| 13986122 15360 8522 910 1удет нек-рое время сохранять своё направление в пространстве, независимо от изменения ориентации датчика. Такой статический К. г. позволяет определить изменение положения тела, связанного с датчиком гироскопа.
T. к. величина момента M будет постепенно убывать благодаря релаксации, то для К. г. выбирают вещества с большими временами релаксации, напр, некоторые органич. жидкости, для к-рых время релаксации составляет неск. мин, жидкий 3He (ок. 1 ч) или раствор жидкого 3He (10-3% ) в 4He (около года).
В К. г., работающем по методу ядерной индукции, вращение с угловой скоростью датчика К. г., к-рый содержит ядра с ориентированными магнитными моментами, эквивалентно действию на ядра магнитного поля с напряжённостью H = /я, где я - гиромагнитное отношение для ядер. Прецессия магнитных моментов ядер вокруг направления поля H приводит к появлению переменной эдс в катушке L, охватывающей рабочее вещество К. г. (рис. 3). Определение частоты вращения тела, связанного с датчиком К. г., сводится к измерению частоты электрич. сигнала, к-рая пропорциональна (см. Ядерный магнитный резонанс).
В динамическом ядерном гироскопе суммарный ядерный магнитный момент M датчика прецессиру-ет вокруг постоянного магнитного поля H, жёстко связанного с устройством. Вращение датчика вместе с полем H с угловой скоростью приводит к изменению частоты прецессии магнитного момента M, приблизительно равному проекции вектора на Н. Это изменение регистрируется в виде электрич. сигнала. Для получения высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая стабильность и однородность магнитного поля H. Напр., для обнаружения изменения частоты прецессии, вызванного суточным вращением Земли, необходимо, чтобы Н/Н<=I0-9. Для экранировки прибора от действия внешних магнитных полей применяются сверхпроводники (см. Сверхпроводимость). Напр., если поворот датчика обусловлен суточным вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно превышать 3· 10-9 э.
Электронные К. г. аналогичны ядерным, но в них применяются вещества, атомы или молекулы к-рых содержат неспаренные электроны (напр., устойчивые свободные радикалы, атомы щелочных металлов). Хотя времена релаксации электронных спинов малы, электронные К. г. перспективны, т. к. гиромагнитное отношение эл Для электронов в сотни раз больше, чем для ядер, и, следовательно, выше частота прецессии, что важно для многих применений.
Несмотря на то что К. г., особенно оптические, непрерывно совершенствуются, их точность и чувствительность ещё уступают лучшим образцам механич. гироскопов. Однако К. г. обладают рядом существенных преимуществ перед механич. гироскопами: они не содержат движущихся частей (безынерционны), не требуют арретирования, обладают высокой надёжностью и стабильностью, приводятся в действие в течение короткого промежутка времени, могут выдержать значит, ускорения и работать при низких темп-pax. Нек-рые типы К. г. уже применяются не только как высокочувствительные индикаторы вращения, ориентаторы и гирометры, но и как гирокомпасы, гиробуссоли и секстанты.
Лит.: Привалов В. E., Фридрихов С. А., Кольцевой газовый лазер, "Успехи физических наук", 1969, т. 97, в. 3, с. 377; Померанцев H. M., Скрой-к ни Г. В., физические основы квантовой гироскошга, там же, 1970, т. 100. в. 3, с. 361. Г. В. Скроцкий.
КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР, прибор для измерения напряжённости магнитных полей, основанный на квантовых явлениях. Такими явлениями служат свободная упорядоченная прецессия ядерных или электронных магнитных моментов (см. Магнитный резонанс), квантовые переходы между магнитными подуровнями атомов, а также квантовые изменения магнитного потока в сверхпроводящем контуре (см. Сверхпроводимость).
К. м. применяются гл. обр. 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 баллистич. ракет и искусственных спутников Земли, для измерения магнитных полей планет Солнечной системы в космич. пространстве. К. м. применяются также для разведки полезных ископаемых, для магнитного каротажа, поиска затонувших судов и т. п.
Уровни энергии атомных ядер, электронов атомов или молекул, обладающих магнитными моментами, в магнитном поле расщепляются на несколько подуровней, разность энергий между которыми E зависит от величины напряжённости H магнитного поля и во многих случаях пропорциональна H (см. Зеемана эффект).
Рис. 2.
Частицы могут переходить с одного магнитного подуровня на другой, поглощая или излучая порцию (квант) электромагнитной энергии, равную: h, Где h - Планка постоянная, - частота электромагнитного поля. Частота точно равна частоте прецессии магнитного момента вокруг направления магнитного поля, т. е. = Н, где - гиромагнитное отношение (см. Магнитомехани-ческое отношение, Лармора прецессия, Ядерный магнитный резонанс). Частота со лежит в радиодиапазоне. Измеряя её, напр, по резонансному поглощению веществом радиоволн (см. Радиоспектроскопия), можно определить напряжённость магнитного поля H. Так как коэффициент пропорциональности между частотой и полем H выражается через атомные константы, характеризующиеся чрезвычайно высокой стабильностью и воспроизводимостью, то чувствительность таких К. м. высока. Наиболее совершенные К. м. этого типа обладают чувствительностью до 10-8 э или 10-3 гамм (1 гамма = 10-5 э).
Протонный магнитометр. Датчиком магнитометра является ампула с диамагнитной жидкостью, молекулы к-рой содержат атомы водорода (напр., воду или бензол). Магнитные моменты молекул обусловлены только магнитными моментами ядер атомов водорода - протонами (электронные магнитные моменты в молекулах таких жидкостей скомпенсированы; см. Диамагнетизм). Ампулу помещают в катушку L, через к-рую пропускают в течение неск. секунд ток, создавая в ней вспомогательное магнитное поле H0 напряжённостью в неск. сот э (рис. 1). Под действием поля H0 магнитные моменты протонов ориентируются и жидкость приобретает суммарный магнитный момент M.
Рис. 1. Схема протонного магнитометра: L - катушка, создающая вспомогательное намагничивающее поле H0; П - катушка, в которой возникает эдс, обусловленная прецессией ядерных моментов вокруг измеряемого магнитного поля H; У - усилитель сигнала; Ч - частотомер, градуированный в э.
После выключения тока магнитные моменты протонов начинают прецессировать вокруг направления измеряемого магнитного поля H с частотой = РН, где = (2,67513 ± ±0,00002) 104гс-1сeк-1 - магнитомеханич. отношение для протонов. Прецессия суммарного магнитного момента M приводит к появлению в катушке П переменной эдс с частотой, равной частоте прецессии . В магнитном поле Земли H3 ~0,6 э, = 2,55 кгц. Прецессия постепенно затухает благодаря процессу релаксации, обусловленному слабым взаимодействием между протонами и атомами парамагнитных примесей, растворимых в рабочей жидкости. Для чистой воды время релаксации ~3 сек. Для повторного измерения поля цикл повторяют. Цикличность работы датчика устраняют, напр., с помощью системы из 2 датчиков, работающих поочерёдно.
Электронный К.м. аналогичен протонному. В нём используется прецессия в магнитном поле магнитных моментов неспаренных электронов парамагнитных атомов, частота к-рой в несколько сот раз больше частоты прецессии протонов (см. Электронный парамагнитный резонанс). Частота прецессии для электронов в поле H ~ 1 э равна 2,8 Мгц. Изменение поля на 1 гамму приводит к изменению частоты прецессии на 28 гц, что в 660 раз больше, чем для протонных магнитометров.
Для получения достаточно больших эдс применяют методы динамической поляризации ядер. При этом ориентация магнитных моментов протонов осуществляется благодаря их взаимодействию с электронными моментами парамагнитных ионов (в воде растворяют парамагнитную соль). Таким способом ядерную намагниченность удастся увеличить в неск. сот раз. Применение вещества, содержащего радикалы нитро-зодисульфоната калия, позволяет увеличить намагниченность ещё примерно в 40 раз.
Оптический магнитометр (магнитометр с оптической накачкой; рис.2). Датчиком прибора является стеклянная колба, наполненная парами щелочного металла (напр., Rb), атомы к-рого парамагнитны, т. к. содержат один неспаренный электрон (см. Парамагнетик).
Рис. 2. Схема оптического квантового магнитометра: Л - источник света; СФ - светофильтр; П, - поляроид; Я2 - пластинка (/4), создающая разность фаз 90° для получения циркулярно поляризованного света; К - колба, наполненная парами щелочного металла; - фотоприёмник; II - измеряемое поле.
При пропускании через колбу, помещённую в измеряемое поле H, циркулярно поляризованного света, частота к-рого 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, к-рые таким образом "оптически ориентируются", скапливаясь на одном из магнитных подуровней основного состояния. Если в объёме колбы датчика создать переменное магнитное поле, частота к-рого 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 H, в к-ром находится колба датчика.
Оптич. К. м. особенно удобны для измерения слабых полей, < 1 э. Чувствительность, к-рая может быть достигнута при помощи таких приборов, ~ 10-6-10-7 э, что позволяет измерять очень слабые поля, в частности в космич. пространстве. Сверхпроводящий магнитометр основан на квантовании магнитного потока, захваченного сверхпро-водящим кольцом. Величина захваченного потока кратна кванту магнитного потока Ф0= 2·10-7 э-см2. Полный ток, протекающий через параллельные соединения двух переходов Джозефсона (сверх-проводящее кольцо, разделённое по диаметру очень тонким слоем изолятора; см. Джозефсона эффект) в результате сложения токов, проходящих по каждой из ветвей (рис. 3), изменяется пропорционально Cos е/hФ, где Ф - магнитный поток, охватываемый кольцом, е - заряд электрона.
Рис. 3. Схема сверхпроводящего магнитометра: С - сверхпроводящее кольцо с двумя переходами Джозефсона (а и б); T - согласующий трансформатор; У, - узкополосный усилитель с детектором: У, - усилитель постоянного тока; P - самописец. Магнитный поток через кольцо (перпендикулярный плоскости рисунка - сверху вниз) изображён крестиками. Его изменение приводит к появлению периодической эдс на входе усилителя У1 .
Этот ток достигает максимума всякий раз, когда Ф=nФ0 (n - целое число). Наблюдая за изменениями тока, проходящего через двойной переход Джозефсона, можно измерять магнитный поток Ф и, зная площадь сечения перехода, определить напряжённость измеряемого магнитного поля. Если площадь, охватываемая двумя переходами, равна 1 мм2·, то максимумы тока разделены интервалом в 2. Таким методом можно регистрировать десятую часть этого интервала. Чувствительность метода составляет в этом случае 0,2 гаммы. Для рассмотренного примера наиболее сильное поле, которое можно измерить, составляет ок. 20 гамм.
Все К. м. не боятся вибраций; их показания не зависят от ориентации прибора относительно измеряемого поля H, слабо зависят от изменения темп-ры, давления, влажности и т. п.
Лит.: Померанцев H. M., Рыжков В. M., Скроцкий Г. В., Физические основы квантовой магнитометрии, M., 1972; А.брагам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., M., 1963. Г. В. Скроцкий.
КВАНТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов. Эффект усиления в К. у. связан с изменением энергии внутриатомных (связанных) электронов, движение которых описывается квантовой механикой. Поэтому, в отличие, напр., от ламповых усилителей, в которых используются потоки свободных электронов, движение к-рых хорошо описывается классич. механикой, эти усилители получили название квантовых (см. Квантовая электроника).
T. к. кроме вынужденных квантовых переходов возбуждённых атомов в состояние с меньшей энергией возможны их самопроизвольные (спонтанные) переходы, в результате к-рых излучаются волны, имеющие случайные амплитуду, фазу и поляризацию, то они добавляются к усиливаемой волне в виде шумов. Спонтанное излучение является единственным, принципиально неустранимым источником шумов К. у. Мощность спонтанного излучения очень мала в радиодиапазоне и резко растёт при переходе к оптич. диапазону. В связи с этим К. у. радиодиапазона (мазеры) отличаются исключительно низким уровнем собственных шумов [в них отсутствуют шумы, связанные с неравномерностью электронного потока, неизбежные в радиолампах (см. Дробовой шум); кроме того, К. у. радиодиапазона работают при температурах, близких к абсолютному нулю, и шумы, связанные с тепловым движением электронов в цепях усилителя, очень малы]. Благодаря чрезвычайно низкому уровню шумов чувствительность К. у., т. е. способность усиливать очень слабые сигналы, велика. К. у. применяются в качестве входных ступеней в самых высокочувствительных радиоприёмных устройствах в диапазоне длин волн от 4 мм до 50 см. К. у. радиодиапазона значительно увеличили дальность действия космических линий связи с межпланетными станциями, планетных радиолокаторов и радиотелескопов.
В оптич. диапазоне К. у. широко используются как усилители мощности лазерного излучения. К. у. света имеют много общего по принципу действия и конструкции с квантовыми генераторами света (см. Лазер).
Вынужденный переход атома из состояния с энергией E2 в состояние с меньшей энергией E1 ,сопровождающийся испусканием кванта электромагнитной энергии E2-E1=hv (v - частота вынуждающей и испускаемой волн, h - Планка постоянная), приводит к усилению колебаний. Усиление, создаваемое одним атомом, очень мало. Но если колебание частоты распространяется в веществе, содержащем большое число одинаковых возбуждённых атомов, находящихся на уровне E2, то усиление может стать достаточно большим. Атомы же, находящиеся на нижнем уровне E1, в результате вынужденного поглощения, наоборот, ослабляют волну. В результате вещество будет ослаблять или усиливать волну в зависимости от того, каких атомов в ней больше, невозбуждённых или возбуждённых, или, как говорят, какой из уровней энергии более населён атомами.
Если вещество находится в состоянии равновесия термодинамического, то распределение частиц по уровням энергии определяется его темп-рой, причём уровень с меньшей энергией более населён, чем уровень с большей энергией (рис. 1; см. также Болъцмана статистика). Такое вещество всегда поглощает электромагнитные волны. Вещество начинает усиливать - становится активным, лишь тогда, когда равновесие нарушается и возбуждённых атомов становится больше, чем невозбуждённых (инверсия населён-ностей). Чем больше число атомов на верхнем уровне превышает число атомов, находящих |
