磁力测量仪器的基本原理
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发布时间：2022-04-24 18:09
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时间：2023-10-30 11:01
勘探用的测量仪器早期是弦丝式、刃口式机械式磁力仪、感应式磁力仪等、第二代磁力仪，是应用核磁共振特性，利用高磁导率软磁合金，以及复杂的电子线路组成。直到20世纪80年代提出质子旋进式磁力仪，及磁通门磁力仪等。质子磁力仪对地磁场测量的灵敏度达0.1 nT（CZM-2B型）；光泵磁力仪有氦跟踪式和铯自激式光泵磁力仪，历经20年到20世纪90年代仪器测量灵敏度达0.003 nT（HC-90型航空磁力仪），地面磁力仪HC-95灵敏为0.01 nT。
根据需要分别有：航空磁力仪、地面磁力仪、井中磁力仪、海洋磁力仪以及实验室的高灵敏度磁力仪。
磁力仪按其测量的地磁场参数及其量值，可分为相对测量仪器（如悬丝式垂直磁力仪等，它是测量地磁场垂直分量Z的相对差值）和绝对测量仪器（如质子磁力仪等，它是测量地磁场总强度了的绝对值，亦可测量相对值，或梯度值）。
4.4.1.1 磁通门磁力仪
坡莫合金是一种高磁导率，矫顽力很小的软磁合金，在外磁场作用下（磁滞延线窄而陡变）很快达到饱和磁化，所以磁通门又叫饱和磁力仪。即外磁场变化很小，感应磁场强度变化很大，仪器很灵敏。把坡莫合金做成闭合磁路；外绕激励磁线圈和讯号接收绕组输出脉冲电压与外磁场大小成正比。这类磁力仪类型很多，有航空、地面磁力仪和磁化率测量仪等。
4.4.1.2 质子旋进磁力仪
在能产生磁场的螺线管内的容器中充满富含氢的液体（如水），当通电产生磁场后，使受激发的氢原子核（质子）自旋产生磁矩，并按螺线方向平行排列，出现顺磁性宏观磁矩。当垂直于地磁场的螺线管磁场停止后，氢核的宏观磁矩绕地磁场总强度（F）方向做拉莫尔旋进，旋进频率与地磁场（F）关系为
环境地球物理学概论
表明旋进频率f与F成正比。仪器产生激励磁场的线圈也是接收线圈，并调谐为旋进频率f。因此，在一定强度的地磁场中质子旋进的磁矩将在线圈中产生感应电压，即为地磁场强度信号。
4.4.1.3 光泵磁力仪
根据原子获得能量后被激发，由低能级跃迁到高能级的原理。光泵磁力仪利用氦（4He）的原子灯，发射波长1.08μm的光，并制成平行光束与地磁场（被测磁场）方向一致，通过充有4He的吸收室，4He吸收1.08 μm光后形成正离子，并由低能级跃迁到高能级（称光泵作用），这些4He原子磁矩定向平行排列，形成宏观磁场。跃迁磁矩频率f0与地磁场T关系为
环境地球物理学概论
由于式中f0比（4.4.1）中f高很多，有利于提高仪器灵敏度。仪器在吸收室处，垂直光线入射方向加上调制磁场，使射入磁场的频度自动跟踪地磁场变化，实现自动测量。
4.4.1.4 超导磁力仪
1962年约瑟夫逊提出并经实验证实，在两块超导体中间夹着10～30 A的绝缘层，超导电子能无阻地通过，绝缘层两端无电压降，称此绝缘层为超导隧道结（约瑟夫逊结）。这种现象叫做超导隧道结的约瑟夫逊效应。
超导磁力仪就是根据约瑟夫逊效应制成的测量仪，其测量器件是由超导材料制成的闭合环，有一个或两个超导隧道结，结的截住面积很小，只要通过较小的电流（10-1～10-6A），接点处就达到临界电流Ic。（超过Ic超导性被破坏，即超导隧道结所能承受的最大超导电流）。Ic对磁场很敏感，并随外磁场的大小呈周期性起伏变化。其幅值逐渐衰减。临界电流Ic，也是透入超导结的磁能量Φ的周期函数。它利用器件对外磁场的周期性响应，对磁能量变化（与外磁场变化成正比）进行计数，已知环的面积，就可算得磁场值。
超导磁力仪是20世纪60年代中期利用超导技术研制的一种高灵敏磁力仪。其灵敏度比其他磁力仪高几个数量级（可达10-6nT），能测出10-3nT级的磁场。测程范围宽，磁场频率响应高，观测数据稳定可靠。在地磁学中，用于研究地磁场的微扰。在磁大地电流法与电磁法中，用于测量微弱的磁场变化。在岩石物理学中，用于岩石磁学研究。
由于这种仪器的探头需要低温条件，常用装于杜瓦瓶的氦进行冷却，因此使得装备复杂，费用较高，目前主要用于实验室。但是，随着超导技术研究的不断进展，相信在不久的将来，在环境地球物理学中应用会多起来。
