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1、年月爆轰波与冲击波第期脉冲强磁场测里龚兴根摘要介绍 了磁探针、法拉第和塞受三种侧强磁场的方法。关询强磁场磁探针法法拉第法塞里法引言在许多研究,例如电磁 内爆、高温等离子体、可控热核反应和爆磁压缩 发生器产生强磁场中,都需要知道磁场强度及其随时 间、空间的变化情况,因此建立脉 冲强磁场的测试技术 十分有 意义,为此本文 中专门介绍磁探针、法拉第和塞曼效应 三种测量强磁场的方法。磁探针法磁探针测,磁场的基本原理磁探针是测量脉冲强磁场的一种最常用 的方法,它由一个 小线圈和积分器组成。它的基本原理是法拉第感应定律,如果把一个小线圈放在变化的磁场中,线圈两端的感应 电压。与磁通 的变化速率甲成正 比,
2、即沪二二咧蓄其 中为线圈的匝数,产为磁导率,为线圈垂直于磁场的截面,为磁场强度,为时间。线圈感应 电压经电子学积分积分 输人示波 器后,即可根据示 波 器上测得的电压直接计算磁场强度。磁探 针测,磁场的等效回路及回路方程磁探针测 量磁 场的等效回路见 图,图中、,分别为线圈 的电感和 电阻,为与测试传输电缆特征阻抗相等的匹配 电阻,乙分别为积分器 的积分电阻和电容,为积分器 的输出电压。根据图可以建立如下回路方程二不二仪二尸二不口丁口 君脚蓄图磁探针测 盆磁场的等效回路式中。,如果被测磁场是正弦波,即二耐 和当初始条件,不寸二网,石第期龚兴根脉冲强磁场测方程的解为,二叩月。一、“,甲“,、田百
3、一甲夕沪,。十厂丁不、巴一式中,二,中一月一。如果有条件田其中为被测 电流脉冲宽度,则方程中的二次小量可以忽略,因此可以简化成一、扁场田卜渝事实上,磁探针测量磁场时通常采用因此带来公式的转换误差为一田一以一一之式 中“为被测磁场,比例系数器斋,为积分时 间常数,”,分别为测试线圈的匝数和线圈垂直与磁场的截面积,为示波器记录的电压。磁探针测磁场中应 注愈的问题磁探针测量磁场时主要应注意以下三个问题首先,由于磁探针测 量的是探针截面内的平均磁场,为了减少测量 的平均误差,探针截面积应尽 可能的小,尤其在测量高梯度的磁场中,这一点显得尤其重要。其次,为了提高测量准确度,应尽可能降低噪音本底,以便确保
4、探针信号比噪音本底大得多 为了防止静电祸合,探针通常采用不锈钢作静电屏蔽,并封装在石英或氧化铝管 内。最后,为了确保测量信号的真实性,要求测试探针在较宽的频率范围具有线性响应。从物理概念来说,可以把感应线圈当作延时线来处理,在测 量场时,某时刻 引起的磁场 在各处都是同时 的,但由于线圈的自感和分布电容的作用,有 一个传输过 程,因此存在一个测试探针 的频率响应 问题。文献【 详细地分析了测量脉冲电流的感应线圈 的频率响应 问题,文 中引进了三个无量纲量,即阻尼常数时间无纲频率作为频率响应判据,其中线圈 的等效回路是相同的二、瑞援如俘二几二二 耐称,丫奋刃石。二存瓦,凡。测量脉冲磁场与脉冲电流
5、的感应,因而有相似 的频率响应 问题,对于测量阶跃脉 冲电流或磁场 时,爆轰波与冲击波年月脉 冲宽度几、,则测量线圈有合适的响应,并当二时,线 圈 的响应更好 对于测量正弦脉冲电流或磁场时,线性范围更宽。石万三牙,则线圈有合适的响应,并当一毛时,线圈响应 的丫典型的磁探针和典型 的参数典型的磁探针和典型的参数分别见图和表。卜,一七七 仁二公孟石公二二二尸甲甲曰,、 阵书书书自门 甲叭,甲甲火火火火艺 忿二二 十十十十二二二二 砚砚砚砚砚砚砚砚砚砚砚砚一一户卜粉份地地地图典型的磁探针图衰几种典型的磁探针今数漆包线口,口线圈匝数线圈长支架直径总面积介扩护套电参数,声, 双层妇二石英管们派克斯杨。刃
6、玻璃,法拉第法法拉第法浏磁场的甚本原理与磁场平行的光束通过处 于磁场中各向同性介质如石英,冕牌玻璃探针时,光束的偏振面发生旋转,其旋转角度与磁场强度成正比,即饰 其 中产为磁导率,为探针长度,为弗尔德常数,它 由索末菲根据简单的色散理论得到态断田二币男沃,、,印止月、山一田一、二二 二,夕 ”翻 匕式中的。,分别为 电子的电荷和质量,。为光速,。为电子 的特征频率,是材料 常数,为光频率,由下式定义犷一常数、一共一“ 山一田第期龚兴根脉 冲强磁场测、式 中的常数均与。、无关,从式可知,只有 衅。,。吕一。,口成立时,才能算是真正 的常数。对于石英,玻璃和一般的绝缘物体而言,其。处于紫外,用可见
7、光测量时,条件的临界场远在以灯以上,因此测低于以下的磁 场时,条件成立,完全可以认为是常数,磁场的测量属 于线性范围。将电子 吸收的能量和最外层电子到传导带的能隙进行比较时,也可以得到同样的结论,即在绝缘体中,只有当磁场大于时,才出现非线性 或反常效应,当然对导体和半 导体情况是不同的,在这种情况下,即使低于,非线性法拉第分量已变得 十分重要。法拉 第法测脉冲强磁场从光路传输方式而言,法拉第测量磁场可分为传输法和反射法两种,其原理 图见 图。从图可知水银光谱灯发出的光经过起偏振器得到偏振光,偏 振光传人处 于磁 场 中的探针、检偏振器和滤波器,再传人光电倍增管,把光信号转换成电信号,并由示 波
8、器记录。图表示反射法测磁场,水银光谱灯发 出的光经过光导束传人偏 振 片起偏振器作用和处于磁场中的探针,经探针末端的反射镜,再传人探针,和同一个偏振器起检振器的作用,这种光经过光导束分支传人滤波器和光电倍增管,把光信号转换成电信号,并由示波器记录。全部元件利用加拿大胶保持良好 的接触,并用一根塑料外套机械地固定,其中银反射镜是在真空 中直接喷镀在探针的一端。偏振面的旋转角与光强的关系由马 吕斯定律建立光谱灯光电倍增 管纯光导束、起偏振器和检偏振器滤波器玻瑞探针,反射镜传翰法测磁场反射法侧盆磁场图法拉第法测盆磁场二宁, 、口一漂,式中为极大振幅,为波的前面部分的半周期数,用相应的光电倍增管讯号振
9、幅代替。反射法要考虑两次经过探针角度减半的修正,由式和式可得到测量磁 场的计算公式,二与,、去。二十。丫平尸,式中为被测磁场强度,为探针长度,为弗尔德常数,文献【用这种方法测量爆炸磁压缩发生器产生 的强磁场,与磁探针测量相差不超过。法拉第测,脉冲磁场应 注意的问瓜爆轰波与冲击波年月一些材料的弗尔德常数可以利用公式计算得到,见表。由于材料的弗尔德常数与材料 的成分和杂质有关,表内的常数是不够准确的,因此在使用这种方法时,所 用材料的弗尔德常数要用其它方法进行校正。衰一些材料的弗尔位常数材料度人二线孟二线石英玻瑞见牌玻瑞见牌玻瑞钡轻火石玻瑞重火石玻瑞以刃洲拓仪刃翻以力 以抖兀旧粼拓仪冷杨仪心肠不同
10、玻瑞笨丙酮抓仿三抓甲烷二硫化碳侧义抖 义场幼叹抖阅肠义刃以刃仪刃拭洲另外,用法拉第法测量磁场时,要求人射光 限制在 一个相 当狭 窄光 波带洲例 如内,否则弗尔德常数 的色散将影响测量,联立方程、和假设式有效时,可以得到二常数、达址里典几几在这种 情况 下,由于折射率的色散是可 以忽 略的例如对冕牌玻璃,在又二粼抖时,二在几时,。,弗尔德常数的色散将带来角度测量 的误差,因而影响磁场测全的准确度。、八一六一、凡,一一一一一引一一下人二 凸口一艺丁名以仃 人塞曼法正常塞受效应把光源放在磁场 中,用摄谱仪在垂直于磁场方向观察时,一根光谱线可分裂成三根谱线,中间的谱线与两旁的谱线在频率上相距,扁。秒
11、一三条谱线都是直线偏振光,两旁的振动垂直于磁场,称为几成分,中间 的振动 平行于磁场,称为成分,用摄谱仪平行于磁场方向观察时,看不见 中间成分,只能看见两旁的二根谱线,它们都是圆偏振光,转动方 向相反。这种 光源处于磁场 中,一根光谱线分裂成三根光谱线的现象就是塞曼效应。这种效应可以用量子力学解释,也可以由简单推导单电子原子谱线裂距与磁场强度的关系得出。单电子原子由原子核和核外的一个电子 组成,原子核和核外 的一个电子组成偶极子,原 子核固定在 坐标 原点,而有负电荷。的电子以准弹性力与原子核的正 电荷相联结这相当于线性谐振子,即质量为。的质点在直线上运动,它所受的力 正 比于质点离开平衡位置
12、 的距离,并且永远朝着平衡位置 的方 向。因此电子的 自由振动方程为第期龚兴根脉冲强磁场测十在有磁场时,存在洛伦兹力为工”一一其中,是 电子运动速度,设端尸一。产,则方程变成。若二一二 爪产式 中二为电子 的荷质比 爪因为十二凡,从二,因此无田吕毋”夕田,二。云端二。其中“二护称为拉摩尔频率,假定式中前两式的解 为二二。叭,式 中的前两式得到。名一。山。吕一。一加,通常是复数,在要求,尹的解时,必须满足如下的行列式妇,并代人。吕一。加一山。孟一。则,。卜。二,因此。名一。山。名一。,伽,式 中的四个解 中只有两个是正 的,即,一。丫。吕。丫。吕,对于 可见光和紫外光,。一巧,一,设刀,则。一
13、。,。一,因此。分别为田山。 一两根谱线角频率相差为,则。,一万因此,在有磁场时,谱线分裂成两根谱线的角频率。田。毋一田二口凸夕二 艺兀几一兀奈乏以一护因为,二,一,二乒一乒 八入几 人几,因此人一护琳一一产二盯姆轰波与冲击波年月式 中导磁率磁场强度,人产二一,柑,电子 的荷质比二一, ,光速。耐,为为所采用谱线波长,入为两根谱线的裂距,式可变成、护典、几例如,线,人一,万, 久线,久二一,二人。磁场的大小与谱线波长变化 大小劝成正 比,式中磁场强度单位,波长又单位米。塞受法测强磁场把一种光源,例 如 低压水银灯,沽有。或玩盐的、爆炸丝等平行地 通 过磁场。、人谱线将分裂,用摄谱仪观察,记录谱
14、线分裂的距离,就可以根据式计算磁场强度。文献用 这种方 法测量了爆磁压缩发生器产生磁场,这与用磁探针测量数据相符。塞受法测,强磁场效应注意的问题塞曼法不宜测量弱磁场,由于 电子之间的相互作用,电子轨道角动量和自旋角动量 的电磁相互作用,出现谱线 自然多重性裂距。在弱磁场 中,磁场引起的塞曼效应谱线的裂距比谱线 自然多重性裂距小,将出现反常塞曼效应在强磁场中由于帕邢一拜克效应,反常塞曼效应又变成正常的塞曼效应,磁场造成的谱线分裂显然超过谱线自然多重性 的分裂。其次,由于水银灯很难做成小直径,不宜测量几毫米范围的磁场,采用爆炸丝光源是一种好的办法。结束语磁探针法、法拉第法和塞曼法测量脉冲强磁场的三
15、 种方法中,磁探针法是最 常用 的一种,制作简单,使用方便,但应尽可能缩小探针的截面和避免接收虚假的信号,设计和制作的磁探针也应尽可能有较宽的线性响应。法拉第法 和塞曼法可以用 作磁 探针测 量脉 冲强磁场的比较,以便确信测量磁场的真实性,法拉第法应注意弗尔德常数的校正和限制光波带 久,塞曼法测量磁场较准确,但需要有摄谱仪,而且不宜测量弱磁场。刘正芬同志进行文字和图的打印工作,在此表示谢意。参考文献卢鹤绪,等编受控热核反应上海上海科技出版社,一龚兴根,等脉冲大 电流的测爆轰波与冲击波,一脚,高频响应磁探针,山,为 糊心践函的,己百万高斯磁场 中的法拉第转动,。叫势。晓俪山班川回,而,苗,仆,。利用塞曼效应测百万高斯磁场技术,
