中国科学院物理研究所  通用实验技术公共课程

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1 中国科学院物理研究所  通用实验技术公共课程
《磁性测量》 第四讲：磁场的测量 赵同云 磁学国家重点实验室 2017年3月18日

2 声 明 本讲稿中引用的图、表、数据全部取自公开发表的书籍、文献、论文，而且仅为教学使用，任何人不得将其用于商业目的。

3 磁场的测量 1. 磁场的基、标准 2. 磁场的绝对测量 3. 磁场的相对测量 4. 磁场测量的几个实例 磁场的基、标准
3.1. 磁场线圈方法 标准测量线圈 3.2. 磁场传感器方法 4. 磁场测量的几个实例

4 标准的相关术语 [测量]标准 [计量]基准、标准 measurement standard, etalon 国家[测量]标准
国家[计量]基准 national measurement standard 国际[测量]标准 国际[计量]基准 international measurement standard 基准、原级标准 primary standard 次级标准 secondary standard 参考标准 reference standard 工作标准 working standard 传递标准 transfer standard

5 Measurement and Characterization of Magnetic Materials, Chapter 5
参考文献 《计量测试技术手册第7卷 电磁学》 《计量测试技术手册》编辑委员会编著 中国计量出版社，1996年12月第1版。 Measurement and Characterization of Magnetic Materials, Chapter 5 by Fausto Fiorillo ELSEVIER ACADEMIC PRESS, 2004

6 注意：磁场（强度）的测量 磁场强度（幅值、方向） 空间分辨 时间分辨

7 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位 导 出 顺 序 绝对单位制：三个基本量 MKSA单位制：四个基本量 s m kg A
磁场标准－1 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位 SI单位 绝对单位制：三个基本量 MKSA单位制：四个基本量 s m kg A 导 出 顺 序 N kgms2  kgm2s3A2 J Nm J s1 kgm2s3 W V kgm2s3A1 机械功率 电功率

8 1. 磁场基、标准  1.1. 磁学单位的确定：基本单位  电流单位：安[培]（A）
磁场标准－2 1. 磁场基、标准  1.1. 磁学单位的确定：基本单位 无限长 截面可忽略 电流单位：安[培]（A） 安培是一恒定电流，若保持在处于真空中相距1 米的两无限长、而圆截面可忽略的平行直导线内，则在此两导线之间所产生的力在每米长度上等于2107牛顿。 1 m 1 m 2107 N 电流 电流 

9 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位  电荷Coulomb定律 磁荷Coulomb定律 Biot－Savart定律
磁场标准－3 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位 电荷Coulomb定律 磁荷Coulomb定律 Biot－Savart定律 2107 N  有理化：k1=k2=k3=4 c0：m/s；＝1；0＝4107 H/m

10 2. 电流磁铁 2.1.1. 基础理论：依据 Ampère定律与Biot－Savart定律 电流的量纲： 电流磁铁－1 I1 dl1 r

11 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位 电荷Coulomb定律 量纲表示方法：
磁场标准－3 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位 电荷Coulomb定律 量纲表示方法： 质量：[Mass]、长度：[Length]、时间：[Time] 电荷的量纲： 电流的量纲：

12 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位 磁荷Coulomb定律 磁荷的量纲： Biot－Savart定律 电流的量纲：
磁场标准－3 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位 磁荷Coulomb定律 磁荷的量纲： Biot－Savart定律 电流的量纲：

13 磁场标准－3 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：基本单位 电荷Coulomb定律 电流的量纲： Ampère定律 Maxwell

14 1. 磁场基、标准  1.1. 磁学单位的确定：基本单位 电流单位：安[培]（A） 1、绝对测量 电流天平 固定线圈 可动线圈 电动力计
磁场标准－4 1. 磁场基、标准  1.1. 磁学单位的确定：基本单位 无限长 截面可忽略 电流单位：安[培]（A） 1、绝对测量 电流天平 固定线圈 Rayleigh型 Ayrton型 固定线圈 可动线圈 电动力计 可动线圈 2、核磁共振电流量子标准 磁

15 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：导出单位  磁通单位：韦[伯]（Wb）
磁场标准－5 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：导出单位  磁通单位：韦[伯]（Wb） 韦伯是只有一匝的环形线圈中的磁通量，它在 1 秒时间间隔内均匀地降到零时，环路内所感应产生的电动势为 1 伏[特]： 1 亨[利]的电感、通以 1 安[培]电流，电感中的磁通量为 1 韦[伯]。

16 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：导出单位  磁通密度、磁感应强度单位：特[斯拉]（T）
磁场标准－6 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：导出单位  磁通密度、磁感应强度单位：特[斯拉]（T） 1 平方米面积内，垂直均匀通过 1 韦[伯]磁通量的磁通密度等于 1 特[斯拉]： 在真空、均匀磁场中，通过电流为 1 安[培]、长度为 1 米的直导线，所受到的力最大为 1 牛[顿]时，磁通密度为 1 特[斯拉]。

17 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：导出单位  磁矩单位：安[培]平方米（Am2）
磁场标准－7 1. 磁场基、标准 1.1. 磁学单位的确定：导出单位  磁矩单位：安[培]平方米（Am2） 置于磁场中的电流回路所受到的转矩 T 等于回路的磁矩 m 与磁通密度 B 的矢量积： 截面积为 1 平方米的电流回路，通过电流为 1 安培时的磁矩。

18 1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：原理 质子旋磁比 电流量子标准 核磁共振 磁场量子标准 量子基准：质子旋磁比测量装置
磁场标准－8 1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：原理 量子基准：质子旋磁比测量装置 质子旋磁比P：质子磁矩P与其角动量LP之比。 质子旋磁比 电流量子标准 核磁共振 磁场量子标准 塞曼分裂 能级跃迁 共振吸收

19 1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：原理 强磁场标准 弱磁场标准 磁场标准－9
利用天平测量载流矩形线圈（常数x0）在磁场中的受力 电流、力、尺寸为独立于 B 的量 弱磁场标准 使用经过严格计算线圈常数的Helmholtz线圈产生磁场

20 1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：装置 强磁场基准：0.5 T ～ 1.0 T 测量载流矩形线圈在磁场中的受力：
磁场标准－10 1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：装置 强磁场基准：0.5 T ～ 1.0 T 测量载流矩形线圈在磁场中的受力： 纯净水 （球形） 直接采用质子旋磁比：共振吸收 Br.f. 质子：P＝2.675 222 099(70)  108 s1 T1 B0 fP1= MHzT1 Bm 纯净水：  P＝ 2.675 153 362(73)  108 s1 T1 f P1= MHzT1

21 共振吸收谱 NMR T2：横向弛豫时间 Bm：低频微分磁场

22 1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：装置 弱磁场基准：0.05 mT ～ 1.0 mT 计算法：Helmholtz线圈
磁场标准－11 1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：装置 弱磁场基准：0.05 mT ～ 1.0 mT 计算法：Helmholtz线圈 直接采用质子旋磁比：（核磁矩）自由进动法 纯净水 （球形） Bpolarization >> B0 Receiverr.f. Bpolarization Bpolarization B0 B0

23 自由进动谱 磁矩绕 B0 进动 Bpolarization >> B0 迅速撤掉 r.f.信号 Receiverr.f.

24 1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：装置 弱磁场标准：10 nT ～ 1.0 mT B 计算法：Helmholtz线圈
磁场标准－12 1. 磁场基、标准 1.2. 磁场基、标准的建立：装置 弱磁场标准：10 nT ～ 1.0 mT 中国 3(.65)米线圈系统 地磁场补偿系统 计算法：Helmholtz线圈 质子自由进动式磁强计： （质子）自由进动法 CODATA 2006：f P1= MHzT1 B 1 nT 1 T 1 mT 1 T 10 T f0(Hz) k M M e＝ 1.760 859 770(44)  1011 s1 T1 fe= GHzT1

25 磁场的测量 电磁测量方法的分类 测量方法 取自《计量测试技术手册》 基本测量法（绝对测量法） 量的单位的复现方法 定义测量法
直接测量法 微差法（插值法） 零位法（零值法） 替代法 完全替代法 不完全替代法 调换法（对照法） 符合法（重合法） 测量进行的方法 直接比较测量法 测量方法 正反向法（正负误差补偿法） 对称观测法 半周期偶数观测法 测量时的读数方法 内插法 外推法 补偿法 电桥法 谐振法 测量线路的原理 取自《计量测试技术手册》

26 磁场的测量 电磁测量方法的分类 绝对测量法：通过以长度、质量、时间为基本量的测量 基本测量法：测量基本量，属于间接测量
定义测量法：按照定义测量，适用于基本单位和导出单位 相对测量法：工作测量 直读测量法：直接读出被测量的数值 直接比较测量法：将被测量与已知量值的比较 传感器测量法：使用被测量相关的传感器 取自《计量测试技术手册》

27 2. 磁场的绝对测量 使用磁场基、标准装置 共振吸收方法 自由进动法 磁共振方法、力与力矩方法：强磁场 测量：频率 P1

28 3. 磁场的相对测量 直接比较法：磁场线圈方法 传感器方法：与磁场相关的传感器 传感器： 经典物理效应： 量子物理效应： 电磁感应原理
磁－电效应 磁－光效应 磁－力效应（绝对测量） 磁－弹性效应（绝对测量） 传感器： 经典物理效应： 量子物理效应： 磁共振方法 量子Hall效应 Josephson效应

29 3. 磁场的相对测量 3.1. 磁场线圈方法 标定 相对测量－1 电磁感应方法 发电机方法  U(t) B0 线圈匝数：N 线圈截面积：A
角速度：  标定 当角速度  ＝0时，磁通变化可以通过线圈移动或者转动180º实现。

30 3. 磁场的相对测量 3.2. 磁场传感器方法 相对测量－2 Hall磁场传感器：Hall效应； 电磁感应原理
MR磁场传感器：各种MR效应； 磁－光？磁－热？磁－力？ 磁共振？磁－电 电磁感应原理 磁－电效应方法 磁－光效应方法 磁－热效应方法 磁共振方法 以某种方式对磁场敏感的器件WH(t, P, T)，使得线性关系成立 注：广义地，所有磁场测量方法都是通过具有感应磁场能力的装置完成的，因此也都可以称为磁场传感器。

31 磁场－电（流）效应 磁电效应－1 磁场－电流纵向效应： Thomson 效应 z y B0 x Ux Ix Uz Uy
磁场－电流横向效应：Hall 效应

32 Hall效应磁场传感器 Hall效应：E. H. Hall，1879年
磁电效应－2 Hall效应磁场传感器 Hall效应：E. H. Hall，1879年 E. H. Hall, Amer. J. Math., 2 (1879), 287 x y z Ix B0 L b d UHall

33 Hall系数 载流子浓度 n 的典型值 半导体本征载流子 Si 1.451010 /cm3 Ge 2.4 1013 /cm3 GaAs
CODATA 2006： e=1.602 176 487(40)1019 C ～1.0 1016 /cm3 d＝1.0 mm Ix＝1.0 mA GaAs本征半导体

34 载流子浓度、温度、禁带宽度 A=1017 cm3 1.0 eV 2.0 eV 3.0 eV 4.0 eV Eg

35 von Klitzing常数： RK＝25 812.807 (1  0.2  10-6) 
磁电效应－3 关于Hall效应的术语 Hall效应：E. H. Hall，1879年 Hall效应 Hall effect 反Hall效应 inverse Hall effect 反常Hall效应 anomalous Hall effect 分数量子Hall效应 fractional quantum Hall effect von Klitzing常数： RK＝ (1  0.2  10-6)  整数量子Hall效应 integer quantum Hall effect

36 Hall效应磁场传感器 Hall效应磁场传感器件 磁电效应－4 定标：标定K 调零：UResistive 温度补偿 U’ B 已经达到商品化

37 磁场－电流纵向效应 ？ 磁电效应－5 一般磁致电阻效应 OMR 各向异性磁致电阻效应 AMR 巨磁致电阻效应 GMR 庞磁致电阻效应 CMR
磁致隧道电阻效应 TMR ？ V I B0 问题： 非线性响应 磁场饱和 x y z

38 线圈电阻 OMR、AMR的特性 R R R H

39 GMR、TMR 灵敏度、标定、测量范围 MR(%)   H 

40 CMR 温度稳定性 MR(%) T

41 MR ： 磁电阻效应；磁致电阻效应；磁场电流效应
关于术语的讨论 磁阻、磁电阻、磁致电阻、磁场电流效应 分类 术 语 名 称 符号 术 语 定 义 单位 电路 电阻 resistance R 电压与相应电流的比值  电导 conductivity S 电阻的倒数1/R 磁路 磁阻 reluctance Rm 磁通势与相应磁通的比值 H－1 磁导 permeance  磁阻的倒数1/Rm H magnetoresistance（MR）：磁场导致的电阻变化，也称为Thomson－Gauss效应（磁场电流纵向效应） MR ： 磁电阻效应；磁致电阻效应；磁场电流效应  磁阻

42 注：：基准；：可以；：量程；：响应；：不确定；：介绍； ：？
4. 磁场测量的几个实例 各种磁场测量装置的测量能力注 弱稳恒磁场 强稳恒磁场 脉冲磁场 永磁磁体 梯度磁场 核磁共振   ？ 线圈 Hall片 MR 磁通门 SQUID 电流常数 磁光效应 注：：基准；：可以；：量程；：响应；：不确定；：介绍； ：？

43 4. 磁场测量的几个实例 4.1. 磁通门磁强计：fluxgate magnetometer
利用变压器的电磁感应效应，通过铁芯将环境磁场调制为交流激励电流的偶次谐波感应电动势，实现对环境磁场的测量。

44 4.1. 磁通门磁强计 变压器－理想变压器 磁通门－1 变压器 理想变压器 铁芯远离饱和区；磁致伸缩效应可以忽略 初级线圈 匝数：N
S  匝数：N 初级线圈 没有数学还真不行！

45 磁通门－2 4.1. 磁通门磁强计 实际工作中的变压器

46 4.1. 磁通门磁强计 实际工作中的变压器 磁通门－3 0(t)：由初级线圈感生的电动势，含有奇次谐波分量
ext(t)：由环境磁场感生的电动势，含有偶次谐波分量

47 变压器次级电动势的表达式 整理

48 4.1. 磁通门磁(场)强(度)计 磁通门 磁通门－4 一般情况，环境磁场随时间缓慢变化，则
这种与变压器相伴生的现象，对于环境磁场来说就好像是一道“门”，通过这道“门”，环境磁场被调制成偶次谐波感应电动势。这种现象称为磁通门现象，相应的电动势称为磁通门信号。

49 4.1. 磁通门磁强计 磁通门磁强计的使用 磁通门－5 双铁芯探头，初级线圈反向串联，感应线圈同向串联。
1、理论上，没有灵敏阈极限：10－11 T ～ 10－12 T； 2、技术上，抑制噪声是提高分辨力的关键； 3、具有矢量响应特性，多探头系统； 4、强场测量范围存在原理性限制，有待提高； 5、仪器的带宽：< 1000 Hz； 6、多功能：测场、测角、测电

50 Superconducting QUantum Interference Device
4. 磁场测量的几个实例 4.2. 超导量子干涉器件 SQUID Superconducting QUantum Interference Device 利用环境磁场对Josephson结中两个超导体的电子波函数位相的调制作用，实现对环境磁场的测量。一般有DC SQUID（双或者多Josephson结）和RF SQUID（单Josephson结）两种类型。

51 4.2. 超导量子干涉器件 Josephson效应与Josephson结 SQUID－1 Josephson结 S O j
超导体/绝缘体/超导体 Josephson隧穿 Cooper对穿过绝缘体形成电流 Josephson电流 V＝0时，穿过结的直流电流 DC Josephson效应 V＝0时，有直流隧穿电流并且存在最大超流电流；最大超流电流随外加磁场呈现周期性振荡调制。 AC Josephson效应 V＝V0，有高频振荡电流，频率为qV0/ħ； Josephson干涉器件 由超导体连接的（多个）Josephson结所构成的环 Josephson结 S O j V B Nb/Al2O3/Nb Pb/Al2O3/Pb

52 4.2. 超导量子干涉器件 磁通量子0 magnetic flux quantum 孤立Josephson结的最大电流_电压_磁场关系
SQUID－2 4.2. 超导量子干涉器件 磁通量子0 magnetic flux quantum 孤立Josephson结的最大电流_电压_磁场关系 B ＝ 0 B  0 V ＝ 0 Fraunhofer衍射公式 V  0

53 4.2. 超导量子干涉器件 磁通量子化 SQUID－3 闭合超导回路中的磁通量是量子化的
通过超导环的环境磁场本身的磁通量是连续的。而Josephson结超导时所感受到的磁通量是量子化的。 超导体的宏观量子化效应

54 4.2. 超导量子干涉器件 DC SQUID 与 RF SQUID SQUID－4 DC SQUID双结，直流 RF SQUID 单结，射频
B RF SQUID 单结，射频 B

55 磁通量子 方形环 1.0 m2 1.0 mm2 1.0 m2

56 SQUID的应用：磁通计 Scanning SQUID Microscopy (SSM) SQUID－5 YBCO Floppy disk
Strength Magnetic Field Quanztied Field

57 MPMS：magnetic property measurement system
SQUID－6 SQUID的应用：磁通计 MPMS：magnetic property measurement system 详见电磁感应原理部分 超导量子磁强计 SQUID Magnetometer DC SQUID RF SQUID MPMS（RF） 磁通变换器

58 4. 磁场测量的几个实例 4.3. 电流_磁场常数－超导磁体的磁场测量
利用无铁芯线圈中磁场与电流的线性关系，通过已知的比例系数实现磁场的控制与测量。 磁场 H 超导磁体 Helmholtz线圈 螺线管 超导磁体的磁场：r 固定  电磁铁的磁场：r 变化 ? 电磁铁 电流 I

59 Magneto-optical Magnetometer
4. 磁场测量的几个实例 4.4. 磁光效应磁强计 Magneto-optical Magnetometer 磁场使得物质的电磁性质发生改变，从而使得光的传输特性也发生变化，利用这种效应实现磁场的测量。一般利用磁光效应（透射式Faraday效应；反射式Kerr效应）和磁致伸缩效应。

60 磁光效应 magneto-optical effect
磁光效应－1 4.4. 磁光效应磁强计 磁光效应 magneto-optical effect 效 应 名 称 光束方向 工作物质 现象 关系式 原理 Faraday 平行于磁场 透明体 偏振面旋转 F＝vlB 旋磁 Kerr 极向、纵向、横向 反射膜 K＝KKM Zeeman 纵向、横向 透光体 光谱线劈裂 能级劈裂 Voigt 垂直于磁场 蒸气 磁致双折射 lB2 Cotton－Mouton 液体 ＝clB2 MCD 平行于 M 铁磁体 对两个偏振光的吸收不同 吸收 MLD 垂直于 M 实际上，仅仅利用这些效应都很难制成实用的磁场测量工具

61 4.4. 磁光效应磁（场）强（度）计 光纤磁场强度计 磁光效应－2 磁致伸缩式：单模光纤的折射率和长度发生变化
k：波数；l：光路长度；n：折射率； S(B)：磁场B引起的纵向应变 磁致伸 缩材料 光纤 适用于弱磁场：10－16 T（1 km） 干涉仪测量

62 磁致伸缩式 直接测量：位移测量 磁场 磁致伸 缩材料 磁致伸 缩材料 光杠杆 电阻应变片 平板电容器

63 4.4. 磁光效应磁（场）强（度）计 光纤磁场强度计 磁光效应－3 受力式：多模光纤的相位或者光强发生变化 需要标定磁场－相位（光强）系数
导电材料 电流 I 适用于弱磁场：10－15 T（理论） 干涉仪测量

64 4. 磁场测量的几个实例 4.5. 原子磁强计 Atomic Magnetometer 基本原理：Zeeman效应
磁共振（resonant absorption） 光泵浦（optically pumped） 偏振状态（polarization）

65 4.5. 光泵浦磁强计 1、起源：磁共振方法的磁场测量范围 光泵浦－1
纯净水：  P＝ 2.675 153 362(73)  108 s1 T1 f P1= MHzT1 f P1= HzT1 自由电子： e＝ 1.760 859 770(44)  1011 s1 T1 fe= GHzT1 fe= kHzT1

66 4.5. 光泵浦磁强计 2、方案－1：流动水磁强计 仍然基于（质子）自由进动方法（E. M. Purcell） 光泵浦－2
Flowing-water magnetometer 仍然基于（质子）自由进动方法（E. M. Purcell） B0 r.f. source r.f. detector BP N 水泵 S 水

67 4.5. 光泵浦磁强计 2、方案－1：流动水磁强计  光泵浦－3 Christopher Sherman, 1959
High-precision measurement of the average value of a magnetic field over an extended path in space Review of Scientific Instruments, 30 (7) (1959)  非（磁）极化！

68 4.5. 光泵浦磁强计 2、方案－1：流动水磁强计  光泵浦－4
C. G. Kim, K. S. Ryu, B. C. Woo, and C. S. Kim, 1993 Low magnetic field measurement by NMR using polarized flowing water IEEE Transactions on Magnetics, 29 (6) (1993)  （磁）极化！

69 4.5. 光泵浦磁强计 2、方案－1：流动水磁强计  光泵浦－5
J. M. Pendlebury, K. smith, P. Unsworth, G. L. Greene, W. Mampe Precision field averaging NMR magnetometer for low and high fields, using flowing water Review of Scientific Instruments, 50 (5) (1979) 

70 4.5. 光泵浦磁强计 2、方案－2：Overhauser磁强计    光泵浦－6 A. Overhauser, 1953
Polarization of nuclei in metals Physical Review, 92 (2) (1953)  开山之作 扛鼎之作 H. G. Beljers, L. van der Kint, J. S. van Wieringen, 1954 Overhauser effect in a free radical Physical Review, 95 (6) (1954) 1683.  I. Solomon, 1955 Relaxation processes in a system of two spins Physical Review, 99 (2) (1955) 

71 （hyperfine interaction）
光泵浦－7 4.5. 光泵浦磁强计 2、方案－2：Overhauser磁强计 T. R. Carver, C. P. Slichter, 1956 Experimental verification of the Overhauser nuclear polarization effect Physical Review, 102 (4) (1956)  ～660 超精细相互作用 （hyperfine interaction） （核磁矩）偶极相互作用 （dipole interaction）

72 4.5. 光泵浦磁强计 2、方案－3：ESR磁强计   为什么不直接用ESR测量磁场？ 共振线宽：太宽！ 自旋－自旋相互作用：最小化！
光泵浦－8 4.5. 光泵浦磁强计 2、方案－3：ESR磁强计  fe= kHzT1 为什么不直接用ESR测量磁场？  共振线宽：太宽！ 自旋－自旋相互作用：最小化！ 自由电子 自由原子 与ESR的本意完全相反 孤立的！未成对电子！

73 4.5. 光泵浦磁强计 2、方案－3：ESR磁强计  自由电子 光泵浦－9 Francis Hartmann, 1972 综述
Resonance magnetometers IEEE Transactions on Magnetics, 8 (1) (1972) 综述 D. Duret, M. Moussavi, M. Beranger, 1991 Use of high performance elecron spin resonance materials for the design of scalar and vectorial magnetometers IEEE Transactions on Magnetics, 27 (6) (1991)  例子 hexafluorophosphate fluoranthenyl radical (FA)2PF6 六氟磷酸 丙[二]烯合茀基 自由电子 绝对测量：？

74 4.5. 光泵浦磁强计 2、方案－3：ESR磁强计   自由原子 光泵浦磁强计的开始 光泵浦－10
H. G. Dehmelt, 1957 Slow spin relaxation of optically polarized sodium atoms Physical Review, 105 (5) (1957)  H. G. Dehmelt, 1957 Modulation of a light beam by precessing absorbing atoms Physical Review, 105 (6) (1957) 

75 4.5. 光泵浦磁强计 2、方案－4：原子磁强计  Na @ Ar 蒸气磁强计 原子磁强计 光泵浦磁强计 磁共振磁强计 光泵浦－11
W. E. Bell, A. L. Bloom, 1957 Optical detection of magnetic resonance in alkali metal vapor Physical Review, 107 (6) (1957)  probe Ar 蒸气磁强计 原子磁强计 光泵浦磁强计 磁共振磁强计 pump

76 4.5. 光泵浦磁强计 2、方案－4：原子磁强计  3S1 He4 @ He4 光泵浦－12
F. D. Colegrove, P. A. Franken, 1960 Optical pumping of helium in the 3S1 metastable state Physical Review, 119 (2) (1960)  r. f. 3S1 He4 pump 0

77 4.5. 光泵浦磁强计 3、原理与检测方法 3S1 He4 @ He4 0：如何检测？ 光泵浦－13 D0 1.083 m
pumping mJ ＝  1 B0 0：如何检测？

78 4.5. 光泵浦磁强计 3、原理与检测方法 0：如何检测？  经典磁共振方法：Pr.f. ～   透射光强度 ～ 
光泵浦－14 4.5. 光泵浦磁强计 3、原理与检测方法 0：如何检测？  经典磁共振方法：Pr.f. ～   透射光强度 ～  单光束 交叉光束 自动振荡模式  偏振态 ～ 

79 4.5. 光泵浦磁强计 3、原理与检测方法  全光学模式 87Rb @ Ar 光泵浦－15
J. M. Higbie, E. Corsini, D. Budker, 2006 Robust, high-speed, all-optical atomic magnetometer Review of Scientific Instruments, 77 (1960)  Ar

80 H钟、Cs钟、Ca钟、Sr钟 基本单位秒的定义： 中国NIM：NIM5 （2007年） 不确定度：31015 /d
光速： m/s 600 s：？ Rep. Prog. Phys., 70 (2007)

81 4. 磁场测量的几个实例 4.6. 脉冲磁场的测量 Measurement of pulsed magnetic field
磁共振（自旋、电荷） 磁光Faraday效应（偏振） 磁电效应（电阻） 4.7. 梯度磁场的测量 Measurement of gradient magnetic field

82 磁矩、磁场、磁通及其测量 从定义出发理解测量的含义 磁 通 磁通密度（磁感应强度 ）B 磁场的强度 磁矩 m：表示物质磁性强弱 磁场强度 H
磁 通 磁通密度（磁感应强度 ）B 磁场的强度 磁矩 m：表示物质磁性强弱 磁场强度 H   表示磁场强弱程度 磁化强度 M 单位体积内的磁矩，表示磁化的强弱程度

83 小结：磁场、磁场的产生与测量 磁场：磁矩（电流）在空间产生的（力）场的分布 The End 磁场的产生 磁场的测量 永久磁铁  
电流磁铁 载流线圈 超导磁体 脉冲磁场 电磁铁 各种磁共振 SQUID 电磁感应 磁场电流效应 磁场光效应 The End