RU2751147C1 - Optical method for magnetic field measurement - Google Patents
Optical method for magnetic field measurement Download PDFInfo
- Publication number
- RU2751147C1 RU2751147C1 RU2020138876A RU2020138876A RU2751147C1 RU 2751147 C1 RU2751147 C1 RU 2751147C1 RU 2020138876 A RU2020138876 A RU 2020138876A RU 2020138876 A RU2020138876 A RU 2020138876A RU 2751147 C1 RU2751147 C1 RU 2751147C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- frequency
- active element
- measuring
- detector
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
- G01R33/34—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
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. The invention relates to methods for measuring a constant magnetic field and can be used in the creation and operation of magnetic sensors and magnetometers. An important role in magnetometry is played by the optical method of measuring the magnetic field, which makes it possible to carry out measurements without contact.
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.Today, various methods are used to measure the magnitude (induction) of the magnetic field using the Hall effect, the Faraday effect in a magnetometer with a fiber-optic sensor, using the properties of nitrogen-vacancy centers (NV centers) in diamond, which make it possible to optically register magnetic resonance, etc.
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.Known technical solution for RF patent RU2725650 (IPC G01R 33/032, publ. 10.02.2020). The technical result is achieved in a device (magnetoplasmonic crystal - MPlK), consisting of a one-dimensional diffraction grating with a subwavelength period and deposited on it a thin layer of a noble metal with a negative real part of the dielectric constant, a thin layer of ferromagnetic metal, and a dielectric passivating layer. This type of MPLC is characterized by the possibility of excitation of surface plasmon-polaritons by the diffraction method, which makes it possible to enhance magneto-optical effects in a narrow spectral range of excitation of surface plasmon-polaritons.
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.Known technical solution for RF patent RU2694798 (IPC G01R 33/02, publ. 04.24.2018). The method for measuring the characteristics of the magnetic field in this method is that a diamond crystal with NV centers is placed in the region of the measured magnetic field, to which electromagnetic radiation in the optical range is directed, leading to spin polarization of the NV centers. To the specified crystal is applied at least once an alternating magnetic field oriented in some predetermined direction. Measure the dependence of the fluorescence signal on the magnitude of the alternating magnetic field. As a diamond sample, polycrystalline diamond with NV centers with a random orientation of the axes is used. The position of the only cross-relaxation resonance in the fluorescence signal is used to determine the projection of the measured magnetic field. The technical result is to simplify the method for measuring the characteristics of the magnetic field.
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.Known technical solution for the
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. In the article (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
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. The closest in terms of the measurement method is the method for determining a constant magnetic field, described in the patent application of the Russian Federation RU2071077 (IPC G01R 33/34, publ. 09.07.1991), taken as a prototype.
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 TlGaS2, может быть заменен монокристаллом FlGaS2.The method consists in measuring the parameters of the magnetic field, including the action of the magnetic field on the active element of the sensor and the registration of its magneto-optical characteristics. An exciton photoluminescence signal is excited in the active element of the sensor and the spectrum of its resonances in the measured magnetic field is recorded. Determine the magnetic field by the width of the spectrum resonances. In a magnetic field sensor, an active element in the form of a TlGaS single crystal2, can be replaced by FlGaS single crystal2...
Одним из недостатков прототипа является то, что при проведении измерений направление магнитного поля всегда должно быть направлено параллельно нормали к слоям монокристалла TlGaS2. 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.One of the disadvantages of the prototype is that during measurements, the direction of the magnetic field must always be directed parallel to the normal to the layers of the TlGaS 2 single crystal. The temperature of the medium in which the single crystal is placed should be only 2 K, which is a relatively difficult value. Since the magnitude of the magnetic field is determined by the half-width of the resonance line, a change in temperature by a small value can lead to a broadening of the spectrum, hence, to a measurement error.
Технический результат, на получение которого направлено изобретение, заключается в расширении способов и упрощении процессов бесконтактного измерения постоянного магнитного поля.The technical result, to which the invention is directed, is to expand the methods and simplify the processes of contactless measurement of a constant magnetic field.
На фиг. 1 показано сечение поглощения сферической серебряной наночастицы в магнитном поле с индукцией 0-10 Тл.FIG. 1 shows the absorption cross section of a spherical silver nanoparticle in a magnetic field with an induction of 0-10 T.
На фиг. 2 изображена зависимость относительной частоты резонансной полосы от величины магнитного поля, где ω0 –резонансная частота в нулевом магнитном поле.FIG. 2 shows the dependence of the relative frequency of the resonant band on the magnetic field strength, where ω 0 is the resonance frequency in zero magnetic field.
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.The problem to be solved by the claimed invention is achieved by the fact that the optical method for measuring the magnetic field, including the effect of a magnetic field on the active element of the detector and registration of its magneto-optical characteristics, which removes the absorption spectrum of nanoparticles in the measured magnetic field and determines the magnitude of the magnetic field induction from the frequency the interval between the split spectral components, and the active element of the detector is made of spherical silver nanoparticles.
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.The invention is based on its own theoretical studies, which are partially described in publications: Kucherenko M.G., Nalbandyan V.M .: Modification of the spectrum of the electric dipole polarizability of a cluster of two conducting spherical nanoparticles in an external magnetic / Vestnik OSU. 2014. No. 1. Issue. 162 s. 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.The invention can be implemented as follows. The active element of the detector with spherical silver nanoparticles is placed in a cryogenic optical chamber to reach a temperature of 20-40 K - only in this case it is possible to observe the splitting of absorption spectra lines under the action of a magnetic field. Using a spectrophotometer, the absorption spectrum of spherical silver nanoparticles is measured. The source of the magnetic field is a superconducting electromagnet, which makes it possible to create a field with an induction of up to 10 T.
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 B, в спектре поглощения, вместо одной полосы плазмонного резонанса, будут наблюдаться две компоненты, на которые расщепляется основная линия. Величина расщепления зависит от индукции B магнитного поля. Измерив частотный интервал между расщепленными компонентами (полосами), можно определить величину индукции магнитного поля.In the developed optical method for measuring the magnetic field, spherical silver nanoparticles are used as an active element of the magnetic field detector. By measuring the absorption spectrum of spherical silver nanoparticles, the graph will show one spectral absorption band at the resonant frequency (at the plasmon resonance frequency). When a constant magnetic field with induction B is switched on, in the absorption spectrum, instead of one plasmon resonance band, two components will be observed, into which the main line is split. The amount of splitting depends on the induction B of the magnetic field . By measuring the frequency spacing between the split components (stripes), you can determine the magnitude of the magnetic induction.
Для наблюдения в оптическом диапазоне частот расщепления спектров поглощения сферическими наночастицами серебра должны быть соблюдены следующие условия: To observe the splitting of absorption spectra by spherical silver nanoparticles in the optical frequency range, the following conditions must be met:
- Частота столкновений γ электронов в металле с фононами должна принимать значения порядка 1011-1012 с-1, тогда как при комнатных температурах она значительно больше: γ ~ 1013-1014 с-1. Существенное изменение частоты столкновений γ в сторону ее уменьшения, возможно достичь, например, путем уменьшения температуры металла до 20-40 K. - The frequency of collisions of γ electrons in a metal with phonons should take on values of the order of 10 11 -10 12 s -1 , while at room temperatures it is much higher: γ ~ 10 13 -10 14 s -1 . A significant change in the collision frequency γ towards its decrease can be achieved, for example, by reducing the metal temperature to 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.- In addition to the need to take into account the temperature dependence of the frequency of electron-phonon collisions, it is also important to take into account the dependence on the radius of spherical silver nanoparticles. This radius should be about 50 nm in order to reduce the contribution to the γ value of electron scattering on the surface of spherical silver nanoparticles.
- Вектор индукции внешнего магнитного поля В должен быть направлен перпендикулярно вектору напряженности электрического поля
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. One of the main characteristics that determine the optical properties of a metal is its complex dielectric constant. In a constant magnetic field, the metal acquires anisotropic properties, while the scalar dielectric constant becomes a tensor quantity [Ginzburg V.L., Rukhadze A.A. Waves in Magnetoactive Plasma. 1975. M .: Nauka .. 256 pp.] As well as the electric polarizability of a metal particle with a magnetized electron plasma.
На спектре поглощения однородных металлических наночастиц наблюдается единственная спектральная полоса на резонансной частоте, называемая частотой Ми
Из условий минимизации (а при γ=0 – обращении в нуль) знаменателей
где
ω – частота монохроматического электромагнитного поля; ω- frequency of the monochromatic electromagnetic field;
Из этих уравнений сразу следует
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020138876A RU2751147C1 (en) | 2020-11-27 | 2020-11-27 | Optical method for magnetic field measurement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020138876A RU2751147C1 (en) | 2020-11-27 | 2020-11-27 | Optical method for magnetic field measurement |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2751147C1 true RU2751147C1 (en) | 2021-07-08 |
Family
ID=76820396
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020138876A RU2751147C1 (en) | 2020-11-27 | 2020-11-27 | Optical method for magnetic field measurement |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2751147C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2071077C1 (en) * | 1991-07-09 | 1996-12-27 | Институт физики АН Азербайджанской Республики | Method for measuring parameters of magnetic field and device for its realization |
RU2071097C1 (en) * | 1993-08-19 | 1996-12-27 | ВНИИ разведочной геофизики "Рудгеофизика" | Process for measuring magnetic field by quantum magnetometer |
US20100176807A1 (en) * | 2006-08-15 | 2010-07-15 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Magnetic sensor device |
RU2601734C1 (en) * | 2015-08-12 | 2016-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Method of measuring magnetic field |
-
2020
- 2020-11-27 RU RU2020138876A patent/RU2751147C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2071077C1 (en) * | 1991-07-09 | 1996-12-27 | Институт физики АН Азербайджанской Республики | Method for measuring parameters of magnetic field and device for its realization |
RU2071097C1 (en) * | 1993-08-19 | 1996-12-27 | ВНИИ разведочной геофизики "Рудгеофизика" | Process for measuring magnetic field by quantum magnetometer |
US20100176807A1 (en) * | 2006-08-15 | 2010-07-15 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Magnetic sensor device |
RU2601734C1 (en) * | 2015-08-12 | 2016-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Method of measuring magnetic field |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Chipaux et al. | Magnetic imaging with an ensemble of nitrogen-vacancy centers in diamond | |
EP3646047B1 (en) | A magnetometer using optically active defects in a solid state material | |
US9851418B2 (en) | Diamond magnetometer | |
Hall et al. | Condensate splitting in an asymmetric double well for atom chip based sensors | |
JP5707021B2 (en) | Magnetic field measuring device | |
Wood et al. | Wide-band nanoscale magnetic resonance spectroscopy using quantum relaxation of a single spin in diamond | |
Soohoo | A microwave magnetic microscope | |
US10921394B2 (en) | Vectorial magnetometer and associated methods for sensing an amplitude and orientation of a magnetic field | |
EP3529595B1 (en) | Methods and apparatus for magnetic particle analysis using wide-field diamond magnetic imaging | |
US10890448B2 (en) | Gyrocope based on nitrogen vacancy centers in diamond | |
WO2015015172A1 (en) | Sensitive detector | |
US20100308814A1 (en) | System for high-resolution measurement of a magnetic field/gradient and its application to a magnetometer or gradiometer | |
Busaite et al. | Dynamic N 14 nuclear spin polarization in nitrogen-vacancy centers in diamond | |
Veissier et al. | Quadratic Zeeman effect and spin-lattice relaxation of Tm 3+: YAG at high magnetic fields | |
RU2570471C1 (en) | Method of determining orientation of nv defects in crystal | |
RU2601734C1 (en) | Method of measuring magnetic field | |
RU2654967C1 (en) | Method of measuring the characteristics of the magnetic field | |
RU2751147C1 (en) | Optical method for magnetic field measurement | |
Ivanov et al. | Bismuth germanate as a perspective material for dielectric resonators in EPR spectroscopy | |
RU2617293C1 (en) | Method of measuring temperature | |
Kukushkin et al. | Relationship between the giant enhancement of the Raman scattering and luminescence on nanostructured metallic surfaces | |
Bingham et al. | Optical detection of transition metal ion electron paramagnetic resonance by coherent Raman spectroscopy | |
Zapasskii | Polarimetry of regular and stochastic signals in magnetooptics | |
Charbois et al. | Mechanical detection of ferromagnetic resonance spectrum in a normally magnetized yttrium–iron–garnet disk | |
Heinrich | Radio frequency techniques |