【論文關鍵詞】：磁力儀；光泵；超導SQUID；原子
【論文摘要】：對磁力儀未來發展進行了展望。重點介紹了：1.光泵磁力儀及其光源和共振元素的選擇與設計2.超導技術的進步推動了超導量子干涉磁力儀的發展3.對處於研究、探索階段的原子磁力儀進行了關注。
引言
目前，在空間、海洋、勘探、在醫院和其它實驗室中廣泛的應用著各種磁力儀，用於測量地磁場以及生物磁場。在這些領域，新型的光泵磁力儀、超導磁力儀（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）；以及處於研究、試驗階段的固體電子自旋共振磁力儀（Electron Spin Resonance ,ESP）、原子磁力儀（Atomic Magnetometer, AM）必將以其超高的精度擔負起越來越重的任務。
過去測量磁場強度的單位是奧斯特(Oersted,Oe)，採用和推廣國際單位制(SI)以後，測量磁 感 應 強度( 磁 通量密度)的 單 位 是 特 斯 拉(Tesla,T)或高斯(Gaus ,Gs)。 它們之間的對應關係為1nT= 10-9 T = 1gamma(γ)。特 斯 拉的換算關係為:1T(特斯拉)= 109nT (納特)=1012pT(皮特)=1015fT(飛特)=1018aT(阿特)［1］。
磁場強度曾經用過T、F、Be等幾個符號表示，許多文獻中曾採用F、Be。文章中為了規範、清晰採用國際標準單位T。
１.光泵磁力儀
光泵磁力儀是高靈敏的磁測裝置。它是以某些元素的原子在外磁場中產生的蔡曼分裂為基礎，並採用光泵技術與磁共振技術研製成的。
按照量子理論，在外磁場T中，具有自旋的亞原子粒子（如核子和電子）能級簡併（degeneracy）解除，分裂為一些磁次能級（或稱為蔡曼能級），在光譜上的表現，就是譜線分裂，這就是蔡曼效應，蔡曼因此獲得1902(第二屆)諾貝爾物理學獎。分裂的能級間的能量差一般與外界磁場成正比。當粒子在分裂的能級間發生躍遷時，就會發射或吸收電磁波，其頻率與磁次能級間的能量差成正比，測定這個電磁波的頻率，即可測定磁場。
光泵磁力儀是目前實際生產和科學技術應用中靈敏度較高的一種磁測儀器。它靈敏度高，一般為0.01nT量級，理論靈敏度高達10－２-10－４nT;響應頻率高，可在快速變化中進行測量;可測量地磁場的總向量T及其分量，並能進行連續測量。
光泵磁力儀的種類甚多。按共振元素的不同，可分為氦（He）光泵磁力儀和鹼金屬光泵磁力儀，共振元素有氦（He4）、銣（Rb85、Rb87）、銫（Cs133）、鉀（K39）、汞（Hg）等。對鹼金屬而言，受溫度影響較大，如銫（Cs133）元素在恆溫430C左右，方可變成蒸汽狀態，而只有在蒸汽狀態時才能產生光泵作用。對He3、He4而言，因其本身是氣體狀態，無需加熱至恆溫，只需將它激勵使其處於亞穩態，就能產生光泵作用。這些條件在設計與製造儀器時，必須予以重視。
光泵磁力儀未來的發展水平，主要取決於光泵光源及共振元素的發展程度。法國曾用可調諧的鐳射器代替常規的氦燈製成光泵磁力儀，由於譜線的選擇性較好，鐳射又比氦燈的光要強，因此提高了磁力儀的靈敏度，達到10pT/Hz1/2。美國的m博士利用二極體鐳射器作為氦同位素光泵磁力儀的'光源，並申請了專利，與氦燈光源相比，靈敏度提高一個量級。最新的鐳射光泵氦（He4）磁力儀的靈敏度已突破１PT/Hz1/2的界限，達到0.4 PT/Hz1/2，而用高頻激發的燈室作為光泵的光源的氦４航空磁力儀達到了20pT/Hz1/2的靈敏度［2-3］。在共振元素的選擇上，為了提高精度，需要選擇譜線較窄的物質，鹼金屬符合譜線窄的要求，但需要一定的溫度（40-55℃）加熱為氣態。現在已經有很多利用鹼金屬製成的磁力儀，前不久問世的鉀磁力儀，由於譜線很窄又不重疊，方位誤差很小，維修方便，解析度達到0.1pT，在取樣率為20Hz時，靈敏度可達到0.014nT。因此鉀光泵磁力儀在光泵磁力儀中佔有優勢地位。當然隨著靈敏度，取樣率的提高，其價格也顯著提高。
２.超導量子干涉磁力儀