Разработка макета системы персонального вызова

рейдет 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 мо-

мент.  Фактически РЧ-поле заставляет электроны перебрасываться

из одного более низкого состояния в другое,  "расстраивая" оп-

тическую 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 по-

ля. В магнитометре контур обратной связи управляет радиочасто-

той для поддержания минимального пропускания света.  Таким об-

разом,  частота как бы служит мерой магнитного поля.  Магнито-

метр с оптической накачкой измеряет общее магнитное поле любой

ориентации в отличие от большинства магнитометров, которые из-

меряют  только  составляющую  магнитного  поля,  лежащую вдоль

чувствительной оси.

    Чувствительность и динамический диапазон этого магнитомет-

ра подобно большинству магнитометров определяется регистрирую-

щей  электроникой.  Типичные значения чувствительности прибора

имеют предел от 10Е-14 до 10Е-6 А/м.

    Датчик имеет  большие  габариты и высокое потребление мощ-

ности (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 воз-

действие   магнитного  поля.  Протоны  в  ядрах  атомов  можно

рассматривать как малые магнитные диполи; поскольку они враща-

ются  и  обладают электрическим зарядом,  у них есть небольшой

магнитный момент, подобный в некоторых отношениях угловому мо-

менту вращающегося гироскопа. С помощью однородного магнитного

поля, создаваемого при прохождении тока через катушку, протоны

в жидкости могут быть временно выстроены в ряд.  Когда поляри-

зационный ток выключается,  происходит прецессия протонов  от-

носительно окружающего магнитного поля.  Ось спина протона, не

выстроенного постоянным магнитным полем, подобно оси гироскопа

вне линии гравитационного поля, проходит по окружности относи-

тельно линии, параллельной полю. Скорость прохождения, называ-

емая частотой прецессии, зависит от силы измеряемого магнитно-

го 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 чувстви-

тельности от 10Е-13 до 10Е-4 А/м,  а их частотный диапазон ог-

раничен 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 сверх-

проводящего   материала   то   в  нем  индуцируется  ток.  При

отсутствии возмущений ток будет протекать сколько угодно  дол-

го. Величина индуцированного тока является весьма чувствитель-

ным индикатором плотности потока поля.  Кольцо может  реагиро-

вать на изменение поля,  соответствующее долям одной квантовой

единицы магнитного потока.  При наличии в кольце тонкого пере-

хода  (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 эф-

фект магнитосопротивления максимален в полупроводнике не огра-

ниченом 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  увеличива-

ется. Другой структурой магниторезистора является пластина ши-

рина 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 использу-

ется одна длинная пластина из полупроводника с нанесенными ме-

таллическими полосками, делящими кристалл на области длина ко-

торых меньше ширины.  Таким образом,  каждая область между по-

лосками представляет собой отдельный магниторезистор.

     Магниторезисторы обладают довольно  большой  чувствитель-

ностью.  Она лежит в пределах от 10Е-13 до 10Е-4 А/м. Наиболь-

шей 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 на-

ходится область высокоомного полупроводника.  Структура и  ти-

пичная 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 - эффективн-

ная  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 вызы-

вает 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 изме-

нять воздействуя на диод магнитным полем.  Оно приводит к зак-

ручиванию движущихся носителей и их  подвижность  уменьшается,

следовательно  уменьшается и L.  Одновременно удлиняются линии

тока, т. е. эффективная толщина базы растет. Это и есть магни-

тодиодный эффект.

    Нашей промышленностью выпускается несколько типов магнито-

диодов.  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 наиболь-

шей  чувствительностью  обладают  двухколекторные магнитотран-

зисторы (ДМТ).  Структурная схема и способ включения ДМТ пока-

заны на рис. 1.10.

    ДМТ - это  четырех  электродные  полуроводниковые  приборы

планарной или торцевой топологии. Инжектирующий контакт, эмит-

тер,  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 то-

ков коллекторов и определяет величину  измеряемого  магнитного

поля. Она пропорциональна индукции магнитного поля, а знак по-

казывает 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,  напри-

мер,  в магнитных компасах.  В основном используются кремний и

германий.  Чувствительность магнитотранзисторов лежит в преде-

лах 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 магнитно-

му полю.  Сила Лоренца отклоняет дырки к верхней грани пласти-

ны,  в следствии чего их концентрация там увеличивается,  а  у

нижней грани уменьшается.  В результате пространственного раз-

деления зарядов возникает электрическое поле,  направленное от

верхней грани к нижней. Это поле препятствует разделению заря-

дов и,  как только создаваемая им сила станет равной силе  Ло-

ренца, дальнейшее разделение зарядов прекратится (рис. 1.11).

    Разность потенциалов между верхней и нижней гранями образ-

ца  равна  :

                       V = E*a = v*B*a,

    где а - ширина образца в направлении протекания тока,  B -

напряженность магнитного поля,  v - скорость носителей. Наибо-

лее существенное достоинство датчика Холла  при  измерении  им

напряженности  магнитного  поля  -  это линейность измеряемого

напряжения от индукции магнитного поля. Датчики работают в ди-

апазоне от 10Е-5 до 1 А/м.

    Датчики Холла изготавливают либо из тонких полупроводнико-

вых пластин,  либо из напыленных тонких пленок. Для изготовле-

ния используются полупроводники с высокой подвижностью носите-

лей заряда.

    1.2.10. Волоконно-оптический магнитомер.

    Волоконно-оптический магнитомер  (ВОМ)  представляет собой

новый вид датчика,  который находится еще в процессе разработ-

ки. В нем используются два стекловолоконных световода, образу-

ющих интерферометр Маха-Цандера.  Луч  лазера  проходит  через

светоделитель  в  оба  волокна  и  рекомбинирует  в сумматоре,

поступая затем на фотодетектор в конце каждого  волокна.  Один

из  световодов  либо  намотан на магнитострикционный материал,

либо покрыт им. Размеры магнитострикционного материала зависят

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