Soorten magnetometers

Deze gids op hoog niveau introduceert veelvoorkomende typen magnetometers, waaronder scalair, vector, gradiënt en meer.

In een vorig artikel hebben we de basisprincipes van magnetometers en enkele van hun belangrijkste toepassingen geïntroduceerd. Vandaag gaan we een stap verder en bekijken we de meest voorkomende typen magnetometers.

Scalaire magnetometers

Scalaire magnetometers voeren een nauwkeurige meting uit van de numerieke waarde van het magnetische veld. Elk type is gebaseerd op verschillende fysieke fenomenen:

• Zaleffect: Voel de spanning die over een elektrische geleider wordt geïnduceerd bij het aanleggen van een magnetisch veld, kan perfect worden gebruikt om magnetische velden te meten
• Protonenprecessie (PPM): Maak gebruik van kernmagnetische resonantie om de resonantie van protonen in het magnetische veld te meten, door de spanning te meten die in een spoel wordt geïnduceerd vanwege hun heroriëntatie
• Overhauser: Vergelijkbaar met het Hall-effect en proton-precessie-magnetometers, maar gebruik radiofrequentiesignalen om de elektronenspins te polariseren

Een Overhauser-magnetometer voor geofysische toepassingen. Afbeelding gebruikt met dank aan Gem System

Vector magnetometers

• Inductief: Meet het dipoolmoment van sommige deeltjes door de stroom te meten die in sommige detectiespoelen wordt geïnduceerd nadat het monster is onderworpen aan een wisselend magnetisch veld
• Fluxgate: Samengesteld uit een magnetische ringkern met minimaal twee spoelwikkelingen:de aandrijfwikkeling en de voelwikkeling

Fluxgate magnetometers wikkelingen. Afbeelding met dank aan het Imperial College London

• Zaleffect: Genereer een spanning die evenredig is met het magnetische veld en geef informatie over de module en richting; veel gebruikt voor detectietoepassingen in plaats van voor het karakteriseren van magnetische materialen
• Micro-elektromechanisch systeem (MEMS): Detecteer de beweging van een resonerende structuur met optische middelen op microscopische schaal

MEMS-magnetometers zijn goedkoop en toegankelijk. Afbeelding gebruikt met dank aan Sparkfun Electronics

Gradient magnetometers

Hoewel elke gradiëntmagnetometer een beetje anders is, heeft elk ongeveer dezelfde elementen. Ten eerste hebben ze een apparaat nodig om een ​​bekend magnetisch veld op te wekken, dat afwisselend of constant kan zijn. Ten tweede hebben gradiëntmagnetometers een bron nodig voor een wisselend gradiëntveld. Ten slotte hebben ze ook een elektronisch of optisch middel nodig om de resulterende kracht te detecteren en te meten.

Ze hebben ook allemaal een resonantiewerking, dus de magnetische samples bewegen rond hun resonantiefrequentie wanneer de maximale amplitude is bereikt.

Een ander relevant aspect van magnetometers is de oriëntatie van het magnetische veld. In sommige magnetometers, zoals die van Zijlstra, waren het wissel- en gelijkstroomveld zowel uitgelijnd als verticaal georiënteerd. In de magnetometer van Foner daarentegen trilt het monster loodrecht op het magnetische veld, wat de complexiteit van de benodigde opstelling vermindert.

Trillende rietmagnetometer

Zijlstra introduceerde in 1970 een van de eerste alternerende gradiënt-magnetometers. Het was bedoeld om de beperkingen van eerdere magnetometers te overwinnen en de volledige hysteresecurve van magnetische materialen te meten.

De reed-magnetometer bestaat uit een dunne draad met aan het uiteinde een vrij klein te karakteriseren monster. Er zijn twee spoelen in serie tegengesteld of differentieel gekoppeld om een ​​veldgradiënt te creëren. Dit veld creëert een kracht op het monster, en dus een trilling van het riet. Omdat de beweging heel subtiel is, wordt de frequentie gelijk gesteld aan de mechanische resonantie van het riet, zodat de beweging versterkt en gemakkelijker te detecteren is. De beweging van het riet wordt waargenomen met behulp van een microscoop en een stroboscooplamp. Wanneer de stroom door de spoelen constant is, is het magnetische veld dat ook; de beweging die we meten is evenredig met het magnetische moment van het monster.

Het meest opvallende verschil tussen de magnetometers van Zijlstra en de vorige is de gevoeligheid en ook het vermogen om magnetische materialen volledig te karakteriseren. Om volledige magnetische karakterisering te hebben, moeten monsters erg klein zijn om onvolkomenheden te voorkomen. Het probleem is dat magnetometers die monsters met de grootte van microns kunnen karakteriseren alleen enkele magnetische eigenschappen kunnen karakteriseren, zoals de remanentie of de gevoeligheid, maar niet de volledige hysteresecyclus .

Trillende monstermagnetometers (VSM)

De meeste apparaten die het magnetische moment meten, hebben een detectiespoel die horizontaal is uitgelijnd met de spoelen die een wisselend magnetisch veld genereren.

Vibrerende monstermagnetometers (VSM), uitgevonden door Foner in 1959, introduceerden de nieuwigheid dat de monsterbeweging loodrecht op het aangelegde magnetische veld staat. Foner verminderde de complexiteit van de opstelling en vermijdde harde aanpassingen aan de magneten.

VSM's zijn aanwezig in veel laboratoria en zijn in de handel verkrijgbaar.

Een commerciële vibrerende monstermagnetometer (VSM). Afbeelding met dank aan Microsense

Gecombineerde wisselveldmagnetometers

Er is een derde categorie magnetometers die kenmerken van de vorige combineert; het zijn zogenaamde gecombineerde magnetometers. Ze gebruiken nog steeds twee magnetische velden; in plaats van slechts één wisselveld en een ander constant veld toe te passen, passen ze echter twee wisselvelden toe. Het grootste voordeel is de karakterisering van monsters in AC, maar ook in DC, in vergelijking met VSM's of andere magnetometers die beperkt zijn tot DC-velden.

Andere magnetometers genereren een magnetisch veld met een frequentie die gelijk is aan de mechanische resonantiefrequentie van het monster. Gecombineerde magnetometers wekken twee magnetische velden op waarvan het verschil gelijk is aan de resonantiefrequentie. Omdat een van de magnetische velden op 0 Hz kan worden ingesteld, kan deze perfect werken als een traditionele gradiëntmagnetometer. Wanneer beide frequenties worden gevarieerd, werkt het apparaat als een susceptometer en meet het de harmonischen van de hoogste orde van het magnetische moment. Dit type magnetometer is in 2015 uitgevonden door onderzoekers van de Technische Universiteit van Madrid.