茫茫人海怎么用车载指南针,茫茫大海中的指南针( 二 )

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搭载在THEMIS卫星上的探测线圈磁强计，三组线圈用来测量三个方向的磁场
那么，这种磁力计的优点，就显而易见了，外界的磁场越狂暴，变化越激烈，它的测量效果就越好。具体来说，就是对快速变化的，高频的磁场波动有着很好的监测效果。而且，正如我所描述的，这种磁力计的结构非常简单，主要就是一套线圈，连接一只电流表。在茫茫的太空中，简单的结构，就意味着轻巧的质量和较低的故障率。早期的先驱者5号和最新的THEMIS探测器，都搭载了这种磁强计或其改型。

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先驱者5号
同时，缺点伴随着优点一起出现了——这种磁力计没办法测量不变，或者缓慢变化的磁场。对于探雷器来说，不变就等于不存在地雷，对于探测线圈磁强计也是同理。
那么怎么测量这种不变，或者缓慢变化的磁场呢？那就要请出下一位选手了。
二、光泵磁强计
光泵磁强计，是一个大类，总的来说，是依靠原子的塞曼效应来测量磁场。但是产生塞曼效应的介质多种多样，可以是钙蒸汽，也可以是钠蒸气，钾蒸汽，铷蒸汽，氦蒸汽，甚至酒精（氢原子）。在执行空间探测任务的光泵磁强计中，比较常见的是钙蒸汽，因此有的时候，以钙蒸汽为介质的光泵磁强计，也被称为是钙蒸汽磁强计。

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安装在Swarm卫星上的光泵磁强计，使用的介质是氦蒸汽
塞曼效应是原子在磁场下发生的一种能级劈裂的效应。大家可能接触过原子物理，知道原子存在多个固定的能级，这些能级能够通过发射光谱或者吸收光谱来观测到，每一个能级对应一条分立的谱线。由于原子本身具有磁矩，那么在有外界磁场的情况下，能级发生劈裂，从而一条谱线也分裂成三条乃至多条，每条分裂的谱线是偏振的。分裂的谱线之间的距离（频率的差），和磁感应强度呈现线性相关。

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能级分裂，一条谱线分裂成多条
更详细的关于塞曼效应的描述，在大学原子物理的课本中就有，位于“电子自旋”的相关章节。如果感兴趣的话，可以去读一读。
那么我们现在知道，磁场会导致能级分裂；我们也有成熟的手段，测量物质的光谱特征。明显，可以通过光谱信息，换算磁场的强度。

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由于原子的磁矩存在取向，因此对于外界磁场的方向的响应，也是有取向的，在理论上，可以实现同时测量磁场的强弱和方向。然而，测量的时候用到的钙蒸汽，通常是一大团，里面有数不清的钙原子，取向各异；想将他们的取向统一，需要不少的额外设备和功耗。因此，虽然理论上光泵磁强计可以是矢量磁强计，但在实际的工程实践中，通常将光泵磁强计设计成标量磁强计，即，只测量磁场的强度。

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水手五号（Mariner-5）。水手五号上安装的，以氦蒸汽作为介质的光泵磁强计，就可以测量三轴矢量磁场
光泵磁强计作为标量磁强计，其精确度很高，稳定性很好，常常用于校准其它的磁强计。原因在于，其测量原理基于测量介质本身的，不随时间改变的物理属性，所以其测量结果非常稳定，生产完成之后基本不需要校准，因此可以校准其它的仪器。此外，因为人类观测光谱的手段非常成熟和精密，因此光泵磁强计本身的观测结果就非常准确。

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