Теория метода

Лабораторная работа № 3

Протонный (ядерный) магнитометр

Цель работы: ознакомиться с назначением, устройством и принципом действия протонного магнитометра на примере магнитометра ММП-203.

Теория метода

Элементарные частицы материи, в том числе атомные ядра, являются носителями магнетизма, т.е. имеют собственные магнитные моменты. Проиллюстрируем это на примере магнетизма, создаваемого электроном. Обладающий отрицательным электрическим зарядом электрон в результате вращения по орбите вокруг атомного ядра создает орбитальный магнитный момент. Наименьшая величина орбитального магнитного момента, соответствующая движению по первой боровской орбите (n=1), называется магнетитом Бора:

_в=he/2m,

Где h- постоянная Планка, деленная на 2 ;

e - заряд электрона;

m- масса электрона.

Электрон вращается также вокруг своей оси и создает собственный магнитный момент, называемый спином (от английского spin- кружение, верчение). Спином обладают все микрочастицы, в том числе положительно заряженные протоны и даже не имеющие электрического заряда нейтроны.

Атомное ядро, имеющее свой собственный магнитный момент, прецессирует (вращается) в магнитном поле вокруг его направления с частотой, определяемой соотношением Лармора:

f= (γ/2 ) B,

где f- частота прецессии ядра в Гц;

=2 - круговая частота

-индукция внешнего магнитного поля;

γ –гидромагнитное отношение ядра (отношение магнитного момента к механическому).

Гидромагнитное отношение ядер одного изотопа является константой, не зависящей от таких внешних факторов, как температура, давление, влажность и т. д., поэтому частота прецессии зависит только от индукции внешнего магнитного поля. Таким образом, если измерить частоту прецессии атомных ядер, то можно определить индукцию магнитного поля, в котором они находятся. Это явление положено в основу протонных (ядерных) магнитометров. Протонный магнитометр разработан в 1953 г. М.Паккардом и Р.Варианом (ОНА). В СССР первый магниторазведочный протонный магнито­метр разработан в 1957 г. А.Я.Ротштейном и В.С.Цирелем, которые опирались на работы советского ученого Ф.Н.Скрипова.

Ларморову прецессию можно представить как конусообразное движение вектора магнитного момента вокруг вектора Во, подоб­ное движению вокруг вертикали оси вращения волчка, получившего боковой удар. Если создать дополнительное магнитное поле B₁ под прямым углом к основному полю и вращать это дополнительное поле вокруг основного с частотой ларморовой прецессии (т.е. синхрон­но с прецессией магнитного момента ), то будет наблюдаться яв­ление резонанса, т.е. наибольшая амплитуда прецессионного дви­жения, характеризуемая углом Ѳ между направлениями и В₀. Схе­ма ларморовой прецессии приведена на рис. 1. На принципе, близ­ком к описанному, основан протонный магнитометр MMC-214 (ис­пользован принцип синхронной поляризации). Условие, близкое к резонансному, может быть достигнуто и другими способами, два из которых (метод свободной ядерной индукции, метод динамической поляризации ядер) применяются в некоторых магниторазведочных протонных магнитометрах.

Для измерения магнитного поля удобнее всего использовать простей­шие атомные ядра - протоны, так как они в жидкостях дают наиболее острый и интенсивный резонанс. Если помес­тить образец с протонами (например, сосуд с водой, спиртом или керосином) в катушку индуктивности, то в последней должна возникнуть ЭДС с часто­той, равной частоте прецессии прото­нов. Однако интенсивность сигнала (амплитуда ЭДС) будет настолько мала, что его очень трудно зафиксировать. В методе свободной ядерной индукции для увеличения интенсивности сигнала образец с протонами вре­менно поляризуется вспомогательным достаточно сильным постоян­ным магнитным полем, приблизительно перпендикулярным к земному полю. После достижения поляризации (для воды черев 3 с) вспомо­гательное поле быстро выключается. Время выключения должно быть значительно меньше ларморовой прецессии в измеряемом поле. Пос­ле этого вектор магнитного момента начинает прецессировать вокруг направления земного поля с частотой, пропорциональной индукции этого поля. Интенсивность сигнала при прочих равных условиях пропорциональна индукции поляризующего поля, однако через некоторое время интенсивность сигнала уменьшается до прежней величины, поэтому вспомогательное поле включают перио­дически. Таким образом, ядерно-резонансный датчик описанного типа генерирует затухающую ЭДС, частота которой строго пропор­циональна индукции измеряемого поля. Измерения можно произво­дить только дискретно.

На принципе свободной ядерной индукции основаны переносной протонный магнитометр ММП-203, морские протонные магнитометры (гидромагритометры) МВМ-1 и др., протонные аэромагнитометры ММС-214 и ММС-213 (в составе комплексной аэрогеофизической станции СКАТ-77), скважинный протонный магнитометр МСП-2.

Датчик протонного (ядерного) магнитометра обычно представ­ляет собой цилиндрический сосуд из органического стекла с жид­костью, содержащей протоны (смесь воды со спиртом, керосин, раствор соли и т.д.). Сосуд помещается в многовитковую катушку, настроенную в резонанс с частотой ожидаемого сигнала. Эта катушка используется как для возбуждения (поляризации), так и для съемка сигнала в виде ЭДС определенной частоты (эти функции ка­тушки разделены во времени).

Протонный магнитометр состоит (рис.2) из датчика 1 - сосу­да с жидкостью (водой), помещенного внутри соленоида; усилителя с фильтрами 2; кварцевого генератора 3 для получения точных ма­рок времени; регистрирующего устройства 4 для выдачи результа­тов намерения в виде колонок цифр; источника питания 5; перек­лючателя 6; частотомера 7.

Рис. 2 Блок-схема протонного магнитометра

С помощью солиноида вокруг сосуда с жидкостью создается сильное магнитное поле Т₀ напряженностью около 10⁴ А/м. Направление поля создается примерно перпендикулярным к измеряемым геомагнитному полю. Продолжительность намагничивания жидкости 1-2 с. По истечении этого времени поле быстро выключается, Наведенный магнитный момент протонов прецессирует частотой ω вокруг вектора напряженности геомагнитного поля. После выключения намагничивающего поля в обмотках солиноида возникает переменная напряжение, частота которого равна частоте прецессии. Возникающее напряжение необходимо усилить и отфильтровать от помех. С этой целью обмотки солиноида сразу после выключения намагничивающего поля переключаются на усилитель с фильтрами.

Основным методом измерений частоты сигнала свободной прецессии в протонных магнитометрах является метод подсчета числа периодов(сигналов) прецессии в течении фиксированного интервала времени, определяемого по периодам эталонной частоты осуществляется различными устройствами: аналоговым самописцем (или фотоосциллографом); цифропетающим устройством; цифровым перфораторным или магнитным регистратором и т.д.

Выше рассмотрены протонные магнитометры дискретного действия. Технические трудности, связанные с разработкой протонных магнитометров непрерывного действия, заставили отказаться от этого пути и ограничиться решением проблем по сокращению времени одного измерения для обеспечения квазинепрерывных измерений в движении или во времени. Во всех конструкциях протонных магнитометров датчик прибора выполнен в виде отдельного блока, соединенного с пультом управления кабелем. Протонный магнитометр измеряет модуль (т.е. только численное значение) полной силы геомагнитного поля. Протонные магнитометры можно также использовать для измерения и относительных значений полной силы геомагнитного поля.

При измерении наиболее благоприятно такое расположение датчика, при котором вспомогательное магнитное поле, временно создаваемое до начало измерения, перпендикулярно к измеряемому. В этом случае сигнал в датчике наиболее сильный. При очень больших градиентах магнитного поля (свыше 100 нТл на 1 см) измерения невозможны (в датчике исчезает эффект прецессии).

Измеряемое значение модуля полного вектора напряженности геомагнитного поля регистрируется в цифровой форме. Точность измерений протонным магнитометром оказалась весьма высокой не ниже 0.8 мА/м.