Протонный магнитометр

 

Содержание 
 

Введение 

Глава 1. Принцип работы протонного магнитометра 

Глава 2. Обзор отечественных  магнитометров 

Заключение 

Используемая  литература 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение   

 Ядерно-прецессионный  протонный магнитометр имеет,  на первый взгляд, страшное название. На самом деле физика процессов,  протекающих в магнитометре, обыденно  проста.   

 Принцип работы  магнитометра основан на явлении  прецессии протона в магнитном  поле. Если протон помещен во  внешнее магнитное поле, из-за  своего собственного магнитного  момента, он испытает магнитный  вращающий момент. Поскольку он  также имеет угловой момент, этот  магнитный вращающий момент приведет  его (протон) к прецессии –  она называется ‘Лармор прецессией’  и ее уровень зависит от  величины внешнего магнитного  поля. 
Частота Лармор прецессии независима от ориентации протона и зависит только от величины внешнего поля. 
Частота прецессии определяется по формуле: F = В/23.4875, где F - частота в Гц, В – величина индукции внешнего магнитного поля в нТл. 
Чтобы измерить величину местной магнитной индукции с точностью до одного нТл, необходимо измерить частоту с точностью до 0.0426 Гц. 
Магнитное поле Земли имеет величину индукции примерно 50 мкТл. Наименьшее значение магнитной индукции на экваторе, наибольшее на полюсах. Кроме этого, величина магнитной индукции земного поля зависит от солнечной активности, времени суток, залежей полезных ископаемых и многих других факторов.   

 В датчике ядерно-прецессионного  магнитометра, протоны 'намагничивают' (то есть, выстраивают их магнитные  моменты в одном направлении)  с помощью внешнего магнитного  поля возбуждения, формируемого, например, соленоидом, а затем максимально  быстро отключают внешнее поле. Протоны перестраиваются в направлении  магнитного поля Земли и при  этом все синфазно «прецессируют», вызывая напряжение с частотой  Лармор прецессии, которая может  быть измерена и использоваться  для вычисления величины окружающего  магнитного поля. Тот же самый  соленоид, после отключения возбуждающего  поля, действует, как катушка датчика  и подключен к чувствительному  усилителю для усиления напряжения  прецессии. 
Вызванное напряжение протонной прецессии имеет порядок микровольт. 
Поскольку прецессия протонов будет впоследствии рандомизироваться тепловыми столкновениями протонов, то полезный сигнал уменьшается по экспоненте со временем. Время зависит от специфики используемого вещества и может изменятся от одной до нескольких секунд. 
Для другого измерения процесс необходимо повторить.   

 Наиболее простая  конфигурация датчика – многовитковый  соленоид, содержащий внутри вещество, богатое протонами: дистиллированная  вода, керосин, бензин, дизельное  топливо, органические спирты.    

 Магнитометристы,  работавшие с протонным магнитометром  ММП-203, утверждают, что в датчик  заливать можно все и в любых  сочетаниях. 
Большинство протонных магнитометров имеют соленоидальные датчики. Эта конфигурация имеет одно преимущество и несколько больших недостатков. 
Преимущество – датчик легко изготовить. 
Первый недостаток - датчик является чувствительным к внешним переменным магнитным полям. Поле промышленной частоты 50 Гц вызовет напряжение, которое может быть намного больше, чем полезное напряжение прецессии. 
Во-вторых, соленоидальный датчик чувствителен к ориентации в магнитном поле Земли. Если поле поляризации (по оси соленоида), сонаправлено с измеряемым внешним полем, то полезное напряжение будет равно нулю. Это означает, что пользователь должен всегда убедиться в правильной ориентации соленоида для корректного измерения. 
Для устранения этих недостатков применяют тороидальные датчики. 
Первое - тороидальная катушка – не чувствительна к внешним переменным 'шумовым' магнитным полям. 
Во-вторых, тороидальная конфигурация почти не чувствительна к ориентации. Если внешнее измеряемое магнитное поле ориентируется в наименее чувствительном направлении (в плоскости тороида), вызванное полезное напряжение только в два раза меньше, чем полезное напряжение при самой чувствительной ориентации (внешнее поле направлено по оси тороида). 
Сигнал никогда не уменьшается до нуля. 
Единственное неудобство тороида – это трудоемкая намотка.

Глава1. Принцип работы протонного магнитометра

Протонный магнитометр работает в двух основных режимах:

• первый из них - режим поляризации, при котором рабочее вещество подвергается воздействию сильного магнитного поля, чтобы намагнитить (то есть, выстроить в линию) протоны.
• Второй режим - фактическое измерение частоты прецессии для определения величины магнитного поля.

 

    В обоих режимах  используется та же самая обмотка,  как для поляризации электромагнита, так и для датчика напряжения  прецессии. 
Основная величина, которая будет измерена - частота прецессии протонов. Это переменное напряжение диапазона звуковых частот на выходе датчика. Это напряжение составляет от долей до единиц микровольт и должно быть усилено. Очевидно, что усилитель должен иметь низко шумовой фактор.   

 Частота прецессии  должна быть измерена настолько  точно - насколько возможно. 
Чем точнее измерена частота прецессии, тем точнее будет определена величина магнитного поля.   

 Так как сигнал  распадается по экспоненте со  временем - период измерения ограничен. 
При уменьшении амплитуды сигнала отношение сигнал-шум ухудшается. 
При постройке магнитометра необходимо учитывать все эти факторы. 
В магнитометре, мы хотим измерить абсолютную величину магнитного поля. 
При использовании современных микроконтроллеров преобразование частоты прецессии протонов в величину индукции магнитного поля по вышеприведенной формуле легко решается.

Блок-схему одного из возможных вариантов реализации квантового протонного магнитометра можно  представить следующим образом:

Рассмотрим принцип  работы данного устройства. 
Цикл одного измерения магнитного поля состоит из следующих этапов:

1. Поляризация. 
   С Модуля микроконтроллера формируется Управляющий импульс 1 и приводит к замыканию Коммутатора К1 (далее просто К1), при этом Коммутатор К2 (далее К2) находится в разомкнутом состоянии. Через Датчик начинает протекать постоянный ток поляризации. Величина этого тока зависит от активного сопротивления датчика и составляет обычно от нескольких сот мА до нескольких А. Под воздействием созданного этим током электромагнитного поля в рабочем веществе Датчика (Подробнее строение Датчика рассмотрим позднее, а в общем он представляет собой катушку индуктивности соленоидального, тороидального или смешанного типа, в качестве "сердечника" которой выступает "рабочее вещество" - жидкость или газ, содержащее свободные протоны; часто используют дистиллированную воду, бензин, керосин или, что может быть особенно полезно в полевых условиях, спирт :) свободные протоны "выстраиваются" согласно линиям напряженности поля.

2. Подавление  переходного процесса. 
   К1 размыкается, К2, как и ранее находится в разомкнутом состоянии. Этот этап при ряде условий можно было бы и не выделять отдельно, но индуктивность Датчика может быть достаточно высокой (от нескольких десятков до нескольких сотен мГн) и момент размыкания К1 может представлять опасность для высокочувствительного Малошумящего входного усилителя.

3. Усиление сигнала  с Датчика, фильтрация, преобразование в "удобочитаемую" для микроконтроллера форму, измерение частоты и перевод  в нТл с последующим отображением на дисплее.

4. К1 разомкнут, К2 замкнут. При отключении поляризационного тока свободные протоны начинают перестраиваться под воздействием магнитного поля Земли и при этом совершают колебательные движения, вызывая появление на датчике напряжения с частотой, прямо пропорциональной напряженности магнитного поля. Коэффициент пропорциональности равен 23,4872 нТл/Гц, т.е. при возникновении на Датчике напряжения с частотой 2000 Гц напряженность магнитного поля равна 2000*23,4872=46974 нТл.

 

    Сложность заключается  в том, что величина напряжения  лежит в диапазоне 0,5-2 мкВ (при  разумных размере датчика, его  индуктивности, токе поляризации  и объеме рабочего вещества) и  стремительно падает по экспоненциальному  закону до нуля за очень  небольшой промежуток времени  (примерно 0,7с для керосина, 2,5-3с для дистиллированной воды). 
Для получения приемлемого соотношения сигнал/шум мы должны за время около 0,3-0,4с, измерить частоту напряжения (грубо для наших целей лежащую в диапазоне 1000-3000Гц) с точностью до сотых долей Гц (разрешение прибора при этом составит примерно 1 нТл). 
Методы расчета и построения датчика, а также возможный метод измерения частоты с заданной точностью мы рассмотрим далее. Фильтр нужен для подавления шумовых составляющих сигнала, лежащих вне рабочего диапазона, Компаратор или триггер Шмита - для увеличения крутизны фронтов сигнала и преобразования его в "удобочитаемую" для микроконтроллера форму (можно, конечно, использовать для этих целей и встроенный компаратор микроконтроллера).

Для наглядности рассмотрим графики: 
 

 
 
 
 
 

Как видим, цикл одного измерения состоит из двух взаимосвязанных  импульсов:

• первого для управления поляризацией, а затем, через интервал времени t задержки , служащий для подавления переходного процесса в Датчике
• второго, подключающего схемы усиления, обработки и измерения входного сигнала. Продолжение следует.

Рассмотрим более  подробно отдельные моменты проектирования устройства в целом.

Поляризация. 

 

    Упрощенный вариант  схемы поляризации может иметь  следующий вид (Рис 1): В данном  варианте подача напряжения поляризации  и подключение датчика к усилителю  происходит при помощи реле, диоды  VD1 и VD2 служат для гашения импульса  самоиндукции, транзистор VT для "заземления" входа высокочувствительного усилителя  и запирается лишь на время,  необходимое измерительной схеме  для замера частоты сигнала  с датчика (во многих случаях  он необязателен). Конденсатор С рез здесь и в дальнейших схемах ставится лишь в случаях использования резонансного включения датчика. Применение подобного решения нежелательно ввиду низкого быстродействия релейной коммутационной схемы и подгоранию контактов.

Этих недостатков  лишена схема на Рис. 2, где функции  реле выполняют транзисторы VT1 и VT2, при помощи VT2 также осуществляется задержка подключения усилителя  на время, необходимое для полного  подавления переходного процесса в  датчике. Но и эта схема неприменима  из-за того, что транзисторы являются хоть и достаточно качественными ключами, но не идеальными. В закрытом состоянии через VT1 и датчик протекает ток утечки сток-исток порядка нескольких мкА, что в нашем случае достаточно много (т. к. амплитуда измеряемого нами сигнала с датчика находится в диапазоне от десятых долей мкВ до 1-2 мкВ при нерезонансном подключении датчика).

Схема на Рис. 3 представляет собой "симбиоз" первых двух и  лишена присущих им недостатков. Механизм ее работы таков: до начала поляризации  транзистор VT1 закрыт, VT2 открыт, контакты реле находятся в показанном на схеме  положении; при поляризации VT1 открывается  и через датчик протекает ток; по окончании поляризации VT1 закрывается  и через несколько мс (время, достаточное  для завершения переходного процесса). Реле подключает датчик к усилителю и запирается VT2; после проведения измерения контакты реле возвращаются в исходное положение, и отпирается VT2. Подобная реализация предотвращает протекание тока утечки сток-исток VT1 через датчик в момент измерения, исключает коммутацию больших токов при помощи реле и может быть использована на практике (в качестве реле можно использовать, например, РЭС 55 или аналогичные). Для желающих избавиться в схеме от такого "узкого" места, как реле, можно рекомендовать вариант решения, предложенный J.A. Koehler-ом (именно его работы позволили заняться отработкой принципов построения протонного магнитометра, т. к. содержат большое количество необходимого теоретического материала и доступны в сети.

На Рис. 4 показана схема, не использующая реле в качестве коммутирующего элемента. Этого удалось  добиться путем добавления нескольких транзисторов и некоторым усложнением  управляющей схемы (при использовании  микроконтроллера управление реализуемо программно, если же микроконтроллер  не используется, управляющие импульсы удобно формировать при помощи таймеров типа 555). Рассмотрим принцип работы этой схемы при помощи временных  диаграмм, приведенных ниже. До начала поляризации все транзисторы, кроме VT7, закрыты. VT7 открыт - вход усилителя  подключен к "земле". Для начала поляризации управляющей схемой формируются Упр. импульс 1 (примерно 0,7 с для керосина) и Вспом. импульс 1, что приводит к отпиранию VT1, VT2, VT3 и VT4, через датчик протекает ток поляризации и подключается схема подавления переходного процесса на VT4 R2. VT7, как и ранее, открыт, остальные закрыты. Как видно из графиков, Упр. импульс 1 и Вспом. импульс 1 начинают формироваться одновременно, но Вспом. импульс 1 имеет большую длительность (как правило, на 10-20 мс, в зависимости от тока поляризации и индуктивности датчика) и за это дополнительное время происходит подавление импульса самоиндукции (на R2 и защитных диодах транзисторов). Сразу же после окончания Вспом. импульс 1 формируется Вспом. импульс 2 (длительность примерно 0,2-0,5 с , к критериям выбора вернемся позднее) и отпирается VT5, VT1-VT4 и VT6 закрыты , VT7, как и ранее, открыт. Собственно, в использовании VT5 и заключается "изюминка" этой схемы. Если при поляризации "корпусным" являлся нижний по схеме вывод датчика, то в процессе измерения частоты прецессии на "корпус" подключается верхний вывод. На снимаемый с датчика сигнал это не влияет, но львиная доля тока утечки СИ VT2 (от которого, собственно, мы и стремимся избавиться) протекает по цепи +U - CИ VT2 - СИ VT5 - "корпус", минуя датчик. Через 5-10 мс после начала Вспом. импульс 2 формируется Упр. импульс 2, открывается VT6 и запирается VT7. Сигнал с датчика поступает на вход усилителя. По окончании Вспом. импульс 2 оканчивается и Упр. импульс 2 и схема возвращается в исходное состояние.