Поляризацией ядер

В работе приборов типа ДПЯ /21/ используется принцип двойного резонанса, когда действуют несколько переменных электромагнитных полей с частотами, равными частотам квантовых переходов одной или нескольких спиновых систем. Воздействуя на спиновую систему рабочего вещества частотами ω₁ и ω₂ вспомогательного индуцированного испускающего поля, можно добиться удвоенного резонансного эффекта частоты ω₁. Эффект двойного спин-спинового резонанса получил название «принцип Оверхаузера».

Источником сигнала ядерной индукции служит макроскопическая намагниченность вещества, которая является мерой магнитной поляризации, отражающей степень ориентации ядер. В приборах ДПЯ кроме статической поляризации ядер в веществе с постоянным магнитным полем используется динамическая поляризация с применением эффекта Оверхаузера. Такая поляризация происходит в системах с двумя видами спинов, находящихся в магнитном взаимодействии, за счет действия которых происходит изменение степени ориентации спинов одного вида другим.

ДПЯ осуществляется у веществ, представляющих собой раствор парамагнитных ионов в протоносодержащих жидкостях. При создании устройств с непрерывной ядерной прецессией удобнее использовать способ ДПЯ, а не способ статической поляризации, поскольку отпадает необходимость в постоянном магнитном поле. При комбинированном использовании обоих типов поляризации удается получить существенно более высокую ядерную намагниченность, чем при одном из них. ДПЯ основан на связи продольных компонент ядерной и электронной намагниченностей двух различных веществ. Уравнение для ядерной намагниченности J запишем в виде

J = æ В ( 1 + s ( γ_s / γ_l ) ε f ), (3.25)

где В – магнитная индукция действующего поля, γ – гиромагнитное отношение, индексы s и l - характеристики электронной и ядерной систем, s – фактор, зависящий от соотношения величин намагниченностей разной природы, f – коэффициент утечки, характеризующий неполное преобладание электронного вклада в скорости ядерной релаксации, ε – коэффициент типа связи.

Наличие второго слагаемого в выражении (3.25) указывает на возможность увеличения ядерной намагниченности за счет ДПЯ. Высокая степень ДПЯ достигается в том случае, если неспаренный электронный спин s принадлежит атому с ненулевым ядерным спином, при котором электронные уровни приобретают тонкую структуру. Вследствие данной перестройки спинов электронов увеличивается разность населенностей уровней и соответственно возрастает фактор s.

Рис. 3.12. Внешний вид магнитометра ММП-203 с динамической поляризацией ядер

Динамическая поляризация ядер такого типа может наблюдаться в растворах ряда стабильных свободных радикалов, например радикалов дисульфоната пероксиламина (КSO₃)₂NO (соль Фреми). Соль Фреми – стабильный свободный радикал, молекула которого содержит нечетное число электронов. В твердом состоянии соль Фреми диамагнитна, электронные спины скомпенсированы, в растворе же димер диссоциирует на диамагнитные ионы К⁺ и ион-радикалы ON(SO₃)₂.

Внешний вид протонного магнитометра типа ММП-203 с динамической поляризацией ядер представлен на рис. 3.12.

Рис. 3.13. Обобщенная блок-схема протонного магнитометра:

1 – датчик – МЧП, 2 – таймер (релейно-переключающее устройство, 3 – источник питания цепи поляризации, 4 – каскад усилителей - формирователей, 5 – электронный частотомер, 6 – регистрирующее устройство, 7 – генератор высокой частоты, 8 – делитель частоты, 9 – стробирующий каскад

Протонные магнитометры сконструированы по схеме прямоотсчетных приборов. Датчик магнитометра включает магниточувствительный элемент МЧП и измерительный блок. МЧП конструктивно представляет собой две прямоугольные катушки, погруженные в рабочее вещество, которые выполняют функцию возбуждения и выделения сигнала прецессии. МЧП соединяется с измерительным блоком с помощью кабеля. Постоянный источник питания обеспечивает поляризацию рабочего вещества МЧП.

По истечении времени, необходимого для поляризации, таймер отключает МЧП от источника питания и подключает его к усилителю измерительного тракта. Измерение частоты сигнала прецессии выполняется электронным частотомером. Основные узлы блок-схемы протонного магнитометра представлены на рис. 3.13.

Рис. 3. 14. Протонный магнитометр МИНИМАГ

В настоящее время Екатеринбурской лабораторией квантовой магнитометрии УГТУ-УПИ на основе оверхаузеровского датчика разработан высокочувствительный магнитометр РОS –1 с точностью измерения 0.01 нТл. Прибор измеряет модуль индукции магнитного поля, градиент и компоненты поля с применением GPS навигации. Прибор обрабатывает сигнал, контролирует условия измерения и выдает данные измерения автоматически или по запросу. Магнитометр на основе POS-1 может быть использован в наземной, скважинной, аэро- и морской съемках. Он удобен для работы в качестве вариационной станции и полевого градиентометра.

Федеральное государственное унитарное научно-производственное предприятие «Геологоразведка» в настоящее время выпускает переносные протонные магнитометры ММП-203М1С, ММП-203М2, ММП-203МС, измеряющие модуль магнитной индукции и вариации геомагнитного поля в полевых и стационарных условиях. Разрешение приборов составляет 0.1-0.01 нТл.

На рис.3.14 представлен внешний вид магнитометра МИНИМАГ. Протонный портативный магнитометр МИНИМАГ регистрирует модуль магнитной индукции и вариации магнитного поля, имеет микропропроцессорное управление.

МИНИМАГ –портативная модель одноканального протонного магнитометра, работающего на принципе ДПЯ (эффект Оверхаузера). Несмотря на малые габариты МИНИМАГ обладает достаточно высокими метрологическими параметрами, обеспечивающими реализацию высокоточных магнитных съемок. В основу положена теория построення магнитоизмерительных приборов, связанная с использованием микропроцессорной системы управления и накоплением цифровой информации в памяти, объем которой в МИНИМАГе рассчитан на регистрацию 62 тысяч измерений при работе в режиме магнитометра и на 125 тысяч измерений – в режиме МВС. Чувствительность прибора составляет 0,01 нТл.

Рис. 3. 15. Протонный магнитометр ММПГ-1

Рис. 3.16. Измерение в высоких широтах вертикального градиента полного вектора магнитного поля прибором GSM-19, разработанного фирмой GEM Systems

Из зарубежных магнитометров признание специалистов получил магнитометр GSM-19, работающий на эффекте Оверхаузера (рис.3.16). Это – прибор для измерения общего магнитного поля, сочетающий в себе уникальные конструкционные системы, позволяющие совмещать дополнительные функциональные возможности