光学原子磁力仪原理与应用

第1章 磁场测量的应用领域 磁场作为磁性物体的一种重要特征，是*早被人类认识的物理现象之一。小到分子、原子，大到地球、星际空间，都蕴含着丰富多样的磁场信息。因此，对磁场的测量成为认识物理世界的一项重要技术手段。随着科技的进步，人类对磁场的理论及其所反映的物体信息的认识不断深入，高精度的磁场测量技术也随之而得到极大的发展。近几十年来，对磁场的高精度测量已被广泛应用于地质勘探、军事领域、心磁脑磁测量、地震预测和工业领域等多个领域。 1.1 地质勘探 磁探测方法*主要的应用就是在地质勘探、油气和矿产资源勘察等方面。磁探测方法是物探方法中*古老的一种，其原理是基于磁性岩体和矿体由于本身的磁性会产生相应的磁场，从而使局部地球磁场产生变化。通过探测和研究不同位置处的磁异常，进而发现矿产资源分布和研究地质结构。早在 17世纪人们利用磁罗盘直接找磁铁矿。在第二次世界大战后，航空磁测法得到广泛应用，可测量大面积的磁场分布。在地质填图时，磁探测方法可划分出各种岩石的分布范围，研究沉积岩下面的基底构造；还可直接用来寻找磁铁矿床，并将其作为一种辅助手段绘制地质图和测定基底构造。图 1.1 是在新疆西天山地区某处通过航空磁测得到的磁异常图[1]。2020年，陈江源等报道了利用磁探等手段，对西天山卡拉达湾地区铀及多金属矿产进行了调查[2]。在石油等矿藏探测时，往往将磁测数据和重力测量数据等相结合（图 1.2）[3，4]。 对于大范围地质结构和地球磁场研究而言，卫星磁测提供了一个很好的平台。自 1958年苏联发射了**颗载有磁力仪的 Sputnik-3卫星以来，人类开始通过卫星磁测数据来研究全球地质结构[5-7]。2000年 7月，德国发射了一颗重磁两用卫星，工作在距离地球 454～300km的低轨道上，携带了两种磁力仪，分别测量地磁场的标量和矢量信息，比之前的 MAGSAT地磁卫星的磁场测量准确度高了一个量级[8-10]。图 1.3是德国发射的 CHAMP卫星[11，12]。2018年 2月 2日，我国将电磁监测试验卫星“张衡一号”发射升空，进入预定轨道。这标志中国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理场探测卫星的国家之一（图 1.4）[13，14]。 图 1.1 航磁异常剖面平面和等值线平面特征图[1] 图 1.2 利用电磁法探测油气资源[3] 图 1.3 德国 CHAMP卫星[11] 图 1.4 我国的电磁监测试验卫星“张衡一号” [13] 在矿产油气等资源探测方面，由于卫星磁测的空间分辨率尚不尽如人意，目前广泛使用的是航空磁测和地面高精度磁测[15，16]。自 1957年以来，我国已经在国内外开展了航磁普查和地面磁测，并在辽南金伯利岩、云南镇康铅锌矿、新疆哈密磁铁矿、新疆西天山铜矿、陕北油气，以及马达加斯加共和国的钒钛磁铁矿等矿产资源的勘探上取得了明显效果[17-21]。随着地表矿产资源的减少，利用局部磁异常寻找深部矿产资源愈来愈受到重视，同时对磁力仪的精度要求也越来越高。图 1.5是中国国土资源航空物探遥感中心的硬架式直升机测量系统[22]。 图 1.5 硬架式直升机测量系统[22] 磁场勘察还是探测古遗存空间分布的主要方法，由于古遗址、墓葬、古建筑及古人类化石本身与所处地层的磁场存在差异，其磁性差异构成了磁学考古的基础。例如，被火烧过的泥土、石头等具有较强的磁场，其比一般的土壤磁性高 1～ 2 个量级，为考古工作提供了“磁性化石”。有机质的腐烂会使土壤中的赤铁矿变为磁铁矿，因此使土壤获得较强的磁性。人为翻动过的土壤因土质结构、密度发生变化，以及掺入人工制品的残渣，都会使其与周围天然的沉积物之间显示出磁性的差别。对考古对象的磁异常特征进行分析，有助于全面认识考古对象[23-25]。 1.2 军事领域 在海战中，潜艇由于具有隐蔽性和突然性，成为重要的威胁力量。为了减少潜艇的威胁，各种反潜侦查系统相继出现，并形成了水面、水下、空中、路基多位一体的体系。目前，对水下潜艇探测的主要手段是依靠声呐设备，但随着潜艇自身降噪技术的发展，声呐探测已经不能完全满足探潜的需要。 2009年发生了英国“前卫”号核潜艇与法国的“凯旋”号核潜艇海底相撞事故，事件中的“前卫”号和“凯旋”号核潜艇不但都采取了更为先进的降噪技术，甚至还装备有模拟海洋噪声的装置，进一步掩盖自己的声音特征，这些都说明现代核潜艇的隐蔽性达到了相当高的地步。 为了提高反潜侦查系统的有效性，各国都在积极发展非声探测技术。其中，利用潜艇自身磁性特征的磁异常探潜技术具有明显的优势，这是由于潜艇在大海中航行时会产生大地磁场扰动，舰艇内的机械振动也会使出航前消过磁的舰体逐渐磁化，同时潜艇螺旋桨转动引起海水中产生局部电流，引起磁场的动态变化，并且尾流存留时间长，延伸距离可达数十公里，因此增大了探测距离。 目前发展*为成熟的是航空反潜技术，其主要特点是反潜机速度快、航程远、反应迅速；作战覆盖海域宽广、搜潜精度高、反潜效率高；隐蔽安全，不易被水下潜艇发现和攻击；攻潜效果好，一旦发现潜艇可以快速实施攻击。除了采用飞机反潜外，还有一种与飞机组成综合探测系统的浮标式磁探仪，其工作方式和声呐浮标类似。早在第二次世界大战中，美国就开始在远程轰炸机上试验磁异常探测器（ magnetic anomaly detector，MAD）系统的反潜效果，当时使用的是磁通门磁力仪。1944年，装备有该类型 MAD系统的盟军 VP-63型反潜机**次成功探测并击沉德国的 U-761型潜艇。当时，这种磁探仪探测距离只有 120m左右，也就是说如果飞机在离海面 50m飞行，只能探测水下 70m的潜艇。目前，美国、俄罗斯、英国和法国的远程反潜巡逻机、反潜直升机上都装备有 MAD系统。美国的 P-3C Orion型反潜巡逻机上装备的 AN/ASQ-208型氦 4光泵磁探仪，灵敏度为 3pT，用于取代 P-3C系列反潜巡逻机的 P-8A“海神”多用途海上飞机装备了加拿大 CAE公司提供的灵敏度更高、更加先进的一体化磁异常探测系统。新的 AN/ASQ-504/508型氦 4光泵磁探仪被装备到 P-3、SH60、SH2等直升机或者预警机上（图 1.6）[26]。随着潜艇制作材料和工艺的不断进步，潜艇本身的磁特征在减弱。研究人员开展了潜艇尾流电磁效应、德拜效应的测量，这种方法不受潜艇自身磁性的影响，只是跟踪潜艇尾流引起的海水中的电磁场变化。 图 1.6 AN/ASQ-504被装备到 CP140海上预警机[26] 1.3 心磁脑磁测量 在生物医学领域，高灵敏度磁力仪是一种重要的医学辅助诊断仪器。弱磁检测技术在医疗领域的应用主要包括脑磁[27，28]和心磁测量[29，30]，图 1.7给出了脑磁测量原理示意图。 图 1.7 脑磁测量原理示意图 大脑是人类身体中*复杂也是*重要的器官。在大脑皮层，大约有 1010个神经细胞，这些细胞是产生各种大脑活动的基本单元。当大脑处于休息状态时，由于钠离子的渗透率小于钾离子，外部神经元膜保持着几十毫伏的电压。当神经细胞受到刺激时，离子的渗透率发生变化，钠离子穿透神经元膜，电压产生反向。这种突然的电压改变会产生电脉冲，沿着神经细胞轴突传播。在轴突的末端，电信号转化成化学信号释放神经递质穿过突触间隙传递给下一个神经细胞。沿着轴突传播的电脉冲会产生非常微弱的磁场（<100fT）[31，32]。由于人体颅内脑神经组织带电粒子的迁移会产生局部电流，造成局部磁场变化，目前广泛采用超导磁力仪记录这种随时间变化的磁场变化，称为脑磁图（magnetoencephalography，MEG）。还可通过刺激脑部神经组织引起磁场的变化，例如采用声信号（听觉诱发脑磁反应）、光信号（视觉诱发脑磁反应）或电信号（体表感觉诱发脑磁反应）刺激。在 20世纪 80年代，国外已经采用超导量子干涉仪测量听觉诱发中潜伏期脑磁反应和听觉诱发脑干磁反应。20世纪 90年代初又出现了听觉诱发脑磁图，如图 1.8所示[33]，主要用于癫痫病灶的定位诊断，以及脑梗死、脑出血、精神障碍疾病的诊断。脑磁图目前已广泛应用在癫痫和病灶定位、大脑功能区定位、缺血性脑血管疾病、精神病和心理障碍等疾病的诊断中[34-39]。 图 1.8 听觉诱发脑磁图[33] 除脑磁图外，心磁图（magnetocardiography，MCG）也是非常重要的医学诊断手段。人体心脏的跳动伴随着激活电流的产生，这个电流在周围产生磁场，心磁学即是对这个磁场进行测量、分析给出医学解释。由于传统的心电图只能测量体表不等势两点的电位差，这种电位差是心脏电流在体表的反应，而体表的电位差往往不能推算出体内心电电流的准确分布，同时其需要接触式测量。而采用高温超导磁力仪进行心磁测量可以实现非接触测量，并且测量准确，可以对心脏损伤部位进行定位。目前，心磁图已经用于心脏疾病的诊断。在心肌缺血、冠心病、心律失常和胎儿心脏疾病检测等领域，人们已经利用心磁图开展了大量临床研究工作[40-43]。 随着磁力仪灵敏度的提高和技术的进步，近年来，人们已经开始研究利用高灵敏度磁力仪来定位分子、癌细胞和测量植物磁场等[44，45]。 1.4 地震预测 地震灾害的突发性与频发性给人们的生命财产带来了极大的危害。全球每年发生的地震有五百五十万次之多，常常引起水灾和火灾以及细菌、有毒气体的泄露和扩散等，还能引起海啸、崩塌、滑坡等很多次生灾害。 2008年的 5 12汶川地震给人们的财产带来巨大的损失，人们对地震的预报工作提出了很大质疑。地震时产生的地球磁场变化是地震预报的一个重要手段，对地震磁现象的研究迄今也有近百年的历史，但到目前为止仍是一个世界难题。一般认为，地震引起磁场变化的原因主要有两点，一是地震前岩石在地应力作用下出现的“压磁效应”，从