Большая энциклопедия техники

Коллектив авторов

Квадрант

Квадрант (от лат. quadrans (quadrantis) – «четвертая часть» – различаются:

1) квадрант плоскости – любая из четырех областей (углов), на которые плоскость делится двумя взаимно перпендикулярными прямыми, принятыми в качестве осей координат;

2) квадрант круга – сектор с центральным углом в 90°; 1/4 часть круга.

Квадрант – простейший астрономический прибор, применявшийся в глубокой древности для определения положения небесных светил на небесной сфере.

Квадрант широко использовался мореплавателями и путешественниками древности и Средневековья для определения своего местонахождения в морях и океанах, в пустынных, безлюдных районах Земли.

Квантовый магнитометр

Квантовый магнитометр – прибор, предназначенный для измерения напряженности магнитных полей, базирующийся

на квантовых явлениях. Подобные явления – квантовые изменения магнитного потока в сверхпроводящем контуре, квантовые переходы между магнитными подуровнями атомов, а также упорядоченная свободная прецессия электронных или ядерных магнитных моментов.

Квантовые магнитометры используются в основном для измерения напряженности слабых магнитных полей и, например, магнитного поля Земли и его аномалий на ее поверхности и на высотах, которые соответствуют орбитам искусственных спутников Земли и баллистических ракет, для измерения в космическом пространстве магнитных полей планет Солнечной системы. Квантовые магнитометры используются также для обнаружения полезных ископаемых, поиска затонувших судов, для магнитного каротажа и т. п.

Уровни энергии молекул, атомных ядер или электронов атомов, которые обладают магнитными моментами, в магнитном поле разделяются на несколько подуровней, разность энергий между которыми напрямую зависит от величины магнитного поля и во многих случаях пропорциональна его напряженности. Частицы могут перемещаться с одного магнитного подуровня на другой, излучая или поглощая порцию электромагнитной энергии. Частота электромагнитного поля равна частоте прецессии магнитного момента, расположенного вокруг направления магнитного поля. Частота 0,1 лежит в радиодиапазоне. Измеряя ее по резонансному поглощению веществом радиоволн, можно узнать напряженность магнитного поля. Исходя из того, что коэффициент пропорциональности между частотой и полем выражается с помощью атомных констант, характеризующихся весьма высокой воспроизводимостью и стабильностью, чувствительность таких квантовых магнитометров высока. Наиболее совершенные квантовые магнитометры данного типа обладают чувствительностью до 10^{– 8} э или 10^{– 3} гамм.

В электронном квантовом магнитометре используется прецессия в магнитном поле магнитных моментов неспаренных электронов парамагнитных атомов.

Частота прецессии для электронов в поле напряженностью 1 э равна 2,8 МГц. Изменение поля на 1 гамму приводит к смене частоты прецессии на 28 Гц, что в 660 раз больше, нежели для протонных магнитометров.

Для получения достаточно больших ЭДС используют методы динамической поляризации ядер. При этом ориентация магнитных моментов протонов производится с помощью их взаимодействия с электронными моментами парамагнитных ионов. Данным способом ядерную намагниченность можно увеличить в несколько сот раз. Использование вещества, которое содержит радикалы нитрозодисульфоната калия, дает возможность увеличить намагниченность еще приблизительно в 40 раз.

У оптического магнитометра датчиком прибора служит стеклянная колба, наполненная парами щелочного металла, атомы которого являются парамагнитными, так как содержат один неспаренный электрон. При пропускании через колбу, которая помещена в измеряемое магнитное поле, циркулярно поляризованного света, частота которого соответствует частоте оптического квантового перехода между обычным состоянием атома и его возбужденным состоянием, осуществляется резонансное рассеяние света. При этом момент количества движения квантов рассеиваемого света посылается атомам, которые подобным образом «оптически ориентируются», центрируясь на одном из магнитных подуровней обычного состояния. Если в объеме колбы датчика возбудить переменное магнитное поле, частота которого соответствует частоте квантового перехода между магнитными подуровнями обычного состояния, то на магнитных подуровнях населенность атомов выравнивается, атомы теряют накопленную преимущественную ориентацию магнитных моментов и возвращаются в начальное состояние. При этом пары металла, которые наполняют колбу, опять начинают сильно рассеивать и поглощать свет. Измеряя частоту переменного поля, можно найти напряженность магнитного поля, в котором расположена колба датчика.

Оптические квантовые магнитометры очень удобны для измерения слабых полей. Чувствительность, которую можно достигнуть с помощью таких приборов, позволяет мерить очень слабые поля, например в космическом пространстве.

Сверхпроводящий магнитометр базируется на делении магнитного потока, который захвачен сверхпроводящим кольцом. Значение захваченного потока кратно кванту магнитного потока. Полный ток, который протекает через параллельные соединения двух переходов Джозефсона, в результате сложения токов, протекающих по каждой из ветвей, меняется пропорционально косинусу заряда электрона, деленного на постоянную Планка, умноженную

на магнитный поток. Наблюдая за переменами тока, протекающего через двойной переход Джозефсона, возможно измерять магнитный поток и, имея площадь сечения перехода, найти напряженность измеряемого магнитного поля. В том случае, если площадь, которая охвачена двумя переходами, равна 1 мм², максимумы тока поделены расстоянием, равным удвоенному ускорению свободного падения. Таким способом можно регистрировать десятую часть данного интервала. Чувствительность способа составляет в подобном случае 0,2 гаммы.

Все квантовые магнитометры не реагируют на вибрации; их показания не зависят от расположения прибора относительно измеряемого поля и незначительно зависят от смены влажности, давления, температуры и т. п.

Кварцевые часы

Кварцевые часы – устройство для точного измерения времени, в котором для отсчета времени используются колебания кварцевого резонатора. Для возбуждения колебаний резонатора служит кварцевый генератор. Кварцевые часы содержат также делитель частоты, позволяющий получать низкочастотные сигналы точного времени, и счетчик импульсов. С помощью кварцевых часов измеряют интервалы времени с погрешностью до 10^{– 10}с.

Колориметр

Колориметр (от лат. color – «цвет» и metreo – «измеряю») – общее название приборов двух различных типов. Колориметры первого типа (колориметры трехцветные) служат для измерения и количественного выражения цвета в виде трех чисел – так называемых координат цвета. Эти координаты представляют собой интенсивности световых потоков основных цветов, дающих при смешении цвет, неотличимый от измеряемого. Колориметры широко применяются в электротехнической, химической, радиоэлектронной промышленностях для контроля цвета источников света, красок, отражающих материалов, экранов черно-белых и цветных телевизоров и др. Колориметры второго типа определяются как химические (или концентрационные), их используют для определения концентраций веществ в окрашенных растворах, содержания различных компонентов в продуктах химического производства, нефтепродуктах и пр.

Действие химических колориметров основано на зависимости степени поглощения света определенной длины волны (т. е. определенного цвета) от содержания того или иного компонента в жидкости. Поглощение в исследуемой жидкости сравнивается с поглощением в эталонной, с известным содержанием компонента, после чего по известным в оптике соотношениям (закон Бугера– Ламберта—Бера) рассчитывается измеряемая концентрация (обычно погрешность данного прибора составляет от 10^{– 8} до 10^{– 3} моль/л – в зависимости от рода определяемого вещества). Как трехцветные, так и химические колориметры бывают визуальными (сравнение цвета или степени поглощения производится глазомерно) и фотоэлектрическими. Колориметры фотоэлектрические получили максимальное применение еще в 1970—1980-х гг. в различных отраслях промышленно-хозяйственного комплекса Советского Союза.

Такие приборы (как показала многолетняя практика их применения) обладают высокой точностью и дают возможность автоматизировать процессы измерения. В медицинских лабораториях (в 1970-х гг.) советских медучреждений широко применялся колориметр клиновой, предназначенный для количественного определения концентрации вещества путем сравнения интенсивности окраски исследуемого и эталонного (стандартного) растворов. Эталонный раствор заливали в сосуд, имеющий форму клина, в котором интенсивность окраски стандартного раствора ослабевает по мере уменьшения толщины клина. Погрешность такого прибора не превышала 5%. В комплект колориметра клинового входили пять клиньев с притертыми пробками, соответственно пять эталонных растворов, а также четыре кюветы, из которых две открыты, а две имеют притертые пробки. Клинья и кюветы изготавливались из высококачественных сортов специального стекла, потому что от этого зависела точность измерений (примечание: кювет – от фр. cuvette – «лохань», «таз»; т. е. емкость определенного размера, в данном случае – стеклянная). При выполнении измерений внутри корпуса колориметра клинового размещались клин и стеклянная кювета с исследуемым раствором. Размер кюветы в направлении просвечивания соответствовал размеру наиболее широкой части клина. Внутри корпуса указанного колориметра имелись направляющие для клина и кюветы (последняя перемещалась по высоте с помощью колесика-маховичка, выходившего на правую боковую поверхность корпуса (этого прибора). В медицинских лабораториях того времени колориметр клиновой использовался, в частности, для определения содержания холестерина в исследуемой крови. В настоящее время колориметры клиновые применяются очень редко, потому что повсеместно заменены другими приборами, более совершенными.