Как показали исследования, ряд эффектов криогенной техники может быть с успехом использован для совершенствования кванто - зых преобразователей [Л. 35—37]. С бурно развивающейся техникой низких температур в настоящее время связывают будущее вычисли­тельных машин, которые оказываются более совершенными и надеж­ными, если их выполнить, например, на основе миниатюрных пере­ключателей, криотронов, работающих іпри температуре жидкого ге­лия (4° К).

Охлаждение обычного рабочего вещества преобразователей в ви­де спирта, воды, толуола и т. п. мало эффективно, так как с пони­жением температуры растет вязкость и уменьшается время спин - спиновой релаксации вещества. Длительность сигналов свободной прецессии в кристаллическом состоянии рабочего вещества оказы­вается очень малой из-за значительной внутренней анизотропии по­лей, так как в твердых телах с малой подвижностью частиц на ядра могут действовать неусредняющиеся, почти постоянные, поля сосед­них ядер. Это в свою очередь приводит в кристаллах к изменению резонансных частот отдельных спинов и к значительному увеличе­нию ширины линии. В связи с этим особый интерес представляют рабочие вещества, обладающие в охлажденном состоянии приемле­мыми значениями постоянных времени 7 и Г2.

Наряду с хорошо известными достоинствами датчиков протон­но-прецессионных преобразователей, основанных на высокой стабиль­ности гиромагнитного отношения ядер и возможности точного изме­рения частоты, приходится отмечать их недостатки, связанные глав­ным образом со сравнительно небольшим отношением сигнала к шуму и дискретностью измерений порядка 2—5 сек, с необходи­мостью затрачивать значительную мощность на поляризацию.

Использование глубокого охлаждения элементов датчика при­водит к следующим явлениям [Л. 36]:

1) возрастает амплитуда сигнала свободной прецессии за счет увеличения в соответствии с законом Кюри ядерной магнитной вос­приимчивости;

2) понижается уровень шумов в связи с уменьшением темпера­туры и сопротивления обмотки датчика;

3) при достижении во время поляризации сверхпроводимости потери на джоулево тепло. исчезают, поэтому величина напряжен­ности поля поляризации может быть увеличена по сравнению с обыч­ными датчиками.

Явление сверхпроводимости при глубоком охлаждении может и не достигаться, но и в этом случае наблюдается улучшение харак­теристик датчика, хотя и в меньшей степени. Перечисленные факто­ры, действующие при понижении температуры, способствуют увели­чению интенсивности сигнала. и отношения сигнал/шум.

Остановимся кратко на количественной стороне вопроса.

Амплитуда э. д. с. сигнала в начальный момент после выклю­чения поляризующего поля (для случая достаточно длинной катуш­ки, погруженной в жидкость, содержащую ядерные магнитные моменты) может быть вычислена по следующей формуле і[Л. 36], вы­текающей из приведенной в § 1-3 формулы для э. д. с. протонно­прецессионного преобразователя при / = 0, /і = оо, т. е. длительной поляризации и начального момента формирования э. д. с. прецес­сии, а также при использовании развернутого соотношения для ядерной намагниченности, выраженной через константы I, N0, h, k, у и абсолютную температуру. В этой формуле принята равной еди­нице постоянная С (идеальное выключение поля

Отсюда легко получить отношение ас. п амплитуды сигнала пре­цессии при низкой температуре к амплитуде сигнала при нормальной температуре с учетом изменения рабочего вещества (индекс Т будет в дальнейшем приписываться к величинам при низкой температуре, а индекс 0—при нормальной температуре):

_ Ё, т иртт° (Л + 1) Л о 9.

Е00 ~Нр, Тт д^2 (/2+1)/2

Так как Ni = pt/Ai, где рг — есть плотность вещества, ядра ко­торого дают сигнал прецессии, а А,—атомный вес, то

£ст НрТТр pt Л2 (/1-f-1) /і _

£С0 р2 л, (/а+ 1)/а1 ’

Найдем отношение начальных амплитуд сигнала соответственно для воды при нормальной температуре и жидкого водорода и для воды и жидкого гелия Не3, ядра которого обладают магнитным моментом [Л. 54, 55].

Для случая воды поляризующее поле обычно не превышает 8 000 а/м. Увеличение поля связано с резким возрастанием джоулевых потерь. При низких температурах с учетом сверхпроводимости созда­ются поля порядка 4-Ю6 а’м и более. Тогда Ян///На0 —500. Сопо­ставляемые температуры равны соответственно 300 и 20° К; тогда Tj/Tq = 15. Отношение гиромагнитных отношений и атомных весов

равно единице, отношение плотностей порядка единицы, так как в воде плотность водорода составляет 2/18 = 0,11, а плотность жидко­го водорода — 0,1. Тогда для, воды и жидкого водорода в соответст­вии с формулой (3-3) ан2о—н'2 = 7 500.

Для случая воды и жидкого гелия Не3 отношение температур равно 75. Гиромагнитные отношения относятся так же, как магнит­ные моменты, так как спины протона и ядра изотопа гелия Не3 одина­ковы и равны 1/2; отношение магнитных моментов равно 1,3. Отно­шение плотностей равно 0,7, а отношение атомных весов равно 3. Поэтому «н. о-Нез^47 000•

Для того чтобы в обычных условиях получить в датчике такое увеличение сигнала, потребовалось бы увеличить мощность поляри­зации до практически неприемлемого уровня.

Перейдем к нахождению отношения сигнал/шум. Согласно тео­реме Найквиста действующее напряжение шума иш сопротивления г, имея ввиду сопротивление обмотки датчика, в полосе частот А/ определяется в соответствии с выражением

иш = 2 УШЦг.

(3-7)

или

Для температуры жидкого водорода Го/гт = 150, а для жидкого гелия го/гт более 1 ООО.

Отношение ал датчика на воде. и датчика на жидком водороде по формуле (3-7) равно примерно 105, а увеличение отношений сиг­нал/шум для датчика на воде и датчика с жидким гелием Не3 со­ставит 1,3 • 107.

. Таким образом, разработка протонно-прецессионных преобразо­вателей с использованием глубокого охлаждения может дать воз­можность существенно улучшить характеристики этих приборов и, в частности, позволит повысить точность измерений, расширить диа­пазон измерений в сторону весьма слабых. полей, уменьшить время измерений из-за увеличения отношения сигнал/шум, уменьшить га­бариты датчика и тем самым снизить требования к однородности измеряемого поля.

Эти достоинства могут позволить также расширить область при­менения протонно-прецессионных датчиков в магнитометрии.

Ниже рассмотрено несколько примеров конструкций криогенных преобразователей протонно-прецессионного типа.