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 Т_ВН. (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 Т_ВН. внешнего магнитного поля и связана с ним простым соотношением, которое называется равенством Лармора:

¦ = (g /2p)× Т_ВН. ,(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 Н_К напряженностью порядка 100 Э ( переключатель К подключен к блоку питания), то под действием поля Н_К 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): f_б = f_с - f_{кв 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.