Протонные магнитометры.
Протонный магнитометр впервые был разработан в 1953 г. М. Паккардом и Р. Варианом (США). 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.
Эти магнитометры основаны на принципе свободной ядерной прецессии протонов - ядер атома водорода. Протон как движущаяся вращающаяся заряженная частица обладает определенным моментом количества движения (спином) р и магнитным моментом m. Магнитное поле протона аналогично полю стержневого магнита, ориентированного вдоль оси вращения частицы.
Протон как магнит стремится установиться своей магнитной осью в направлении магнитного поля Земли (как магнитная стрелка компаса), а свойство гироскопа (волчка) препятствует этому. Поэтому ось вращения (и магнитный момент) протона начинает описывать конические поверхности вокруг направления вектора внешнего магнитного поля ТВН. (рис.3.16,а). Такое движение называется прецессией. Прецессия называется свободной, если она происходит без воздействия на систему протонов внешних сил.
Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что частота ¦ свободной прецессии протонов в магнитном поле прямо пропорциональна модулю вектора напряженности ТВН. внешнего магнитного поля и связана с ним простым соотношением, которое называется равенством Лармора:
¦ = (g /2p)× ТВН. ,(3.21)
гдеg = р/m - гиромагнитное отношение протона, т.е. отношение его механического момента вращения р к магнитному моменту m. Поскольку постоянная величина g определена с очень высокой точностью (относительная погрешность порядка 10-6) и не зависит от любых внешних факторов (температура, давление и др.), результаты измерений этим способом характеризуются очень высокой точностью и стабильностью.
Зная частоту прецессии, легко определить абсолютную величину напряженности магнитного поля:
Т = (2p/g)צ(3.22.)
Однако наблюдение прецессии одного протона практически невозможно. Кроме того, магнитные моменты различных протонов ориентированы антипараллельно, поэтому в обычном состоянии вследствие тепловых соударений частиц магнитные моменты отдельных протонов ориентированы хаотично и их суммарный магнитный момент близок к нулю. Поэтому используются специальные способы поляризации рабочего вещества, т.е. ориентировки магнитных моментов элементарных частиц - протонов.
Рис. 3.16. Принцип действия ядерно-протонных магнитометров.
Для измерения магнитного поля удобнее всего использовать простейшие атомные ядра — протоны, так как они в жидкостях дают наиболее острый и интенсивный резонанс.
Магнитоизмерительный преобразователь (МИП) представляет собой сосуд с протонсодержащей жидкостью (обычно это был очищенный керосин), помещенный в катушке с проводом (рис.3.16 б). Если через обмотку МИП пропустить сильный электрический ток, создающий в направлении оси катушки магнитное поле НК напряженностью порядка 100 Э ( переключатель К подключен к блоку питания), то под действием поля НК происходит магнитная поляризация рабочего вещества - множество содержащихся в нем протонов приобретут ориентировку магнитных моментов в направлении вектора напряженности магнитного поля Нк.
После резкого отключения тока (переключатель К подключается к частотомеру) протоны начнут согласованно прецессировать вокруг вектора напряженности внешнего магнитного поля Т, наводя в той же обмотке катушке Э.Д.С. с частотой прецессии. Через несколько секунд прецессия затухает из-за теплового соударения частиц и потери синфазности прецессии протонов, но этого времени вполне достаточно, чтобы преобразовать сигнал и определить его частоту. Частотный выход прибора обеспечивает возможность регистрации результатов измерений в цифровом виде.
Основным методом измерений частоты сигнала свободной прецессии в протонных магнитометрах является метод подсчета числа периодов (сигналов) прецессии в течение фиксированного интервала времени, определяемого по периодам эталонной частоты специального кварцевого генератора. Регистрации показаний может осуществляться различными устройствами: аналоговым самописцем (или фотоосциллографом); цифропечатающим устройством; цифровым перфораторным или магнитным регистратором и т. д.
Иногда для удобства непосредственно записывают не частоту сигнала ядерной прецессии, а частоту биений, образующихся между частотой сигналов прецессии и эталонной частотой специального кварцевого генератора (близкой к частоте прецессии): fб = fс - fкв г
Данный метод обеспечивает большую точность измерений частоты, но мало пригоден для их автоматизации.
Можно поступить наоборот: обеспечить подсчет периодов эталонной частоты в течение фиксированного числа сигналов ядерной прецессии. В этом случае получается цифровой результат, обратно пропорциональный индукции поля, что не позволяет производить непосредственный отсчет в единицах магнитной индукции, как в предыдущем случае. Но в данном методе не требуется умножитель частоты, необходимый при непосредственных отсчетах показаний.
В последних модификациях ядерно-протонных магнитометров применяется метод динамической поляризации. В методе динамической поляризации ядер используется эффект Оверхаузера, заключающийся в том, что в некоторых веществах с сильным взаимодействием ядерных спинов с электронными можно создать дополнительную поляризацию одной спиновой системы, например, ядерной, за счет поляризации другой, например, электронной. Рабочее вещество возбуждается на частоте электронного резонанса с помощью радиочастотного поля (примерно 56 МГц), а передача энергии протонам происходит за счет внутренних взаимодействий. Существует класс веществ, для которых может быть реализовано указанное явление. К ним принадлежат растворы натрия в аммиаке, растворы в органических жидкостях ряда свободных устойчивых радикалов гидразинового ряда (в частности, дифенилпи-крилгидрозил), а также водные и бензольные растворы свободного радикала дисульфоната пироксиламина (соль Фреми) и некоторых других радикалов. Перечисленные растворы дают возможность наблюдать динамическую поляризацию в слабых магнитных полях, в том числе в земном магнитном поле.
Метод динамической поляризации позволяет сократить продолжительность цикла измерения, а также проводить измерения одновременно с процессом поляризации. К недостаткам метода следует отнести недолговечность некоторых видов рабочего вещества, что создает неудобства при производственных магнитных съемках. На методике динамической поляризации ядер построены отечественные протонные магнитометры ММП-203М, аэромагиитометры ММВ-215. Канадская фирма Geotech разработала на этом принципе вертикальный аэромагнитометр-градиентометр GRAD-1 с чувствительностью 0,01 нТл для каждого датчика и 0,025 нТл/м для градиентных измерений.
Протонные магнитометры обладают высокой точностью (±1 нТл), стабильностью работы, высокой производительностью, не требуют нивелировки и мало чувствительны к отклонениям от оптимальной ориентировки МИП прибора при измерении.
В настоящее время это наиболее широко применяемые приборы при проведении наземных съемок (ММП-203М, МИНИМАГ), аэромагнитных (ММС-213, ММС-214) и гидромагнитных (АПМ-3, МПМ-3) съемок, а также скважинных магнитных измерений (МСП-2).
Полевые протонные магнитометры ММП-203, ММП-203М, МИНИМАГ конструктивно выполнены в виде двух раздельных блоков - магнитоизмерительного преобразователя (датчика) и измерительного пульта.
Датчик протонного (ядерного) магнитометра обычно представляет собой цилиндрический сосуд из органического стекла с жидкостью, содержащей протоны (смесь воды со спиртом, керосин, раствор солн Фреми и т д.). Сосуд помещается в многовитковую катушку, настроенную в резонанс с частотой ожидаемого сигнала. Эта катушка используется как для возбуждения (поляризация), так и для съемки сигнала в виде ЭДС определенной частоты (эти функции катушки разделены во времени).
Рис.3.17. Обобщенная блок-схема протонного магнитометра
На рис. 3.17 приведена обобщенная блок-схема протонного магнитометра. Датчик 1 соединен с релейно-переключающим устройством 2, которое автоматически осуществляет подключение датчика после прогрева схемы к поляризующей батарее 3. Затем, по истечении определенного времени, датчик переключается на усилитель 4 и по окончании записи показаний прибора выключается. После усилителя 4 сигналы поступают в прецизионный быстродействующий частотомер 5, а затем на регистратор 6.
Порядок работы с магнитометром достаточно прост. Перед измерениями штанга с МИП закрепляется в фиксированном положении специальными ремнями за спиной оператора (обычно в слабых магнитных полях - датчиком вниз, а в интенсивных полях - датчиком вверх). Проверяется (путем контрольного отсчета) правильность выбора диапазона измерения, а затем оператор выходит в маршрут. На точке наблюдения оператор останавливается так, чтобы МИП располагался над пикетом, и при включенном приборе (в соответствии с ранее выбранным диапазоном) нажимает на кнопку «Пуск ». Через 3 секунды на табло появляется отсчет, который оператор записывает и переходит на следующую точу. Если вблизи имеются магнитные помехи (ЛЭП, индустриальные объекты и др.) или измеряемое поле имеет градиент более 600 нТл/м, то сигнал на табло обнуляется, поэтому в зонах высоких градиентов с этими магнитометрами работать нельзя.
Основные технические характеристики магнитометра ММП-203 :
· диапазон измерения................................................ 20 000 - 100 000 нТл ,
· погрешность отсчитывания ........................................................... ±1 нТл ,
· быстродействие одного измерения ................................................ 3 с. ,
· диапазон рабочих температур ................................................(-30) - (+50)0 С ,
· напряжение питания ........................................................................13 ±3 В ,
· рабочий вес ...................................................................................... 6 кг.
Выше рассмотрены протонные магнитометры дискретного действия. Технические трудности, связанные с разработкой протонных магнитометров непрерывного действия, заставили отказаться от этого пути и ограничиться решением проблемы 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 начала измерения, перпендикулярно к измеряемому. В этом случае сигнал в датчике наиболее сильный. Однако данное требование не является обязательным. При очень больших градиентах магнитного поля (свыше 100 нТл на 1 см) измерения невозможны (в датчике исчезает эффект прецессии).
При известных сочетаниях протонного датчика и катушек Гельмгольца возможны измерения абсолютных значений отдельных составляющих индукции магнитного поля.
Дата добавления: 2015-06-27; просмотров: 8228;