OVERHAUSER磁力仪激发接收系统设计

　　1　引　　言

　　OVERHAUSER磁力仪是一种基于OVERHAUSER效应原理的弱磁场测量仪器[1],该类磁力仪具有精度高、灵敏度高、可连续测量以及功耗低等特点,被广泛应用于石油矿产勘探、地质勘测、火山监测、考古、军事以及卫星地磁测量等领域。

　　目前所有的OVERHAUSER磁力仪探头中的溶液均是氮氧自由基类化合物溶液,氮氧自由基类化合物溶液的激发是该类磁力仪的关键。根据文献[2],不同浓度或不同溶剂的自由基溶液,所用的激发频率以及频率带宽不一样,并且溶液的极化程度与所用的激发功率和激发持续时间有关,而溶液的极化程度直接关系到探头输出信号的信噪比和仪器的测量精度,因此研究OVER-HAUSER磁力仪探头中自由基溶液的激发对该类磁力仪的设计具有重要意义。

　　为研究不同浓度、不同溶剂自由基溶液的极化度与激发频率、功率大小和激发时间长短的关系,本文在研究自由基极化原理的基础上,研制了可控的OVERHAUSER磁力仪探头激发接收系统,该系统可输出55~65 MHz、分辨力为1Hz、最大输出功率为2W的高频信号,可将OVERHAUSER探头输出的微伏级拉莫尔频率信号放大至伏特级,并将输出拉莫尔频率信号的幅度实时显示并记录下来。

　　2　OVERHAUSER磁力仪工作原理

　　该类磁力仪一般由图1中的4部分组成[3-4]:高频振荡器、探头、放大器、频率计,探头主要由高频激发线圈、低频接收线圈和密封在有机玻璃瓶中的富含核子的自由基溶液组成。高频振荡器产生高频信号,使探头中左边的线圈产生高频磁场,该磁场作用在密封有机玻璃瓶中,使玻璃瓶中的自由基溶液发生动态核极化;然后利用单刀双掷开关给探头外加一短时间的直流脉冲后,溶液中大量被激发的核子将绕地磁场做旋进运动,此时绕在有机玻璃瓶外的线圈会感应核子旋进产生电动势,该电动势大小如式(1)所示:

　　直流脉冲结束之后,如果将开关接入放大器输入端,可接收到如式(1)所示的拉莫尔频率信号,该频率信号经过放大整形后,送入频率计可测量出拉莫尔频率fo。外部磁场的标量值Be与该频率fo的关系式如式(2)所示:

　　3　探头中自由基溶液极化原理

　　自由基是外层轨道上带有一个未成对电子的原子、分子或基团,该未成对电子所具有的特殊性质,使其非常适合用于OVERHAUSER磁力仪。

　　自由基溶液的极化,其实质是通过激发溶液中自由基的的未成对电子,引起溶液中核子的激发,从而使溶液中的自由基未成对电子和溶液中的质子都处于激发状态的双共振系统。

　　根据电子顺磁共振理论[5],自由电子的顺磁共振频率与外磁场的关系如式(3)所示: