Реферат: Разработка макета системы персонального вызова

Рассмотрим пары цезия при оптической накачке света с кру­говой поляризацией. Количество света, поглощаемое парами, из­меряется при помощи фотодетектора. Первоначально некоторые электроны в парах будут находиться в одном из низких энергети­ческих состояний и некоторые - в другом. Когда атомы поглощают фотоны света с круговой поляризацией, их угловой момент обяза­тельно меняется на единицу. Таким образом, электроны, находя­щиеся в энергетическом состоянии, отличающемся от более высо­кого состояния на единицу углового момента, будут поглощать фотоны и переходить в более высокое состояние, а находящиеся в энергетическом состоянии с таким же угловым моментом, как и в более высоком состоянии, - не будут. Поскольку некоторые фото­ны поглощаются, сила света уменьшится. Электрон, находящийся в более высоком состоянии, почти немедленно переходит в одно из более низких состояний. Каждый раз, когда электрон совершает этот переход, существует некоторая вероятность того,что он пе­рейдет в состояние, в котором невозможно поглощение света. При достаточном времени почти все электроны перейдут в такое состояние. Пар, про который тогда говорят, что произошла его полная накачка, относительно прозрачен для света.

Если затем параллельно лучу света наложить ВЧ-поле, то оно перебросит электроны, изменяя при этом их спиновый угловой мо­мент. Фактически РЧ-поле заставляет электроны перебрасываться из одного более низкого состояния в другое, "расстраивая" оп­тическую накачку. Как следствие, пар вновь начинает поглощать свет. Радиочастотные и оптические эффекты объединяются, давая особенно острый резонанс, и именно на этом резонансном явлении работает магнитометр с оптической накачкой.

Энергия, требуемая для опрокидывания спина электрона, и, следовательно, частота ВЧ-поля, зависят от силы магнитного по­ля. В магнитометре контур обратной связи управляет радиочасто­той для поддержания минимального пропускания света. Таким об­разом, частота как бы служит мерой магнитного поля. Магнито­метр с оптической накачкой измеряет общее магнитное поле любой ориентации в отличие от большинства магнитометров, которые из­меряют только составляющую магнитного поля, лежащую вдоль чувствительной оси.

Чувствительность и динамический диапазон этого магнитомет­ра подобно большинству магнитометров определяется регистрирую­щей электроникой. Типичные значения чувствительности прибора имеют предел от 10Е-14 до 10Е-6 А/м.

Датчик имеет большие габариты и высокое потребление мощ­ности (несколько ватт). Конструкция оптического магнитометра показана на рис. 1.5.

1.2.4. Ядерный прецессионный магнитометр.

В ядерном прецессионном магнитометре используется реакция ядер атомов в жидких углеводородах, например бензоле, на воз­действие магнитного поля. Протоны в ядрах атомов можно рассматривать как малые магнитные диполи; поскольку они враща­ются и обладают электрическим зарядом, у них есть небольшой магнитный момент, подобный в некоторых отношениях угловому мо­менту вращающегося гироскопа. С помощью однородного магнитного поля, создаваемого при прохождении тока через катушку, протоны в жидкости могут быть временно выстроены в ряд. Когда поляри­зационный ток выключается, происходит прецессия протонов от­носительно окружающего магнитного поля. Ось спина протона, не выстроенного постоянным магнитным полем, подобно оси гироскопа вне линии гравитационного поля, проходит по окружности относи­тельно линии, параллельной полю. Скорость прохождения, называ­емая частотой прецессии, зависит от силы измеряемого магнитно­го поля. Прецессирующие протоны генерируют в катушке сигнал, частота которого пропорциональна величине магнитного поля. Конструкция этого магнитометра показана на рис. 1.6.

Ядерный прецессионный магнитометр имеет диапазон чувстви­тельности от 10Е-13 до 10Е-4 А/м, а их частотный диапазон ог­раничен стробирующей частотой жидкого водорода.

1.2.5. СКВИД-датчик.

Сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД) является самым чувствительным датчиком магнитного поля. Это устройство основано на взаимодействии электрических токов и магнитных колебаний, наблюдаемых при охлаждении материала ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Конструкция датчика приведена на рис. 1.7.

Если линии магнитного поля проходят через кольцо из сверх­проводящего материала то в нем индуцируется ток. При отсутствии возмущений ток будет протекать сколько угодно дол­го. Величина индуцированного тока является весьма чувствитель­ным индикатором плотности потока поля. Кольцо может реагиро­вать на изменение поля, соответствующее долям одной квантовой единицы магнитного потока. При наличии в кольце тонкого пере­хода (переход Джозефсона) в нем наблюдаются колебания тока. Кольцо соединяют с ВЧ схемой, которая подает известное поле смещения и детектирует выходной сигнал. При взаимодействии двух двух волн образуется итерференционные полосы, подобно световым волнам. Подсчет полос позволяет с высокой точностью определить величину магнитного поля.

Кольцо изготавливают из свинца или ниобия диаметром несколько миллиметров. Для увеличения чувствительности его иногда включают в более крупную катушку. Диапазон измеряемых полей равен от 10Е-16 до 10Е-10 А/м.

1.2.6. Магниторезисторы.

Магниторезисторами называют полупроводниковые приборы, сопротивление которых меняется в магнитном поле. Поскольку эф­фект магнитосопротивления максимален в полупроводнике не огра­ниченом в направлении перпендикулярному току, то в реальных магниторезисторах стремятся максимально приблизится к этому условию. Наилучшим типом неограниченного образца является диск Карбино (см. рис. 1.8а).

Отклонение тока в таком образце при отсутствии магнитного поля нет и он направлен строго по радиусу. При наличии поля путь носителей заряда удлиняется и сопротивление увеличива­ется. Другой структурой магниторезистора является пластина ши­рина которой много больше длины (рис. 1.8б). Эти две структуры обладают наибольшим относительным изменением сопротивления в магнитном поле. Однако их существенным недостатком является малое абсолютное сопротивление при B=0, что обусловлено их конфигурацией. Для увеличения R применяют последовательное соединение резисторов. Например, в случае пластины использу­ется одна длинная пластина из полупроводника с нанесенными ме­таллическими полосками, делящими кристалл на области длина ко­торых меньше ширины. Таким образом, каждая область между по­лосками представляет собой отдельный магниторезистор.

Магниторезисторы обладают довольно большой чувствитель­ностью. Она лежит в пределах от 10Е-13 до 10Е-4 А/м. Наиболь­шей чувствительностью обладают магниторезисторы изготовленные из InSb-NiSb.

1.2.7. Магнитодиоды.

Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n переходом и невыпрямляющими контактами, между которыми на­ходится область высокоомного полупроводника. Структура и ти­пичная ВАХ "торцевого" магнитодиода приведена на рис. 1.9.

Действие прибора основано на магнитодиодном эффекте. В "длинных" диодах (d/L >> 1, где d - длина базы, L - эффективн­ная длина дифузионного смещения ) распределение носителей, а следовательно сопротивление диода (базы) определяется длиной L Уменьшение L вызывает понижение концентрации неравновесных носителей в базе, т. е. повышение ее сопротивления. Это вызы­вает увеличение падения напряжения на базе и уменьшение на p-n переходе (при U=const). Уменьшение падения напряжения на p-n переходе вызывает снижение инжекционного тока и следовательно дальнейшее увеличение сопротивление базы. Длину L можно изме­нять воздействуя на диод магнитным полем. Оно приводит к зак­ручиванию движущихся носителей и их подвижность уменьшается, следовательно уменьшается и L. Одновременно удлиняются линии тока, т. е. эффективная толщина базы растет. Это и есть магни­тодиодный эффект.

Нашей промышленностью выпускается несколько типов магнито­диодов. Их чувствительность лежит в пределах 10Е-9 до 10Е-2 А/м. Существуют также магнитодиоды способные определять не только напряженность магнитного поля но и его направление.

1.2.8. Магнитотранзисторы.

Существует множество типов магнитотранзисторов. Они могут быть и биполярными, и полевыми, и однопереходными. Но наиболь­шей чувствительностью обладают двухколекторные магнитотран­зисторы (ДМТ). Структурная схема и способ включения ДМТ пока­заны на рис. 1.10.

ДМТ - это четырех электродные полуроводниковые приборы планарной или торцевой топологии. Инжектирующий контакт, эмит­тер, расположен между симметричными коллекторами. Четвертый контакт - базовый. Магнитное поле в зависимости от направления отклоняет инжектированные носители к одному из коллекторов и изменяет распределение токов между коллекторами. Разность то­ков коллекторов и определяет величину измеряемого магнитного поля. Она пропорциональна индукции магнитного поля, а знак по­казывает его направление. В области слабых полей ДМТ обладает очень высокой магниточувствительностью и хорошей линейностью ампер-тесловой характеристики. Они используются в аппаратуре требующей измерения индукции и знака магнитного поля, напри­мер, в магнитных компасах. В основном используются кремний и германий. Чувствительность магнитотранзисторов лежит в преде­лах 10Е-8 до 10Е-4 А/м.

1.2.9. Датчик на эффекте Холла.

Рассмотрим пластину полупроводника р-типа через которую протекает ток, направленный перпендикулярно внешнему магнитно­му полю. Сила Лоренца отклоняет дырки к верхней грани пласти­ны, в следствии чего их концентрация там увеличивается, а у нижней грани уменьшается. В результате пространственного раз­деления зарядов возникает электрическое поле, направленное от верхней грани к нижней. Это поле препятствует разделению заря­дов и, как только создаваемая им сила станет равной силе Ло­ренца, дальнейшее разделение зарядов прекратится (рис. 1.11).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12