Датчик прецессионного магнитометра.

Датчиками в прецессионных измерителях является образец. Образец – протоно содержащая жидкость для транспорта магнетизма. Для любительских приборов лучше подходит керосин, с длительностью сигнала прецессии около 0,7 Сек. Объем образца выбирается из математических расчетов параметров датчика, исходя из особенностей схемы. Катушки датчика служат для поляризации образца и для снятия показаний напряжения частоты прецессии за период релаксации (деполяризации) поляризованных протонов образца. Конструкция датчика на показания прибора не влияет, она лишь должна удовлетворять расчетным значениям параметров, необходимых для проведения измерений.

Поляризация образца.

Для идеальной поляризации образца, необходимо повернуть вектор максимально возможного количества магнитных диполей на максимально возможный угол - перпендикулярно по отношению к вектору измеряемого поля, то есть на угол 90 градусов. При этом будет максимально длинный путь прецессии диполей, следовательно, максимально большое время для проведения измерений и максимально большая амплитуда сигнала прецессии. При повороте магнитной оси частицы больше чем на 90 градусов вектор спинового магнитного момента скачком повернется на 180 градусов - поменяет направление спинового магнитного момента (свойство гироскопа).

Прецессия.

Прецессия - радиальные колебания дальних концов лучей осей вращения диполей относительно своего центра, между векторами магнитных полей поляризационного и измеряемого сигнала, протекающие по закону сохранения кинематической энергии выведенным Планком, дающие амплитудное напряжение измеряемого сигнала прецессии. Чем больше радиальный угол вращения – тем больше амплитуда полезного сигнала. Чем сильнее приложенное магнитное поле, тем выше частота прецессии (радиальных вращений лучей осей диполей, относительно центра частицы) пропорционально гиромагнитному коэффициенту. В этом объяснении не учитывается понятие спина.

Когда направление поляризации совпадает с направлением магнитного поля, прецессия не может быть обнаружена, в этих случаях предполагается, что она происходит под нулевым углом.

Спиновые магнитные моменты вносят весомое влияние на результаты измерений, поэтому их влияние нужно учитывать при разработке прецессионных приборов. Без понятия спиновых составляющих ядер объяснение процесса прецессии будет не полным.

Поэтому, реакция протонов на возмущение, наведенное измеряемым магнитным полем, есть прецессия осей вращения этих частиц имеющих свой орбитальный потенциал в сочетании со спиновым потенциалом.

В полевом облаке ядра по множестве орбит движутся заряды, образуя собственные магнитные моменты, скомпенсированные в общее нейтральное состояние частицы.

Эти частицы, по мимо внешне орбитальных вращений, вращаются каждая вокруг своей оси – спиновые вращения, создавая дополнительные спиновые магнитные моменты, добавляющиеся или вычетающиеся, от суммарного энергетического уровня частицы.

Спин.

Спин это вращающийся вокруг своей оси заряд (частица). (Спин - вращающийся). Вращательное движение заряда создает электромагнитное поле с разноименными полюсовыми потенциалами на полусферах частицы соосно оси вращения. Такая частица есть диполь ориентированный в магнитном поле пространства за счет спинового магнитного поля. Это магнитный момент вращения (спина). Только за счет спинового вращения частица прецессирует вокруг собственной оси. Свойство гироскопа. Наличие сигнала прецессии свидетельствует о наличии спинового вращения частиц.

Каждая элементарная частица характеризуется спиновым квантовым числом. Оно может быть только положительным целым (0, 1, 2, …) или полуцелым (1/2, 3/2, 5/2, …). Например, спин фотона равен 1, а спин электрона 1/2, спин протона 1/2.

Кроме механического спинового момента, некоторые частицы могут обладать также магнитным спиновым моментом. Например, магнитный момент фотона равен нулю, а магнитный момент электрона отличен от нуля.

Если рассматривать перенос заряда при движении частиц, то мы приходим к понятию обычного электрического тока.

         Если рассматривать перенос спина, то получаем спиновый ток (механический и магнитный).

В обычных условиях спины с различной ориентацией компенсируют друг друга, поэтому спиновый ток равен нулю. Если спины всех частиц принимают одну и ту же ориентацию, возникает макроскопическая намагниченность вещества. Электроны с заданным состоянием спина называют также поляризованными электронами.

Энергетический уровень образца.

Направление вектора магнитного момента протона жёстко привязано к направлению вектора спинового магнитного момента. Спиновые моменты протонов могут быть ориентированы в направлениях, которые обычно называют "спин-вверх" (мажорные спины) и "спин-вниз" (минорные спины). Таким образом, протон можно представить как микроскопический магнитик с двоякой возможной ориентацией в пространстве. Энергия протона будет максимальна, когда его магнитный и спиновый момент направлены в одну сторону, и противоположную внешнему полю.

Еще большего увеличения энергетического уровня можно достичь согласовав по такому же принципу магнитный и спиновый моменты электрона. Это достигается в определенных составах образца.

Чем больше энергетический уровень частицы, тем выше амплитуда полезного сигнала при измерениях магнитного поля.

Максимальный энергетический уровень частицы достигается доведением ее до состояния механического разонанса.

Ядерный магнитный резонанс это механический резонанс ядер образца.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.

Результат ядерного резонанса - совмещение радиального и спинового магнитных моментов ядер направленных противоположно силовым линиям действующему на них магнитному полю.

Достичь такого состояния частиц можно поместив образец в постоянное магнитное поле раз в 10-20 выше измеряемого магнитного поля на время полной прецессии частиц.

Можно возбуждать частицы в образце слабым переменным магнитным полем частотой кратной ихнему ядерному резонансу – метод динамической поляризации. При таком облучении магнитные моменты частиц выстроятся в направлении измеряемого поля, частицы имеют максимальный энергетический уровень, поддерживающий переменным сигналом с частотой своего механического резонанса. Для создания магнитной прецессии магнитные моменты частиц нужно повернуть на 90 градусов, слабым коротким поляризующим импульсом в перпендикулярном направлении, также как и в обычных прецессионных измерителях.

При ЯМР в сотни раз увеличивается энергетическая составляющая частицы, потому что спиновые и собственные магнитные моменты частиц совпадают по направлению и противоположны вектору измеряемомого магнитного поля, поэтому энергетический уровень частицы максимальный. А чем больше энергетический уровень частицы, тем больше ее реакция на малейшее изменение внешнего магнитного поля. Среда пребывает в постоянном состоянии резонанса, возбуждаемым слабым переменным магнитным полем равным частоте собственного механического резонанса содержащихся частиц.

В простых прецессионных магнитометрах резонанс частично проявляется лишь во время свободной прецессии моментов.

Константа Планка

Это - единственная константа, которая содержит характеристики всех трёх первичных элементов мироздания:

пространства,

материи,

времени.

Константа Планка, управляющая процессами формирования и поведения структур электрона и протона, записывается так . Здесь - масса электрона или протона; r- радиус базового кольца электрона или протона; - угловая скорость вращения базового кольца протона или электрона.

В системе СИ постоянная Планка имеет размерность . Это - размерность момента количества движения или кинетического момента, а физики называют эту размерность момент импульса или угловой момент.

Из константы Планка, описывающей структуру фотона, следует ещё 4 константы, а из константы Планка, описывающей структуру и поведение электрона, следует ещё 20 констант. Аналогичное положение и у протона и нейтрона. Поэтому у нас имеются все основания считать постоянную Планка самой фундаментальной константой.

Наглядно увидеть закономерности константы Планка можно на примере вращающегося фигуриста. Изменение скорости вращения фигуриста относительно скорости своей оси происходит моментом изменения разведения рук в стороны. Если руки разведены, скорость вращения снижается, если прижаты к оси – увеличивается.

Это описывается одним из самых фундаментальных законов Природы - законом сохранения кинетического момента или момента импульса

- если сумма моментов внешних сил, действующих на вращающееся тело, равна нулю, то кинетический момент (момент импульса) остается постоянным по величине и направлению.

Посмотрите, как выражается этот закон математически: . В эту константу Природа и заложила этот закон. Он работает в условиях отсутствия внешнего воздействия на вращающееся тело. При рассмотрении вращения фигуриста закон сохранения кинематической энергии проявляется здесь не в чистом виде, потому что внешнее воздействие воздуха и сил трения не учитывается. Но, тем не менее, небольшое сопротивление воздуха и льда дают нам возможность увидеть проявление этого закона.

А теперь посмотрите на приведенное выше выражение постоянной Планка Масса фигуриста в момент вращения не изменяется. Однако распределение этой массы изменяется. Когда он разводит руки, то они удаляются от оси его вращения и момент инерции фигуриста увеличивается, так как величина, равная массе m рук, умноженной на квадрат расстояний их центров масс от оси вращения, растет, а чтобы постоянная Планка осталась постоянной , скорость вращения фигуриста должна уменьшиться. Когда фигурист приближает руки к оси своего вращения, то величина уменьшится, так как уменьшится расстояние для центров масс рук. Чтобы величина осталась постоянной, скорость ращения фигуриста должна возрасти. Что мы и наблюдаем. Без внешнего сопротивления, фигурист мог бы вращаться вечно.

Протон.

Протон (от греч. протос — первый, основной) — элементарная частица. Относится к адронам, имеет спин 1/2, электрический заряд +1. В физике элементарных частиц рассматривается как нуклон с проекцией изоспина +1/2 (в ядерной физике принят противоположный знак проекции изоспина). Состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-кварка). Стабилен (нижнее ограничение на время жизни — 2,9х1029 лет независимо от канала распада, 1,6х1033 лет для распада в позитрон и нейтральный пион).

Процессами формирования структур электронов, протонов, нейтронов, ядер и атомов управляет природный закон сохранения кинетического момента, выведенный в константе Планка. Она является спином элементарных частиц.

По строению протон имеет форму внутри заполненного эфиром тора Особенность протона – разное направление векторов магнитного момента и спина . Прибавка спина протона к энергетическому уровню составляет половину его орбитальной энергии. Напряжённость электрического поля на поверхности тора протона имеет колоссальную величину, а плотность его материальной субстанции близка к плотности ядер атомов.

Радиус оси тора протона на три порядка меньше аналогичного радиуса электрона, а напряженность магнитного поля в центре симметрии протона на шесть порядков больше, чем у электрона. В результате магнитные силы, сближающие протоны и нейтроны, являются ядерными силами.

Импульс поляризации.

Импульс поляризации необходим для поворота на угол 90 градусов магнитных моментов ядер образца, по отношению силовых линий измеряемого магнитного поля, для возможности образования механического резонанса ядер при свободной прецессии.

Длительность импульса поляризации должна быть не меньше времени полного цикла прецессии протонов образца. Если длительность импульса поляризации будет меньше времени цикла прецессии протонов образца, магнитные оси протонов повернутся меньше чем на 90 градусов, по этому будет короче время деполяризации и меньшая амплитуда сигнала прецессии. Напряженность магнитного поля импульса поляризации должна быть в несколько раз больше напряженности измеряемого магнитного поля. Для полной поляризации ядер поляризующее поле должно быть такого уровня, чтобы в самых отдаленных местах от поляризующей катушки оно было в несколько раз больше уровня поля измеряемого сигнала.

Если не хватит уровня напряженности за единицу времени, не все магнитные оси частиц спрецессируют на угол 90 градусов, в итоге амплитуда полезного сигнала прецессии будет меньше максимальной и меньшее время деполяризации частиц.

Атом.

Атом представляет собой сложную магнитную систему, магнитный момент которой является результирующей всех магнитных моментов электронов, протонов и нейтронов. Так как магнитные моменты протонов и нейтронов существенно меньше магнитных моментов электронов, магнитные свойства атомов по существу определяются магнитными моментами электронов. У имеющих техническое значение материалов это прежде всего спиновые магнитные моменты.

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра Рm яд в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон m яд:

µ=eh/2mp (в СИ)

µ=eh/2mpC (в СГС).

Здесь

е - абсолютная величина заряда электрона,

mp - масса протона,

с - электродинамическая постоянная.

Ядерный магнетон в mp/me=1836,5 раз меньше магнетона Бора, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов. Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q. Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра.

Датчик прецессионного магнитометра.

Это ОБРАЗЕЦ – протоно содержащая жидкость.

Для наглядного представления что датчиком прецессионного измерителя является протоно содержащая жидкость а не катушка можно привести такой пример.

Спин-орбитальное взаимодействие связывает спиновые и пространственные координаты частиц, находящихся в жидкости образца и ведет к появлению эффективного внутреннего магнитного поля (поля магнитной анизотропии). Измерение сигнала прецессии это измерение анизотропного магнитного поля образца (датчика) катушкой, находящейся с ним в зоне контакта.

Спинтроника.

Сейчас все разработки основываются только на основном заряде частиц и за малой изученностью технологии не учитывают их спиновую составляющую, вносящую существенное расширение энергетических свойств элементов.

В 1998 году в США, для изучения и создания приборов на основе спиновых эффектов создана научное направление Спинтроника. Эта наука дала рождение полупроводников, которые одновременно являются полупроводниками, магнитами и оптическими средами.

Спинтроника это наука, для которой принципиальное значение имеет взаимосогласованное поведение заряда и спина электрона;

это новая ветвь микроэлектроники, где спин и заряд электрона представляют собой активный элемент для хранения и передачи информации, интегральных и функциональных микросхем, многофункциональных магнитооптоэлектронных устройств.

Домен.

Домен это элементарный (не делимый) магнитик.

Диполь.

Диполь – двух полярный элемент.

С ув. Белецкий А. И.       06.07.2009г.     Кубань Краснодар.