0V0Fraunhofer衍射公式V04.2.超导量子干涉器件磁通量子0magneticfluxquantum孤立Josephson结的最大电流_电压_磁场关系SQUID24
19、.2.超导量子干涉器件磁通量子化闭合超导回路中的磁通量是量子化的通过超导环的环境磁场本身的磁通量是连续的。而Josephson结超导时所感受到的磁通量是量子化的。超导体的宏观量子化效应SQUID34.2.超导量子干涉器件DCSQUID与RFSQUIDDCSQUID双结，直流BRFSQUID单结，射频BSQUID4磁通量子方形环1.0m21.0mm21.0m2SQUID的应用：磁通计ScanningSQUIDMicroscopy(SSM)YBCOFloppydiskStrengthMagnetic FieldQuanztiedFieldSQUID5超导量子磁强计SQUIDMagnetometer
20、DCSQUIDRFSQUIDMPMS（RF）磁通变换器SQUID的应用：磁通计MPMS：magneticpropertymeasurementsystem详见电磁感应原理部分SQUID64.磁场测量的几个实例4.3.电流_磁场常数超导磁体的磁场测量电磁铁超导磁体Helmholtz线圈螺线管电流I磁场H超导磁体的磁场：r固定电磁铁的磁场：r变化?利用无铁芯线圈中磁场与电流的线性关系，通过已知的比例系数实现磁场的控制与测量。4.磁场测量的几个实例4.4.磁光效应磁强计Magneto-opticalMagnetometer磁场使得物质的电磁性质发生改变，从而使得光的传输特性也发生变化，利用这种效应实
21、现磁场的测量。一般利用磁光效应（透射式Faraday效应；反射式Kerr效应）和磁致伸缩效应。4.4.磁光效应磁强计磁光效应magneto-opticaleffect效应名称光束方向工作物质现象关系式原理Faraday平行于磁场透明体偏振面旋转FvlB旋磁Kerr极向、纵向、横向反射膜偏振面旋转KKKM旋磁Zeeman纵向、横向透光体光谱线劈裂能级劈裂Voigt垂直于磁场蒸气磁致双折射lB2旋磁CottonMouton垂直于磁场液体磁致双折射clB2旋磁MCD平行于M铁磁体对两个偏振光的吸收不同吸收MLD垂直于M铁磁体吸收实际上，仅仅利用这些效应都很难制成实用的磁场测量工具磁光效应1磁光效应2
22、4.4.磁光效应磁（场）强（度）计光纤磁场强度计磁致伸缩式：单模光纤的折射率和长度发生变化磁致伸缩材料光纤干涉仪测量k：波数；l：光路长度；n：折射率；S(B)：磁场B引起的纵向应变适用于弱磁场：1016T（1km）磁致伸缩材料磁致伸缩式直接测量：位移测量磁场磁致伸缩材料电阻应变片平板电容器光杠杆磁光效应34.4.磁光效应磁（场）强（度）计光纤磁场强度计受力式：多模光纤的相位或者光强发生变化导电材料光纤干涉仪测量适用于弱磁场：1015T（理论）电流I需要标定磁场相位（光强）系数4.磁场测量的几个实例4.5.原子磁强计AtomicMagnetometer基本原理：Zeeman效应磁共振（reso
23、nantabsorption）光泵浦（opticallypumped）偏振状态（polarization）4.5.光泵浦磁强计1、起源：磁共振方法的磁场测量范围光泵浦1自由电子：e1.760859770(44)1011s1T1fe=28.024953649GHzT1纯净水：P2.675153362(73)108s1T1f P1=42.576388MHzT1f P1=42.576388HzT1fe=28.024953649kHzT14.5.光泵浦磁强计2、方案1：流动水磁强计光泵浦2仍然基于（质子）自由进动方法（E.M.Purcell）Flowing-watermagnetometerSNr.f
24、.sourceB0BP水r.f.detector水泵4.5.光泵浦磁强计2、方案1：流动水磁强计光泵浦3ChristopherSherman,1959High-precision measurement of the average value of a magnetic field over an extended path in spaceReview of Scientific Instruments,30(7)(1959)568-575.非（磁）极化！4.5.光泵浦磁强计2、方案1：流动水磁强计光泵浦4C.G.Kim,K.S.Ryu,B.C.Woo,andC.S.Kim,1993Low
25、 magnetic field measurement by NMR using polarized flowing waterIEEE Transactions on Magnetics,29(6)(1993)3198-3200.（磁）极化！4.5.光泵浦磁强计2、方案1：流动水磁强计光泵浦5J.M.Pendlebury,K.smith,P.Unsworth,G.L.Greene,W.MampePrecision field averaging NMR magnetometer for low and high fields,using flowing waterReview of Scie
26、ntific Instruments,50(5)(1979)535-540.4.5.光泵浦磁强计2、方案2：Overhauser磁强计光泵浦6A.Overhauser,1953Polarization of nuclei in metalsPhysical Review,92(2)(1953)411-415.开山之作H.G.Beljers,L.vanderKint,J.S.vanWieringen,1954Overhauser effect in a free radicalPhysical Review,95(6)(1954)1683.I.Solomon,1955Relaxation pro
27、cesses in a system of two spinsPhysical Review,99(2)(1955)559-565.扛鼎之作4.5.光泵浦磁强计2、方案2：Overhauser磁强计光泵浦7T.R.Carver,C.P.Slichter,1956Experimental verification of the Overhauser nuclear polarization effectPhysical Review,102(4)(1956)975-980.超精细相互作用（hyperfineinteraction）（核磁矩）偶极相互作用（dipoleinteraction）660
28、4.5.光泵浦磁强计2、方案3：ESR磁强计光泵浦8为什么不直接用ESR测量磁场？fe=28.024953649kHzT1自旋自旋相互作用：最小化！共振线宽：太宽！孤立的！未成对电子！自由电子自由原子与ESR的本意完全相反4.5.光泵浦磁强计2、方案3：ESR磁强计光泵浦9FrancisHartmann,1972Resonance magnetometersIEEE Transactions on Magnetics,8(1)(1972)66-75.D.Duret,M.Moussavi,M.Beranger,1991Use of high performance elecron spin re
29、sonance materials for the design of scalar and vectorial magnetometersIEEE Transactions on Magnetics,27(6)(1991)5405-5407.hexafluorophosphatefluoranthenylradical(FA)2PF6综述例子六氟磷酸丙二烯合茀基绝对测量：？自由电子4.5.光泵浦磁强计2、方案3：ESR磁强计光泵浦10H.G.Dehmelt,1957Slow spin relaxation of optically polarized sodium atomsPhysical
30、 Review,105(5)(1957)1487-1489.H.G.Dehmelt,1957Modulation of a light beam by precessing absorbing atomsPhysical Review,105(6)(1957)1924-1925.光泵浦磁强计的开始自由原子4.5.光泵浦磁强计2、方案4：原子磁强计光泵浦11W.E.Bell,A.L.Bloom,1957Optical detection of magnetic resonance in alkali metal vaporPhysical Review,107(6)(1957)1559-1565
31、.蒸气磁强计原子磁强计光泵浦磁强计磁共振磁强计NaArpumpprobe4.5.光泵浦磁强计2、方案4：原子磁强计光泵浦12F.D.Colegrove,P.A.Franken,1960Optical pumping of helium in the 3S1 metastable statePhysical Review,119(2)(1960)680-690.3S1He4He4pumpr.f.04.5.光泵浦磁强计3、原理与检测方法光泵浦133S1He4He4D01.083 mpumpingB0 0：如何检测？mJ 14.5.光泵浦磁强计3、原理与检测方法光泵浦14 0：如何检测？经典磁共振方
32、法：Pr.f.透射光强度 偏振态 单光束交叉光束自动振荡模式4.5.光泵浦磁强计3、原理与检测方法光泵浦15全光学模式J.M.Higbie,E.Corsini,D.Budker,2006Robust,high-speed,all-optical atomic magnetometerReview of Scientific Instruments,77(1960)113106.87RbArH钟、Cs钟、Ca钟、Sr钟基本单位秒的定义：Cs133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间Rep.Prog.Phys.,70(2007)1473-1523中国N
33、IM：NIM5（2007年）不确定度：31015/d1057万年：4.71014s光速：299792458m/s600s：？4.磁场测量的几个实例4.6.脉冲磁场的测量Measurementofpulsedmagneticfield磁共振（自旋、电荷）磁光Faraday效应（偏振）磁电效应（电阻）4.7.梯度磁场的测量Measurementofgradientmagneticfield磁场强度H磁矩、磁场、磁通及其测量从定义出发理解测量的含义磁通密度（磁感应强度）B表示磁场强弱程度磁通磁化强度M单位体积内的磁矩，表示磁化的强弱程度磁场的强度磁矩m：表示物质磁性强弱小结：磁场、磁场的产生与测量磁场：磁矩（电流）在空间产生的（力）场的分布磁场的产生磁场的测量永久磁铁电流磁铁载流线圈超导磁体脉冲磁场电磁铁各种磁共振SQUID电磁感应磁场电流效应磁场光效应The End此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢