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生物磁場如何測量儀

發布時間:2023-08-11 19:51:13

1. 如何簡單的測量地磁場

最簡單的方法使用高斯計/特斯拉計,直接測量。
實驗的方法是通過霍爾效應法測量交變的磁場,直流的也可以測量。
霍爾效應法用半導體材料構成霍爾片作為感測元件,把磁信號轉換成電信號,最終測出磁場中各點的磁感應強度。

2. 磁測儀器

磁測儀器統稱為磁力儀。按其構造特點可分為機械式磁力儀和電子式磁力儀。

1.機械式磁力儀

機械式磁力儀是利用靜力平衡原理進行地磁場相對測量的。該類儀器又稱磁稱。磁秤有兩種:一種是測量地磁場垂直分量相對值的垂直磁秤;另一種是測量地磁場水平分量相對值的水平磁秤。

圖8-1是國產CS2-61型懸絲式垂直磁秤內部結構示意圖。儀器的核心部分是磁系。磁系由圓柱形磁棒、嵌在棒上的鋁框及平面反光鏡等組成,並由一根稱為懸絲的扁平金屬絲懸掛在儀器殼的內部。懸絲的一端固定在彈簧上,另一端固定在扭鼓上,於是整個磁系就可以繞懸絲自由轉動。

圖8-1 國產CS2-61型懸絲式垂直磁秤內部結構示意圖

為了使儀器測定值只與磁異常有關,必須消除地磁場對磁系的影響。在北半球可通過讓磁棒的S極一端距轉軸(懸絲)比N極一端略遠,使得整個磁系的重心稍偏向S極一端,且位於轉軸的下方。於是在重力和地球磁場的作用下,磁系將大致保持水平。只有當儀器周圍存在磁體時,磁棒才發生傾斜而顯示出異常來。

儀器測量的是地磁場垂直分量,這就要求必須消除地磁場水平分量的影響。因此,必需調整磁系使其保持水平,且只能在磁東西方位的鉛垂面內擺動。這樣磁場水平分量對磁系轉動的影響就被完全消除了。

該儀器簡單的工作原理為,當儀器周圍存在磁性體時,受其影響,磁系將發生微小傾斜,利用平面反光鏡將反射光線投射到刻度尺上,使磁棒的傾角值轉換成刻度尺上的讀數,此讀數乘以格值即磁場的變化值。當磁棒偏角較大,反射光線偏出刻度尺范圍(這種現象叫超格),可轉動扭鼓改變懸絲的扭力矩,使傾角減小直到可讀數為止。改變懸絲扭力矩的量級可從扭鼓上讀出。該類儀器的精度一般在10~20nT之間。

2.電子式磁力儀

電子式磁力儀包括磁通門磁力儀、質子旋進磁力儀、光泵磁力儀和超導磁力儀等。這類儀器精度高。如光泵磁力儀精度可達0.01nT,而超導磁力儀竟高達10-6nT。因此這類儀器除用於野外勘探外,還在地磁絕對測量、國防磁探測以至宇宙探測中發揮作用。

地面磁測最常用的電子式磁力儀是質子旋進磁力儀。而目前在我國廣泛使用的地面質子磁力儀有兩種:一種是北京地質儀器廠生產的CZM-2型質子磁力儀;另一種是由加拿大引進並在我國批量生產的IGS-2/MP-4高解析度微機質子磁力儀。前者測量精度在2nT左右,後者可達1nT。所以除廣泛用於地面測量外,還用於航空和海洋磁測上。

質子旋進磁力儀的工作原理是根據煤油、蒸餾水、酒精等含氫原子溶液中的氫原子核(質子)在地磁場中產生一定頻率的旋進作用而製成的。儀器感受外磁場的部分是一個充滿了煤油或蒸餾水等碳氫氧化合物溶液的圓柱狀有機玻璃容器,其外繞有螺線管線圈,稱為探頭。

大家知道,構成各種物質分子的原子都是由帶正電的原子核和繞核旋轉的帶負電的電子組成,原子核又由帶正電的質子和不帶電的中子組成。氫的原子核最簡單,只有一個質子。探頭中的煤油、蒸餾水等這些含氫原子的物質,其分子中的電子軌道磁矩與電子自旋磁矩都成對地彼此抵消了,除氫以外的原子核自旋磁矩也都互相抵消了,只有氫原子核的自旋磁矩沒有抵消。故該原子顯出微弱的磁矩。在溶液中氫的質子磁矩,在無外磁場作用時,它們任意指向。當氫溶液處於地球磁場T中時,這些質子磁矩將在T作用下,將各自沿著T的方向排列。當在近於垂直地磁場T的螺旋管軸中通以電流(1A左右),使之產生與地磁場垂直的近(50×103/4π)A/m(即50Oe)的人工磁場時,由於這一磁場遠大於地磁場,則原沿地磁場方向的質子自旋軸都轉至磁化磁場方向。當切斷電流,使人工磁場突然消失,氫質子則將在原有的自旋慣性力及地磁場力的共同作用下,各以相同的相位繞地磁場方向進動(圖8-2)。這種現象稱為質子旋進,也稱核子旋進。

圖8-2 質子磁矩在地磁場中旋進運動示意圖

在質子旋進的初始,由於其相位一致,顯示出宏觀磁矩,它周期地切割繞在容器外的線圈,產生電感應訊號,其頻率與質子旋進頻率相同。質子旋進現象由於熱干擾等作用,會很快地衰減消失,電感應訊號也就隨時間按指數函數衰減。

實驗與理論計算表明,氫質子旋進的角速度ω是和外磁場T的大小成正比的,其關系為

ω=γpT (8-1)

式中:γp為質子磁旋比(即質子磁矩與動量矩之比),是一個常數,其精確測定值為0.267513Hz/nT。 又因為ω=2πf,f為旋進頻率,所以

T=2πf/γp=23.4874f (nT) (8-2)

上式表明,地磁場的大小與質子在其中發生旋進的頻率f成正比,這樣就將對地磁場的測量變為對旋進訊號頻率的測定。

由於宏觀磁矩旋進時,切割探頭中的線圈,因此在線圈中產生與旋進頻率相同的感應電壓。十分明顯,測出這一感應電訊號的頻率就測定了地磁場總強度的絕對值。

3. 生物微磁共振分析儀的檢測結果准嗎

准確。

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