Оптический способ измерения магнитного поля
OPTICAL METHOD FOR MAGNETIC FIELD MEASUREMENT

Изобретение относится к способам измерения постоянного магнитного поля и может быть использовано при создании и эксплуатации магнитных датчиков и магнитометров. Важную роль в магнитометрии играет оптический способ измерения магнитного поля, позволяющий бесконтактно проводить измерения.
На сегодняшний день применяются разные способы измерения величины (индукции) магнитного поля с применением эффекта Холла,  эффекта Фарадея в магнитометре с оптоволоконным сенсором, с применением свойств азотно-вакансионных центров (NV центров) в алмазе, позволяющих оптически регистрировать магнитный резонанс и др.
Известно техническое решение по патенту РФ RU2725650  (МПК G01R 33/032, опубл. 10.02.2020). Технический результат достигается в устройстве (магнитоплазмонном кристалле – МПлК), состоящем из одномерной дифракционной решетки с субволновым периодом и, нанесенных на нее тонкого слоя благородного металла с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости, тонкого слоя ферромагнитного металла, и диэлектрического пассивирующего слоя. Данный вид МПлК характеризуется возможностью возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов дифракционным методом, позволяющим усилить магнитооптические эффекты в узком спектральном диапазоне возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов.
Известно техническое решение по патенту РФ RU2694798 (МПК G01R 33/02, опубл. 24.04.2018).  Способ измерения характеристик магнитного поля в этом методе заключается в том, что кристалл алмаза с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля, на который направляют электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров. К указанному кристаллу прикладывают, по крайней мере, однократно переменное магнитное поле, ориентированное в некотором наперед заданном направлении. Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля. В качестве алмазного образца используют поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей. По положению единственного кросс-релаксационного резонанса в сигнале флюоресценции определяют проекцию измеряемого магнитного поля. Технический результат – упрощение способа измерения характеристик магнитного поля.
Известно техническое решение по патенту РФ RU 2 695 593 (МПК G01R 33/24, B82Y 35/00, опубл. 28.06.2018). Способ включает воздействие на кристалл карбида кремния, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем и постоянным радиочастотным электромагнитным полем. Одно из радиочастотных полей модулировано низкой частотой. При этом измеряют интенсивность люминесценции спиновых центров на разных частотах перестраиваемого радиочастотного поля при различных величинах внешнего магнитного поля. По значениям частот точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции, соответствующих различной величине внешнего постоянного магнитного поля, строят градуировочную зависимость величины магнитного поля от частоты точки перегиба. Затем производят измерения для исследуемого образца и определяют частоту точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции вблизи частоты постоянного радиочастотного поля. Величину магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом, определяют по частоте точки перегиба на градуировочной зависимости. Технический результат заключается в увеличении чувствительности и точности определения магнитных полей.
В статье (Zong-Wei Ma, Jun-Pei Zhang, Xia Wang, Ying Yu, Jun-Bo Han, Gui-Huan Du, and Liang Li Magnetic field induced great photoluminescence enhancement in an Er 3+: YVO 4 single crystal used for high magnetic field calibration // Optics Letters. 2013, Vol. 38, No. 19, pp. 3754-3757) приведены результаты разработанного простого метода точной импульсной калибровки и дистанционного обнаружения больших магнитных полей, используя зависимость фотолюминесценции монокристалла Er3:YVO4 от магнитного поля. Фотолюминесценция возбуждается лазером длиной волны 487,5 нм и может быть значительно усилена магнитным полем при определенных значениях поля.
Наиболее близким по методу измерения является способ определения постоянного магнитного поля, описанный в заявке на патент РФ RU2071077 (МПК G01R 33/34, опубл. 09.07.1991), принятый за прототип.
2
2
Способ заключается в измерение параметров магнитного поля, включающий воздействие магнитным полем на активный элемент датчика и регистрацию его магнитооптических характеристик. В активном элементе датчика возбуждают сигнал экситонной фотолюминесценции и регистрируют спектр его резонансов в измеряемом магнитном поле. Определяют магнитное поле по ширине резонансов спектра. В датчике измерения магнитного поля, активный элемент в виде монокристалла TlGaS,может быть заменен монокристаллом FlGaS.
2
Одним из недостатков прототипа является то, что при проведении измерений направление магнитного поля всегда должно быть направлено параллельно нормали к слоям монокристалла TlGaS. Температура среды, в которую помещается монокристалл, должна составлять всего 2К, что является сравнительно труднодостижимой величиной. Поскольку величина магнитного поля определяется полушириной линии резонансов, то изменение температуры на небольшое значение может привести к уширению спектра, следовательно, к погрешности измерения.
Технический результат, на получение которого направлено изобретение, заключается в расширении способов и упрощении процессов бесконтактного измерения постоянного магнитного поля.
На фиг. 1 показано сечение поглощения сферической серебряной наночастицы в магнитном поле с индукцией 0-10 Тл.
0
На фиг. 2 изображена зависимость относительной частоты резонансной полосы от величины магнитного поля, где ω –резонансная частота в нулевом магнитном поле.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, достигается тем, что оптический способ измерения магнитного поля, включающий воздействие магнитным полем на активный элемент детектора и регистрацию его магнитооптических характеристик, что снимают спектр поглощения наночастиц в измеряемом магнитном поле и определяют величину индукции магнитного поля по частотному интервалу между расщепленными компонентами спектра, а  активный элемент детектора выполнен из сферических наночастиц серебра.
В основе изобретения лежат собственные теоретические исследования, которые частично описаны в публикациях: Кучеренко М.Г., Налбандян В.М.: Модификация спектра дипольной электрической поляризуемости кластера из двух проводящих сферических наночастиц во внешнем магнитном / Вестник ОГУ. 2014. № 1. Вып. 162. с. 118-126; Kucherenko M., Nalbandyan V. Absorption and spontaneous emission of light by molecules near metal nanoparticles in external magnetic field/ Physics Procedia. 2015. V.73. p. 136–142.;  Kucherenko M.G., Nalbandyan V.M. Formation of the spectral contour width of nanoparticles plasmon resonance by electron scattering on phonons and a boundary surface/ Eurasian Physical Technical Journal. 2018. V.15. No. 2(30). p. 49-57.
Изобретение можно осуществить следующим образом. Активный элемент детектора с сферическими наночастицами серебра  помещается в криогенную оптическую камеру для достижения температуры 20-40 K – только в таком случае возможно наблюдение расщепления линий спектров поглощения под действием магнитного поля. При помощи спектрофотометра, проводится измерение спектра поглощения  сферических наночастиц серебра. Источником магнитного поля служит сверхпроводящий электромагнит, позволяющий создавать поле с индукцией до 10 Тл.
B
B
.
В разрабатываемом оптическом способе измерения магнитного поля, в качестве активного элемента детектора магнитного поля используются сферические наночастицы серебра. Измеряя спектр поглощения сферических наночастиц серебра, на графике будет наблюдаться одна спектральная полоса поглощения на резонансной частоте (на частоте плазмонного резонанса). При включении постоянного магнитного поля с индукцией , в спектре поглощения, вместо одной полосы плазмонного резонанса, будут наблюдаться две компоненты, на которые расщепляется основная линия. Величина расщепления зависит от  индукции магнитного поля Измерив частотный интервал между расщепленными компонентами (полосами), можно определить величину индукции магнитного поля.
Для наблюдения в оптическом диапазоне частот расщепления спектров поглощения сферическими наночастицами серебра  должны быть соблюдены следующие условия:
11
12
-1
13
14
-1
- Частота столкновений γ электронов в металле с фононами должна принимать значения порядка 10-10с, тогда как при комнатных температурах она значительно больше: γ ~ 10-10с. Существенное изменение частоты столкновений γ в сторону ее уменьшения, возможно достичь, например, путем уменьшения температуры металла до 20-40 K.
- Кроме необходимости учета температурной зависимости частоты электрон-фононных столкновений, немаловажным является и учет зависимости от радиуса сферических наночастиц серебра. Этот  радиус должен составлять величину около 50 нм – с целью уменьшения вклада в величину γ рассеяния электронов на поверхности сферических наночастиц серебра.
В
Е
В
- Вектор индукции внешнего магнитного поля  должен быть направлен перпендикулярно вектору напряженности электрического поля  рассеиваемой световой волны. В случае когда векторы  и коллинеарны, спектральная линия становится немагниточувствительной.
Одной из основных характеристик, определяющих оптические свойства металла, является его комплексная диэлектрическая проницаемость. В постоянном магнитном поле металл приобретает анизотропные свойства, при этом скалярная диэлектрическая проницаемость становится тензорной величиной [Гинзбург В.Л., Рухадзе А.А. Волны в магнитоактивной плазме. 1975. М.: Наука.. 256 с.] так же, как и электрическая поляризуемость частицы из металла с замагниченной электронной плазмой.
α
На спектре поглощения однородных металлических наночастиц наблюдается единственная спектральная полоса на резонансной частоте, называемая частотой Ми , где  - плазменная частота металла. В магнитном поле спектральная полоса изменяется, а именно, полоса расщепляется на две одинаковые по амплитуде и форме компоненты, которые постепенно расходятся друг от друга по частотной шкале с увеличением индукции магнитного поля (фиг. 1). Такое расщепление связано с влиянием магнитного поля на траекторию движения свободных электронов в металлической плазме. Математически, это можно объяснить, проведя анализ отдельных компонент тензорного выражения электрической поляризуемости (ω) металлической наночастицы [Кучеренко М.Г., Налбандян В.М. Вестник ОГУ. 2014. № 1. Вып. 162. с. 118-126.].
Из условий минимизации (а при γ=0 – обращении в нуль) знаменателей  и  матричных элементов α(ω) формируются плазмонные резонансы. В случае вакуума  из первого резонанса получаем частоту  Ми: . Из условия  получаем две резонансные частоты :
или  ,
где  , , ;
– циклотронная (ларморовская) частота электронов в магнитном поле;
– плазменная частота электронов;
ω
–частота монохроматического электромагнитного поля;
– диэлектрическая проницаемость среды, окружающая металлическую частицу.
Из этих уравнений сразу следует , то есть основная частота плазмонного резонанса расщепляется на две компоненты, расстояние между которыми равно ларморовской частоте  (фиг. 2). С ростом индукции магнитного поля интервал разбегания компонент растет пропорционально полю.