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;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.01 сек.