مغناطیس سنج های Optical Pumping از جمله مغناطیس سنج های بسیار دقیق هستند که از آنها برای اندازه گیری میدان مغناطیسی زمین استفاده می شود. سیستم این سنجنده ها بر اساس اصل فیزیکی رقص محوری لارمور و اثر زیمان بر فلزات قلیایی طراحی شده است.
مغناطیس سنج های Optical Pumping بر مبنای اصل فیزیکی رقص محوری لارمور (Larmor Precession) و اثر زیمان (Zeeman Effect) طراحی شده اند.
مطابق اصل فیزیکی رقص محوری لارمور، حرکت اربیتالی یک ذره باردار در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی تغییر جهت می دهد. این تغییر جهت به نحوی است که ذره باردار به سمت میدان خارجی متمایل شده و به دور آن شروع به چرخش می کند. فرکانس زاویه ای این حرکت که به آن حرکت تقدیمی (Precession) گفته می شود، دارای یک رابطه مستقیم با شدت میدان مغناطیسی خارجی است؛ بدین معنی که هرچه شدت میدان مغناطیسی خارجی بیشتر باشد، ذره باردار با فرکانس زاویه ای بالاتری به دور میدان خارجی چرخش خواهد کرد.
حرکت تقدیمی لارمور
مغناطیس سنج های Optical Pumping بر مبنای اصل فیزیکی رقص محوری لارمور (Larmor Precession) و اثر زیمان (Zeeman Effect) طراحی شده اند.
از فلزات قلیایی در طراحی مغناطیس سنج های Optical Pumping استفاده می شود. فلزات قلیایی عبارتند از لیتیم، سدیم، پتاسیم، روبیدیم، سزیم و فرانسیم. به دلیل کاربرد فلزات قلیایی در حالت گازی شکل، این مغناطیس سنج ها تحت عنوان مغناطیس سنج بخار قلیایی (Alkali Vapor Magnetometer) نیز شناخته می شوند. دلیل ارجحیت استفاده از فلزات قلیایی نسبت به دیگر عناصر شناخته شده در طبیعت برای طراحی مغناطیس سنج های Optical Pumping در این است که این فلزات اولین گروه عناصر جدول تناوبی را تشکیل می دهند و در لایه ظرفیت خود (خارجی ترین مدار الکترونی) تنها یک الکترون دارند و به همین دلیل برای بهره گیری از اثر لارمور برای طراحی این مغناطیس سنج ها مناسب تر هستند.
فلزات قلیایی در جدول تناوبی عناصر
دلیل ارجحیت استفاده از فلزات قلیایی نسبت به دیگر عناصر شناخته شده در طبیعت برای طراحی مغناطیس سنج های Optical Pumping در این است که این فلزات اولین گروه عناصر جدول تناوبی را تشکیل می دهند و در لایه ظرفیت خود (خارجی ترین مدار الکترونی) تنها یک الکترون دارند و به همین دلیل برای بهره گیری از اثر لارمور برای طراحی این مغناطیس سنج ها مناسب تر هستند.
هنگامی که به الکترون های لایه ظرفیت فلزات قلیایی به اندازه کافی انرژی تابانده می شود، این الکترون ها برانگیخته شده و به لایه ای با سطح انرژی بالاتر می روند. الکترون های برانگیخته شده با از دست دادن انرژی می توانند به حالت اولیه خود (حالت پایه) بازگردند. این الکترون ها به هنگام بازگشت، مقداری انرژی منتشر می کنند که طول موج این انرژی در طیف مرئی قرار می گیرد.
آرایش الکترونی فلزات قلیایی به صورت ns1 است و به همین دلیل، در لایه ظرفیت خود دارای دو سطح انرژی نسبتا برابر هستند (سطوح انرژی A1 و A2 که سطح انرژی A2 اندکی از A1 بالاتر است). الکترون لایه ظرفیت که در سطح انرژی A1 قرار گرفته، می تواند با دریافت انرژی برانگیخته شده و به سطح انرژی بالاتری (سطح انرژی B) برود. الکترون در حالت برانگیخته، پایدار نیست و به سرعت انرژی خود را از دست می دهد و به سطح انرژی پایین تری باز می گردد. به هنگام بازگشت الکترون برانگیخته شده به حاالت پایه، ذره از خود نوری را منتشر می کند که به این پدیده پمپاژ نوری (Optical Pumping) گفته می شود. نور منتشر شده در فرآیند پمپاژ نوری را می توان توسط یک فتوسل (Photocell) که یک سلول حساس نسبت به نور است، ثبت کرد. لازم به ذکر است که در هنگام بازگشت الکترون به سطح انرژی پایین تر، احتمال اینکه الکترون وارد سطح A1 شود با احتمال وارد شدن آن به سطح A2 برابر است. اگر الکترون به سطح انرژی A1 بازگردد، مجددا براگیخته شده و به سطح انرژی بالاتری می رود اما در حالتی که سطح انرژی A1 خالی از الکترون باشد، هیچ جذب انرژی ای توسط ذره صورت نمی گیرد. در صورتی که الکترون وارد سطح انرژی A2 شود، در همین سطح باقی می ماند. هرچند که وجود یک میدان مغناطیسی خارجی می تواند باعث بازگشت الکترون ها از سطح انرژی A2 به سطح A1 شود. وجود این دو سطح انرژی نزدیک به هم و ورود الکترون به یکی از آنها را می توان به اثر زیمان نسبت داد:
قرار دادن یک منبع نور درون یک میدان مغناطیسی خارجی، در خطوط طیفی این منبع شکاف هایی ایجاد می کند. در واقع، فرکانس ذره در حضور میدان مغناطیسی خارجی تغییر می کند که باید آن را با توجه به اثر این میدان خارجی تصحیح کرد. به این فرکانس تصحیح شده، فرکانس تصحیح شده لارمور (Corrected Larmor Frequency) می گویند. فرکانس تصحیح شده لارمور را می توان با توجه میزان ارسال نور ذره تعیین کرد. بدین منظور، فرکانس تصحیح شده لارمور را به هنگام ثبت کمترین میزان ارسال نور یا به بیان دیگر بیشترین تاریکی در فتوسل اندازه گیری می کنند. فرکانس لارمور برای سزیم، ۳٫۴۹۸ هرتز بر نانو تسلا است. بنابراین، اگر سزیم درون یک میدان مغناطیسی با شدت ۵۰۰۰۰ نانو تسلا قرار گیرد، انتظار می رود که فرکانس حرکت تقدیمی آن برابر با ۱۴۷٫۹ کیلو هرتز باشد. به این فرکانس، فرکانس درخواستی (Applied Frequency) گفته می شود.
اثر زیمان
مغناطیس سنج های Optical Pumping برای اندازهگیری میدان مغناطیسی زمین بدین شکل طراحی شده اند که در آنها از تغییرات فرکانسی ذره و شکاف های ایجاد شده در خطوط طیف مرئی آن استفاده شده و این تغییرات فرکانسی به میدان مغناطیسی اطراف ذره نسبت داده می شود.
با دانستن اصل رقص محوری لارمور و اثر زیمان به راحتی می توان نحوه طراحی مغناطیس سنج های Optical Pumping را شرح داد:
طراحی مغناطیس سنج های Optical Pumping به این شکل است که در آنها اتم های فلزات قلیایی همواره در یک سلول بخار تا دمای ۴۵ تا ۵۵ درجه سانتیگراد گرم می شوند تا به حالت بخار (گازی شکل) درآیند. بخار این اتم ها در سلول بخار در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی با زاویه ۲۰ تا ۷۰درجه نسبت به محور دستگاه شروع به چرخیدن حول میدان خارجی می کند. برای اینکه بتوان الکترون های اتم های موجود در سلول بخار را به حالت برانگیخته برد، سلول بخار در معرض نوری تک رنگ (Monochromatic Light) قرار می گیرد. این نور تک رنگ که در صفحه ای عمود بر محور دستگاه به صورت دایروی پلاریزه شده توسط اتم های در حال چرخش جذب می شود و در نتیجه، این اتم ها را نیز پلاریزه می کند. هنگامی که دیگر هیچ جذب انرژی ای توسط اتم های فلز قلیایی صورت نمی گیرد، فرآیند جذب تکمیل شده و سلول بخار کاملا روشن (شفاف) می شود و نور رسیده به فتوسل افزایش می یابد. به منظور ایجاد میدانی با فرکانس رادیویی در مغناطیس سنج Optical Pumping، یک سیم پیچ با پیچاندن رشته ای سیم به دور سلول بخار ایجاد شده است. از آنجا که اتم های پلاریزه شده دارای مؤلفه ای در راستای محور این میدان رادیویی هستند، به آنها فرصت گذار بیشتری داده شده و در نتیجه نور بیشتری در فتوسل به ثبت می رسد. بدین ترتیب، با چرخش اتم ها حول میدان مغناطیسی خارجی با فرکانس لارمور، این اتم ها تبدیل به مکانیزمی برای انتقال بین نور و میدان رادیویی می شوند که با ثبت این فرکانس در فرکانس سنج، امکان اندازه گیری شدت میدان مغناطیسی خارجی که در اینجا همان میدان مغناطیسی زمین است، فراهم می شود.
مدار الکترونیکی مورد استفاده در مغناطیس سنج های Optical Pumping برای ردیابی فرکانس تصحیح شده لارمور و نسبت دادن آن به تغییرات شدت میدان مغناطیسی محیط اطراف
مغناطیس سنج های Optical Pumping برای اندازهگیری میدان مغناطیسی زمین بدین شکل طراحی شده اند که در آنها از تغییرات فرکانسی ذره و شکاف های ایجاد شده در خطوط طیف مرئی آن استفاده شده و این تغییرات فرکانسی به میدان مغناطیسی اطراف ذره نسبت داده می شود.
سازوکار یک مغناطیس سنج Optical Pumping
مغناطیس سنج های Optical Pumping ازحساسیت بالایی در حد ۰٫۰۰۱ نانو تسلا برخوردارند و معمولا در کاربرد های مغناطیس سنجی هوابرد که نیازمند قدرت تفکیک بالا هستند، به کار می روند. از این سنجنده ها در مغناطیس سنجی های اکتشافی هوابرد برای مطالعه دقیق آنومالی های مغناطیسی ناشی از سنگ های رسوبی که محتوای مغناطیسی آنها کم و متغیر است، استفاده می شود.
مراجع:
[۱] https://clu-in.org/characterization/technologies/envmagnetics.cfm.
