Глава 3. Магниторазведочная аппаратура

Измерения магнитного поля Земли и его вариаций проводят как на стационарных пунктах – магнитных обсерваториях, которых насчитывается на Земле около 150, так и при магниторазведочных работах. Абсолютные определения полного вектора напряженности геомагнитного поля сводятся к измерению, как правило, трех его элементов (например, Z, D, H). Для этого применяют сложные трехкомпонентные магнитные приборы, которые называются магнитными теодолитами и вариационными станциями. При геологической разведке измеряют абсолютные Z, T и относительные (по отношению к какой-нибудь исходной (опорной) точке ∆Z, ∆T) элементы.

Для полевых магниторазведочных пород чаще всего применяют современные цифровые магнитометры, позволяющих исследовать распределение на земной поверхности абсолютных величин модуля магнитной индукции.

Квантовый магнитометр (магнитометр с оптической накачкой, рис. 7) – прибор для измерения напряжённости магнитных полей, основанный на квантовых явлениях.

Квантовые магнитометры применяются главным образом для измерения напряжённости слабых магнитных полей и, в частности, магнитного поля Земли и его аномалий как на её поверхности, так и на больших высотах, соответствующих орбитам баллистических ракет и искусственных спутников Земли, для измерения магнитных полей планет Солнечной системы в космическом пространстве. Квантовые магнитометры применяются также для разведки полезных ископаемых, для магнитного каротажа и т.п.

Датчиком прибора является стеклянная колба, наполненная парами щелочного металла (например, Rb), атомы которого парамагнитны, т. к. содержат один неспаренный электрон. При пропускании через колбу, помещенную в измеряемое поле Н, циркулярно поляризованного света, частота которого равна частоте оптического квантового перехода между основным состоянием атома и одним из его возбуждённых состояний, происходит резонансное рассеяние света. При этом момент количества движения квантов рассеиваемого света передаётся атомам, которые таким образом «оптически ориентируются», скапливаясь на одном из магнитных подуровней основного состояния. Если в объёме колбы датчика создать переменное магнитное поле, частота которого равна частоте квантового перехода между магнитными подуровнями основного состояния, то населённость атомов на магнитных подуровнях выравнивается, атомы теряют приобретённую преимущественную ориентацию магнитных моментов и приходят в исходное состояние. При этом пары металла, наполняющие колбу, вновь начинают сильно поглощать и рассеивать свет. Измеряя частоту переменного поля, можно определить напряжённость магнитного поля Н, в котором находится колба датчика.

Оптические магнитометры особенно удобны для измерения слабых полей. Чувствительность, которая может быть достигнута при помощи таких приборов, 10^–2–10^–3 нТл,что позволяет измерять очень слабые поля, в частности в космическом пространстве.

Рисунок 7. Схема оптического квантового магнитометра: Л — источник света; СФ — светофильтр; П₁ — поляроид; П₂ — пластинка (λ/4), создающая разность фаз 90° для получения циркулярно поляризованного света; К — колба, наполненная парами щелочного металла; Ф — фотоприёмник; Н — измеряемое поле.

Протонный магнитометр. Датчиком магнитометра является ампула с диамагнитной жидкостью, молекулы которой содержат атомы водорода (например, воду или бензол). Магнитные моменты молекул обусловлены только магнитными моментами ядер атомов водорода – протонами. Ампулу помещают в катушку L, через которую пропускают в течение нескольких секунд ток, создавая в ней вспомогательное магнитное поле H₀ напряжённостью в несколько сот Э (эрстед) (рис. 8). Под действием поля H₀ магнитные моменты протонов ориентируются, и жидкость приобретает суммарный магнитный момент М. После выключения тока магнитные моменты протонов начинают прецессировать вокруг направления измеряемого магнитного поля Н с частотой ω = γ_pH, где γ_р = (2,67513 ± 0,00002) 10⁴ гс^–1сек^–1 – магнитомеханическое отношение для протонов. Прецессия суммарного магнитного момента М приводит к появлению в катушке П переменной ЭДС с частотой, равной частоте прецессии ω. Прецессия постепенно затухает благодаря процессу релаксации, обусловленному слабым взаимодействием между протонами и атомами парамагнитных примесей, растворимых в рабочей жидкости. Для чистой воды время релаксации 3 сек. Для повторного измерения поля цикл повторяют. Цикличность работы датчика устраняют, например, с помощью системы из 2 датчиков, работающих поочерёдно.

Рисунок 8. Схема протонного магнитометра: L — катушка, создающая вспомогательное намагничивающее поле H₀; П — катушка, в которой возникает ЭДС, обусловленная прецессией ядерных моментов вокруг измеряемого магнитного поля Н; У — усилитель сигнала; Ч — частотомер.

Электронный квантовый магнитометр аналогичен протонному. В нём используется прецессия в магнитном поле магнитных моментов неспаренных электронов парамагнитных атомов, частота которой в несколько сот раз больше частоты прецессии протонов. Частота прецессии для электронов в поле Н = 1 э равна 2,8 МГц. Изменение поля на 1 гамму приводит к изменению частоты прецессии на 28 Гц, что в 660 раз больше, чем для протонных магнитометров.

Для получения достаточно больших ЭДС применяют методы динамической поляризации ядер. При этом ориентация магнитных моментов протонов осуществляется благодаря их взаимодействию с электронными моментами парамагнитных ионов (в воде растворяют парамагнитную соль). Таким способом ядерную намагниченность удастся увеличить в несколько сот раз. Применение вещества, содержащего радикалы нитрозодисульфоната калия, позволяет увеличить намагниченность ещё примерно в 40 раз.