Магнитометр — это устройство, измеряющее магнитное поле или магнитный дипольный момент . Различные типы магнитометров измеряют направление, силу или относительное изменение магнитного поля в определенном месте. Одним из таких устройств является компас , который измеряет направление окружающего магнитного поля, в данном случае магнитного поля Земли . Другие магнитометры измеряют магнитный дипольный момент магнитного материала, такого как ферромагнетик , например, путем регистрации влияния этого магнитного диполя на индуцированный ток в катушке.
Первый магнитометр, способный измерять абсолютную напряженность магнитного поля в определенной точке пространства, был изобретен Карлом Фридрихом Гауссом в 1833 году, а среди заметных достижений XIX века можно назвать эффект Холла , который до сих пор широко используется.
Магнитометры широко используются для измерения магнитного поля Земли, в геофизических исследованиях , для обнаружения магнитных аномалий различных типов и для определения дипольного момента магнитных материалов. В системе ориентации и направления самолета они обычно используются в качестве опорного курса. Магнитометры также используются военными в качестве спускового механизма в магнитных минах для обнаружения подводных лодок. Следовательно, некоторые страны, такие как США, Канада и Австралия, классифицируют более чувствительные магнитометры как военную технологию и контролируют их распространение.
Магнитометры могут использоваться в качестве металлоискателей : они могут обнаруживать только магнитные ( железные ) металлы, но могут обнаруживать такие металлы на гораздо большем расстоянии, чем обычные металлоискатели, которые полагаются на проводимость. Магнитометры способны обнаруживать крупные объекты, такие как автомобили, на расстоянии более 10 метров (33 фута), в то время как диапазон обычного металлоискателя редко превышает 2 метра (6 футов 7 дюймов).
В последние годы магнитометры были миниатюризированы до такой степени, что их можно встраивать в интегральные схемы с очень низкой стоимостью, и они находят все большее применение в качестве миниатюрных компасов ( датчиков магнитного поля MEMS ).
Магнитные поля — это векторные величины, характеризующиеся как силой, так и направлением. Сила магнитного поля измеряется в единицах тесла в системе СИ и в гауссах в системе единиц СГС . 10 000 гаусс равны одному теслу. [1] Измерения магнитного поля Земли часто приводятся в единицах нанотесла (нТл), также называемых гамма. [2] Магнитное поле Земли может варьироваться от 20 000 до 80 000 нТл в зависимости от местоположения, флуктуации магнитного поля Земли составляют порядка 100 нТл, а вариации магнитного поля из-за магнитных аномалий могут находиться в диапазоне пикотесла (пТл). [3] Гауссметры и тесламетры — это магнитометры, которые измеряют в единицах гаусс или тесла соответственно. В некоторых контекстах термин «магнитометр» используется для обозначения прибора, измеряющего поля менее 1 миллитесла (мТл), а термин «гауссметр» — для приборов, измеряющих поля более 1 мТл. [1]
Существует два основных типа измерений магнитометра. Векторные магнитометры измеряют векторные компоненты магнитного поля. Магнитометры полного поля или скалярные магнитометры измеряют величину векторного магнитного поля. [4] Магнитометры, используемые для изучения магнитного поля Земли, могут выражать векторные компоненты поля в терминах склонения (угол между горизонтальной компонентой вектора поля и истинным, или географическим, севером) и наклонения (угол между вектором поля и горизонтальной поверхностью). [5]
Абсолютные магнитометры измеряют абсолютную величину или вектор магнитного поля, используя внутреннюю калибровку или известные физические константы магнитного датчика. [6] Относительные магнитометры измеряют величину или вектор магнитного поля относительно фиксированной, но некалиброванной базовой линии. Также называемые вариометрами , относительные магнитометры используются для измерения изменений магнитного поля.
Магнитометры также могут быть классифицированы по их ситуации или предполагаемому использованию. Стационарные магнитометры устанавливаются в фиксированном положении, и измерения проводятся, когда магнитометр неподвижен. [4] Портативные или мобильные магнитометры предназначены для использования во время движения и могут переноситься вручную или перевозиться в движущемся транспортном средстве. Лабораторные магнитометры используются для измерения магнитного поля материалов, помещенных в них, и обычно являются стационарными. Обзорные магнитометры используются для измерения магнитных полей в геомагнитных исследованиях; они могут быть стационарными базовыми станциями, как в сети INTERMAGNET , или мобильными магнитометрами, используемыми для сканирования географического региона.
Производительность и возможности магнитометров описываются через их технические характеристики. Основные характеристики включают [1] [3]
Компас , состоящий из намагниченной стрелки, ориентация которой меняется в ответ на окружающее магнитное поле, является простым типом магнитометра, который измеряет направление поля. Частота колебаний намагниченной стрелки пропорциональна квадратному корню из силы окружающего магнитного поля; так, например, частота колебаний стрелки горизонтально расположенного компаса пропорциональна квадратному корню из горизонтальной напряженности окружающего поля. [ необходима цитата ]
В 1833 году Карл Фридрих Гаусс , глава Геомагнитной обсерватории в Геттингене, опубликовал статью об измерении магнитного поля Земли. [7] В ней описывался новый прибор, который состоял из постоянного стержневого магнита, подвешенного горизонтально на золотой нити. Разница в колебаниях при намагничивании стержня и при его размагничивании позволила Гауссу вычислить абсолютное значение силы магнитного поля Земли. [8]
Гаусс , единица измерения плотности магнитного потока в системе СГС , был назван в его честь и определяется как один максвелл на квадратный сантиметр; он равен 1×10−4 тесла ( единица СИ ) . [9]
Фрэнсис Рональдс и Чарльз Брук независимо друг от друга изобрели магнитографы в 1846 году, которые непрерывно регистрировали движения магнита с помощью фотографии , тем самым облегчая нагрузку на наблюдателей. [10] Они были быстро использованы Эдвардом Сабином и другими в глобальном магнитном обзоре, а усовершенствованные машины использовались вплоть до 20-го века. [11] [12]
Лабораторные магнитометры измеряют намагниченность , также известную как магнитный момент материала образца. В отличие от обзорных магнитометров, лабораторные магнитометры требуют, чтобы образец был помещен внутрь магнитометра, и часто можно контролировать температуру, магнитное поле и другие параметры образца. Намагниченность образца, в первую очередь, зависит от упорядочения неспаренных электронов внутри его атомов, с меньшим вкладом от ядерных магнитных моментов , ларморовского диамагнетизма и других. Упорядочение магнитных моментов в первую очередь классифицируется как диамагнитное , парамагнитное , ферромагнитное или антиферромагнитное (хотя зоология магнитного упорядочения также включает ферримагнитное , гелимагнитное , тороидальное , спиновое стекло и т. д.). Измерение намагниченности как функции температуры и магнитного поля может дать подсказки относительно типа магнитного упорядочения, а также любых фазовых переходов между различными типами магнитных порядков, которые происходят при критических температурах или магнитных полях. Этот тип магнитометрических измерений очень важен для понимания магнитных свойств материалов в физике, химии, геофизике и геологии, а также иногда в биологии.
SQUID — это тип магнитометра, используемый как в качестве обзорного, так и лабораторного магнитометра. SQUID-магнитометрия — чрезвычайно чувствительная абсолютная магнитометрическая техника. Однако SQUID чувствительны к шуму, что делает их непрактичными в качестве лабораторных магнитометров в сильных постоянных магнитных полях и в импульсных магнитах. Коммерческие SQUID-магнитометры доступны для температур образцов от 300 мК до 400 К и магнитных полей до 7 тесла.
Индуктивные катушки захвата (также называемые индуктивными датчиками) измеряют магнитный дипольный момент материала, определяя ток, индуцированный в катушке из-за изменения магнитного момента образца. Намагниченность образца может быть изменена путем приложения небольшого переменного магнитного поля (или быстро меняющегося постоянного поля), как это происходит в импульсных магнитах с конденсаторным приводом. Эти измерения требуют дифференциации между магнитным полем, создаваемым образцом, и полем от внешнего приложенного поля. Часто используется специальное расположение катушек компенсации. Например, половина катушки захвата намотана в одном направлении, а другая половина — в другом направлении, и образец помещается только в одну половину. Внешнее однородное магнитное поле обнаруживается обеими половинами катушки, и поскольку они намотаны встречно, внешнее магнитное поле не создает чистого сигнала.
Вибрационные магнитометры (VSM) определяют дипольный момент образца путем механической вибрации образца внутри индуктивной приемной катушки или внутри катушки SQUID. Измеряется индуцированный ток или изменяющийся поток в катушке. Вибрация обычно создается двигателем или пьезоэлектрическим приводом. Обычно метод VSM примерно на порядок менее чувствителен, чем магнитометрия SQUID. VSM можно комбинировать с SQUID, чтобы создать систему, которая более чувствительна, чем каждый из них по отдельности. Тепло, вызванное вибрацией образца, может ограничить базовую температуру VSM, обычно до 2 кельвинов. VSM также непрактичен для измерения хрупкого образца, чувствительного к быстрому ускорению.
Импульсная магнитометрия с извлечением поля — еще один метод, использующий приемные катушки для измерения намагниченности. В отличие от VSM, где образец физически вибрирует, в импульсной магнитометрии с извлечением поля образец закреплен, а внешнее магнитное поле быстро изменяется, например, в конденсаторном магните. Затем необходимо использовать один из нескольких методов для компенсации внешнего поля из поля, создаваемого образцом. К ним относятся катушки с противонамоткой, которые нейтрализуют внешнее однородное поле, и фоновые измерения с образцом, удаленным из катушки.
Магнитная крутящая магнитометрия может быть даже более чувствительной, чем SQUID-магнитометрия. Однако магнитная крутящая магнитометрия не измеряет магнетизм напрямую, как все ранее упомянутые методы. Магнитная крутящая магнитометрия вместо этого измеряет крутящий момент τ, действующий на магнитный момент образца μ в результате однородного магнитного поля B, τ = μ × B. Таким образом, крутящий момент является мерой магнитной или анизотропной формы образца. В некоторых случаях намагниченность образца может быть извлечена из измеренного крутящего момента. В других случаях измерение магнитного крутящего момента используется для обнаружения магнитных фазовых переходов или квантовых колебаний . Наиболее распространенным способом измерения магнитного крутящего момента является установка образца на кантилевер и измерение смещения с помощью измерения емкости между кантилевером и близлежащим фиксированным объектом, или путем измерения пьезоэлектричества кантилевера, или с помощью оптической интерферометрии с поверхности кантилевера.
Магнитометрия силы Фарадея использует тот факт, что пространственный градиент магнитного поля создает силу, которая действует на намагниченный объект, F = (M⋅∇)B. В магнитометрии силы Фарадея сила, действующая на образец, может быть измерена с помощью весов (подвешивая образец на чувствительные весы) или путем обнаружения смещения относительно пружины. Обычно используется емкостный датчик нагрузки или кантилевер из-за его чувствительности, размера и отсутствия механических частей. Магнитометрия силы Фарадея примерно на один порядок менее чувствительна, чем СКВИД. Самый большой недостаток магнитометрии силы Фарадея заключается в том, что она требует некоторых средств не только для создания магнитного поля, но и для создания градиента магнитного поля. Хотя это может быть достигнуто с помощью набора специальных полюсных поверхностей, гораздо лучшего результата можно достичь с помощью набора градиентных катушек. Главным преимуществом магнитометрии силы Фарадея является то, что она мала и достаточно устойчива к шуму, и, таким образом, может быть реализована в широком диапазоне сред, включая холодильник для разбавления . Магнитометрия силы Фарадея также может быть осложнена наличием крутящего момента (см. предыдущую методику). Этого можно избежать, изменяя градиентное поле независимо от приложенного постоянного поля, чтобы можно было разделить крутящий момент и вклад силы Фарадея, и/или спроектировав магнитометр силы Фарадея, который предотвращает вращение образца.
Оптическая магнитометрия использует различные оптические методы для измерения намагниченности. Один из таких методов, магнитометрия Керра, использует магнитооптический эффект Керра , или MOKE. В этом методе падающий свет направляется на поверхность образца. Свет взаимодействует с намагниченной поверхностью нелинейно, поэтому отраженный свет имеет эллиптическую поляризацию, которая затем измеряется детектором. Другой метод оптической магнитометрии — это вращательная магнитометрия Фарадея. Вращательная магнитометрия Фарадея использует нелинейное магнитооптическое вращение для измерения намагниченности образца. В этом методе тонкая модулирующая пленка Фарадея наносится на измеряемый образец, и серия изображений делается с помощью камеры, которая определяет поляризацию отраженного света. Чтобы уменьшить шум, несколько изображений затем усредняются вместе. Одним из преимуществ этого метода является то, что он позволяет отображать магнитные характеристики на поверхности образца. Это может быть особенно полезно при изучении таких вещей, как эффект Мейсснера на сверхпроводниках. Микроизготовленные оптически накачиваемые магнитометры (μOPM) могут использоваться для более точного определения источника мозговых припадков и генерировать меньше тепла, чем имеющиеся в настоящее время сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства, более известные как SQUID. [13] Устройство работает, используя поляризованный свет для управления спином атомов рубидия, что может использоваться для измерения и мониторинга магнитного поля. [14]
Обзорные магнитометры можно разделить на два основных типа:
Вектор — это математическая сущность, имеющая как величину, так и направление. Магнитное поле Земли в заданной точке — это вектор. Магнитный компас предназначен для указания горизонтального направления , тогда как векторный магнитометр измеряет как величину, так и направление полного магнитного поля. Для измерения компонентов магнитного поля во всех трех измерениях требуются три ортогональных датчика.
Они также оцениваются как «абсолютные», если напряженность поля может быть откалибрована на основе их собственных известных внутренних констант, или как «относительные», если их необходимо калибровать по отношению к известному полю.
Магнитограф — это магнитометр , который непрерывно записывает данные с течением времени. Эти данные обычно представляются в виде магнитограмм. [15]
Магнитометры также можно классифицировать как «переменного тока», если они измеряют поля, которые относительно быстро меняются во времени (>100 Гц), и «постоянного тока», если они измеряют поля, которые меняются только медленно (квазистатические) или являются статическими. Магнитометры переменного тока находят применение в электромагнитных системах (таких как магнитотеллурические ), а магнитометры постоянного тока используются для обнаружения минерализации и соответствующих геологических структур.
Протонные прецессионные магнитометры , также известные как протонные магнитометры , PPM или просто mags, измеряют резонансную частоту протонов (ядер водорода) в измеряемом магнитном поле, благодаря ядерному магнитному резонансу (ЯМР). Поскольку частота прецессии зависит только от атомных констант и силы окружающего магнитного поля, точность этого типа магнитометра может достигать 1 ppm . [16]
Постоянный ток, текущий в соленоиде, создает сильное магнитное поле вокруг богатой водородом жидкости ( популярны керосин и декан , и даже вода может быть использована), заставляя некоторые протоны выстраиваться в соответствии с этим полем. Затем ток прерывается, и по мере того, как протоны перестраиваются в соответствии с окружающим магнитным полем, они прецессируют с частотой, которая прямо пропорциональна магнитному полю. Это создает слабое вращающееся магнитное поле, которое улавливается (иногда отдельным) индуктором, усиливается электронным способом и подается на цифровой частотомер, выходной сигнал которого обычно масштабируется и отображается непосредственно как напряженность поля или выводится как цифровые данные.
Для ручных/рюкзачных устройств частота выборки PPM обычно ограничена менее чем одной выборкой в секунду. Измерения обычно проводятся с датчиком, удерживаемым в фиксированных местах с шагом примерно 10 метров.
Портативные приборы также ограничены объемом датчика (весом) и энергопотреблением. PPM работают в градиентах поля до 3000 нТл/м, что достаточно для большинства работ по разведке полезных ископаемых. Для более высокой устойчивости к градиенту, например, для картирования полосчатых железных образований и обнаружения крупных железных объектов, магнитометры Оверхаузера могут обрабатывать 10 000 нТл/м, а цезиевые магнитометры — 30 000 нТл/м.
Они относительно недорогие (< US$8000) и когда-то широко использовались при разведке полезных ископаемых. На рынке доминируют три производителя: GEM Systems, Geometrics и Scintrex. Популярные модели включают G-856/857, Smartmag, GSM-18 и GSM-19T.
При разведке полезных ископаемых их заменили приборы Оверхаузера, цезиевые и калиевые приборы, которые работают с высокой частотой и не требуют от оператора пауз между измерениями.
Магнитометр с эффектом Оверхаузера или магнитометр Оверхаузера использует тот же фундаментальный эффект, что и магнитометр прецессии протонов, для проведения измерений. Добавляя свободные радикалы в измерительную жидкость, ядерный эффект Оверхаузера может быть использован для значительного улучшения магнитометра прецессии протонов. Вместо того, чтобы выравнивать протоны с помощью соленоида, используется маломощное радиочастотное поле для выравнивания (поляризации) электронного спина свободных радикалов, который затем соединяется с протонами через эффект Оверхаузера. Это имеет два основных преимущества: управление радиочастотным полем занимает часть энергии (что позволяет использовать более легкие батареи для портативных устройств), и более быстрая выборка, поскольку электронно-протонная связь может происходить даже во время проведения измерений. Магнитометр Оверхаузера выдает показания со стандартным отклонением от 0,01 нТл до 0,02 нТл при выборке один раз в секунду.
Оптически накачиваемый цезиевый паровой магнитометр является высокочувствительным (300 фТл/Гц 0,5 ) и точным устройством, используемым в широком спектре приложений. Это один из ряда щелочных паров (включая рубидий и калий ), которые используются таким образом. [17]
Устройство в целом состоит из излучателя фотонов , например, лазера, поглощающей камеры, содержащей пары цезия, смешанные с « буферным газом », через который проходят испускаемые фотоны , и детектора фотонов, расположенных в указанном порядке. Буферным газом обычно является гелий или азот , и они используются для уменьшения столкновений между атомами паров цезия.
Основной принцип, позволяющий устройству работать, заключается в том, что атом цезия может существовать на любом из девяти энергетических уровней , которые можно неформально рассматривать как размещение электронных атомных орбиталей вокруг атомного ядра . Когда атом цезия внутри камеры сталкивается с фотоном от лазера, он возбуждается до более высокого энергетического состояния, испускает фотон и падает в неопределенное более низкое энергетическое состояние. Атом цезия «чувствителен» к фотонам от лазера в трех из своих девяти энергетических состояний, и поэтому, предполагая замкнутую систему, все атомы в конечном итоге попадают в состояние, в котором все фотоны от лазера проходят беспрепятственно и измеряются детектором фотонов. Пары цезия стали прозрачными. Этот процесс происходит непрерывно, чтобы поддерживать как можно больше электронов в этом состоянии.
В этот момент образец (или популяция) считается оптически накачанным и готовым к проведению измерений. При приложении внешнего поля это состояние нарушается, и атомы переходят в другие состояния, что делает пар менее прозрачным. Фотодетектор может измерить это изменение и, следовательно, измерить величину магнитного поля.
В наиболее распространенном типе цезиевого магнитометра к ячейке прикладывается очень слабое переменное магнитное поле. Поскольку разница в уровнях энергии электронов определяется внешним магнитным полем, существует частота, на которой это слабое переменное поле заставляет электроны менять состояния. В этом новом состоянии электроны снова могут поглощать фотон света. Это вызывает сигнал на фотодетекторе, который измеряет свет, проходящий через ячейку. Сопутствующая электроника использует этот факт для создания сигнала точно на частоте, которая соответствует внешнему полю.
Другой тип цезиевого магнитометра модулирует свет, подаваемый на ячейку. Это называется магнитометром Белла-Блума, в честь двух ученых, которые впервые исследовали этот эффект. Если свет включается и выключается на частоте, соответствующей полю Земли, [ необходимо разъяснение ] происходит изменение сигнала, наблюдаемого на фотодетекторе. Опять же, связанная электроника использует это для создания сигнала точно на частоте, соответствующей внешнему полю. Оба метода приводят к высокопроизводительным магнитометрам.
Калий является единственным оптически накачиваемым магнитометром, который работает на одной узкой линии электронного спинового резонанса (ЭСР) в отличие от других щелочных паровых магнитометров, которые используют нерегулярные, составные и широкие спектральные линии, а также гелий с изначально широкой спектральной линией. [18]
Магнитометры на основе гелия-4 , возбужденного до метастабильного триплетного состояния благодаря плазменному разряду, были разработаны в 1960-х и 70-х годах компанией Texas Instruments , затем ее ответвлением Polatomic [19] и с конца 1980-х годов компанией CEA-Leti . Последняя разработала конфигурацию, которая устраняет мертвые зоны [20] , которые являются повторяющейся проблемой атомных магнитометров. Было продемонстрировано, что эта конфигурация показывает точность 50 пТл при работе на орбите. ESA выбрало эту технологию для миссии Swarm , которая была запущена в 2013 году. Экспериментальный векторный режим, который мог бы конкурировать с феррозондовыми магнитометрами, был испытан в этой миссии с общим успехом. [21]
Цезиевые и калиевые магнитометры обычно используются там, где требуется более производительный магнитометр, чем протонный магнитометр. В археологии и геофизике, где датчик проходит через область и часто требуется много точных измерений магнитного поля, цезиевые и калиевые магнитометры имеют преимущества перед протонным магнитометром.
Более высокая скорость измерения цезиевого и калиевого магнитометра позволяет датчику перемещаться по области быстрее для заданного количества точек данных. Цезиевые и калиевые магнитометры нечувствительны к вращению датчика во время проведения измерения.
Низкий уровень шума цезиевых и калиевых магнитометров позволяет этим измерениям более точно отображать изменения поля в зависимости от местоположения.
Векторные магнитометры измеряют один или несколько компонентов магнитного поля электронным способом. Используя три ортогональных магнитометра, можно измерить как азимут, так и наклон (наклон). Извлекая квадратный корень из суммы квадратов компонентов, можно рассчитать общую напряженность магнитного поля (также называемую общей магнитной напряженностью, TMI) по теореме Пифагора .
Векторные магнитометры подвержены температурному дрейфу и размерной нестабильности ферритовых сердечников. Они также требуют выравнивания для получения информации о компонентах, в отличие от приборов полного поля (скалярных). По этим причинам они больше не используются для разведки полезных ископаемых.
Магнитное поле индуцирует синусоидальную волну во вращающейся катушке . Амплитуда сигнала пропорциональна напряженности поля, если оно однородно, и синусу угла между осью вращения катушки и линиями поля. Этот тип магнитометра устарел.
Наиболее распространенными магнитными сенсорными устройствами являются твердотельные датчики Холла . Эти датчики вырабатывают напряжение, пропорциональное приложенному магнитному полю, а также определяют полярность. Они используются в приложениях, где сила магнитного поля относительно велика, например, в антиблокировочных тормозных системах автомобилей, которые определяют скорость вращения колес через пазы в дисках колес.
Они сделаны из тонких полосок пермаллоя , сплава никеля и железа с высокой магнитной проницаемостью , электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от изменения магнитного поля. Они имеют четко определенную ось чувствительности, могут быть изготовлены в 3-D версиях и могут быть массово произведены как интегральная схема. Они имеют время отклика менее 1 микросекунды и могут быть опробованы в движущихся транспортных средствах до 1000 раз/секунду. Их можно использовать в компасах, которые считывают показания в пределах 1°, для которых базовый датчик должен надежно разрешать 0,1°. [22]
Феррозондовый магнитометр был изобретен Х. Ашенбреннером и Г. Губо в 1936 году. [23] [24] : 4 Группа исследователей Gulf Research Laboratories под руководством Виктора Вакье разработала воздушные феррозондовые магнитометры для обнаружения подводных лодок во время Второй мировой войны , а после войны подтвердила теорию тектоники плит , используя их для измерения сдвигов в магнитных узорах на морском дне. [25]
Феррозондовый магнитометр состоит из небольшого магниточувствительного сердечника, обернутого двумя катушками провода. Переменный электрический ток пропускается через одну катушку, заставляя сердечник проходить через чередующийся цикл магнитного насыщения ; т. е. намагничивается, не намагничивается, обратно намагничивается, не намагничивается, намагничивается и т. д. Это постоянно меняющееся поле индуцирует напряжение во второй катушке, которое измеряется детектором. На магнитно-нейтральном фоне входные и выходные сигналы совпадают. Однако, когда сердечник подвергается воздействию фонового поля, он легче насыщается в соответствии с этим полем и труднее насыщается в противофазе с ним. Следовательно, переменное магнитное поле и индуцированное выходное напряжение не совпадают с входным током. Степень, в которой это происходит, зависит от силы фонового магнитного поля. Часто сигнал в выходной катушке интегрируется, давая выходное аналоговое напряжение, пропорциональное магнитному полю.
В настоящее время доступно и используется большое разнообразие датчиков для измерения магнитных полей. Феррозондовые компасы и градиометры измеряют направление и величину магнитных полей. Феррозонды доступны по цене, прочны и компактны, а миниатюризация недавно достигла точки комплексных сенсорных решений в виде микросхем, включая примеры как из академической среды [26], так и из промышленности. [27] Это, а также их обычно низкое энергопотребление делают их идеальными для различных приложений измерения. Градиентометры обычно используются для археологических изысканий и обнаружения неразорвавшихся боеприпасов (НРБ), таких как популярный немецкий военный Foerster . [28]
Типичный феррозондовый магнитометр состоит из «чувствительной» (вторичной) катушки, окружающей внутреннюю «приводную» (первичную) катушку, которая плотно намотана вокруг высокопроницаемого материала сердечника, такого как мю-металл или пермаллой . Переменный ток подается на приводную обмотку, которая приводит сердечник в действие в непрерывном повторяющемся цикле насыщения и ненасыщения. Для внешнего поля сердечник попеременно слабо проницаем и высоко проницаем. Сердечник часто представляет собой тороидально обернутое кольцо или пару линейных элементов, приводные обмотки которых намотаны в противоположных направлениях. Такие замкнутые пути потока минимизируют связь между приводной и измерительной обмотками. В присутствии внешнего магнитного поля, когда сердечник находится в высокопроницаемом состоянии, такое поле локально притягивается или стробируется (отсюда и название феррозондовый) через измерительную обмотку. Когда сердечник слабо проницаем, внешнее поле притягивается меньше. Такое непрерывное включение и выключение внешнего поля в обмотку считывания индуцирует в обмотке считывания сигнал, основная частота которого в два раза превышает частоту возбуждения, а сила и фазовая ориентация которого напрямую зависят от величины и полярности внешнего поля.
Существуют дополнительные факторы, которые влияют на размер результирующего сигнала. К этим факторам относятся количество витков в обмотке датчика, магнитная проницаемость сердечника, геометрия датчика и скорость изменения управляемого потока по отношению к времени.
Фазовое синхронное обнаружение используется для извлечения этих гармонических сигналов из обмотки считывания и преобразования их в постоянное напряжение, пропорциональное внешнему магнитному полю. Активная обратная связь по току также может использоваться, так что обмотка считывания приводится в действие для противодействия внешнему полю. В таких случаях ток обратной связи изменяется линейно с внешним магнитным полем и используется в качестве основы для измерения. Это помогает противостоять присущей нелинейности между приложенной внешней напряженностью поля и потоком, пропущенным через обмотку считывания.
СКВИДы , или сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства, измеряют чрезвычайно малые изменения в магнитных полях. Это очень чувствительные векторные магнитометры с уровнем шума всего 3 fT Гц −½ в коммерческих приборах и 0,4 fT Гц −½ в экспериментальных устройствах. Многие коммерческие СКВИДы с жидким гелиевым охлаждением достигают плоского спектра шума от почти постоянного тока (менее 1 Гц) до десятков килогерц, что делает такие устройства идеальными для измерений биомагнитных сигналов во временной области. Атомные магнитометры SERF, продемонстрированные в лабораториях, пока достигают конкурентоспособного уровня шума, но в относительно небольших частотных диапазонах.
Магнитометры SQUID требуют охлаждения жидким гелием (4,2 К ) или жидкий азот (77 K ) для работы, поэтому требования к упаковке для их использования довольно строгие как с термомеханической, так и с магнитной точки зрения. Магнитометры SQUID чаще всего используются для измерения магнитных полей, создаваемых лабораторными образцами, а также для измерения мозговой или сердечной активности ( магнитоэнцефалография и магнитокардиография соответственно). Геофизические исследования время от времени используют SQUID, но логистика охлаждения SQUID намного сложнее, чем у других магнитометров, работающих при комнатной температуре.
Магнитометры на основе атомарных газов могут выполнять векторные измерения магнитного поля в режиме слабого поля, где распад атомной когерентности становится быстрее частоты Лармора . Физика таких магнитометров основана на эффекте Ханле . Такие оптически накачиваемые магнитометры с нулевым полем были испытаны в различных конфигурациях и с различными видами атомов, в частности, щелочными (калий, рубидий и цезий), гелием и ртутью . В случае щелочи время когерентности было сильно ограничено из-за релаксации спинового обмена. Крупный прорыв произошел в начале десятилетия 2000-х годов, группа Ромалиса в Принстоне продемонстрировала, что в таком режиме слабого поля время когерентности щелочных металлов может быть значительно увеличено, если достаточно высокая плотность может быть достигнута путем высокотемпературного нагрева, это так называемый эффект SERF .
Основной интерес магнитометров с оптической накачкой заключается в замене магнитометров SQUID в приложениях, где криогенное охлаждение является недостатком. Это особенно касается медицинской визуализации, где такое охлаждение налагает толстую теплоизоляцию, сильно влияя на амплитуду регистрируемых биомагнитных сигналов. Несколько стартапов в настоящее время разрабатывают магнитометры с оптической накачкой для биомедицинских приложений: TwinLeaf, [29] quSpin [30] и FieldLine [31] основаны на парах щелочи, а Mag4Health — на метастабильном гелии-4. [32]
При достаточно высокой атомной плотности может быть достигнута чрезвычайно высокая чувствительность. Атомные магнитометры без спинового обмена ( SERF ), содержащие пары калия , цезия или рубидия, работают аналогично цезиевым магнитометрам, описанным выше, но могут достигать чувствительности ниже 1 fT Hz − 1 ⁄ 2 . Магнитометры SERF работают только в небольших магнитных полях. Поле Земли составляет около 50 мкТл ; магнитометры SERF работают в полях менее 0,5 мкТл.
Детекторы большого объема достигли чувствительности 200 аТ Гц − 1 ⁄ 2 . [33] Эта технология имеет большую чувствительность на единицу объема, чем детекторы SQUID. [34] Технология также может производить очень маленькие магнитометры, которые в будущем могут заменить катушки для обнаружения радиочастотных магнитных полей. [ необходима цитата ] Эта технология может производить магнитный датчик, который имеет все свои входные и выходные сигналы в форме света на оптоволоконных кабелях. [35] Это позволяет проводить магнитные измерения вблизи высоких электрических напряжений.
Калибровка магнитометров обычно выполняется с помощью катушек, которые питаются электрическим током для создания магнитного поля. Это позволяет охарактеризовать чувствительность магнитометра (в терминах V/T). Во многих приложениях однородность калибровочной катушки является важной характеристикой. По этой причине катушки, такие как катушки Гельмгольца, обычно используются либо в одноосной, либо в трехосной конфигурации. Для требовательных приложений высокая однородность магнитного поля является обязательной, в таких случаях калибровка магнитного поля может быть выполнена с использованием катушки Максвелла , косинусных катушек [36] или калибровки в высокооднородном магнитном поле Земли .
Магнитометры имеют очень широкий спектр применения, включая определение местоположения таких объектов, как подводные лодки, затонувшие корабли, опасности, влияющие на проходческие машины туннелей , опасности угольных шахт, неразорвавшиеся боеприпасы, бочки с токсичными отходами, а также широкий спектр месторождений полезных ископаемых и геологических структур. Они также применяются в мониторах сердечного ритма, обнаружении скрытого оружия, [37] позиционировании военных систем оружия, датчиках в антиблокировочных тормозах, прогнозировании погоды (через солнечные циклы), стальных пилонах, системах наведения буровых установок, археологии, тектонике плит, распространении радиоволн и исследовании планет. Лабораторные магнитометры определяют магнитный дипольный момент магнитного образца, как правило, как функцию температуры , магнитного поля или другого параметра. Это помогает выявить его магнитные свойства, такие как ферромагнетизм , антиферромагнетизм , сверхпроводимость или другие свойства, которые влияют на магнетизм .
В зависимости от области применения магнитометры могут размещаться на космических кораблях, самолетах ( магнитометры с фиксированным крылом ), вертолетах (магнитометры Stinger и Bird ), на земле ( рюкзачные ), буксироваться на расстоянии за квадроциклами (ATV) на ( санях или прицепе ), опускаться в скважины ( инструмент , зонд или зонд ) или буксироваться за лодками ( буксировщики ).
Магнитометры используются для измерения или мониторинга механического напряжения в ферромагнитных материалах. Механическое напряжение улучшит выравнивание магнитных доменов в микроскопическом масштабе, что увеличит магнитное поле, измеряемое вблизи материала магнитометрами. Существуют различные гипотезы о связи напряжения и намагниченности. Однако во многих научных публикациях утверждается, что влияние механического напряжения на измеряемое магнитное поле вблизи образца доказано. Были предприняты попытки решить обратную задачу разрешения намагниченности и напряжения, чтобы количественно оценить напряжение на основе измеренного магнитного поля. [38] [39]
Магнитометры широко используются в экспериментальной физике элементарных частиц для измерения магнитного поля основных компонентов, таких как концентрационные или фокусирующие пучковые магниты.
Магнитометры также используются для обнаружения археологических памятников , затонувших кораблей и других захороненных или затопленных объектов. Градиентометры Fluxgate популярны благодаря своей компактной конфигурации и относительно низкой стоимости. Градиентометры улучшают мелководные особенности и устраняют необходимость в базовой станции. Цезиевые и Оверхаузеровские магнитометры также очень эффективны при использовании в качестве градиентометров или в качестве систем с одним датчиком и базовыми станциями.
Телевизионная программа Time Team популяризировала «геофизику», включая магнитные методы, используемые в археологических работах для обнаружения очагов огня, стен из обожженного кирпича и магнитных камней, таких как базальт и гранит. Пешеходные тропы и дороги иногда можно картировать с помощью дифференциального уплотнения в магнитных почвах или с помощью нарушений в глинах, например, на Великой Венгерской равнине . Вспаханные поля ведут себя как источники магнитного шума в таких исследованиях.
Магнитометры могут дать указание на авроральную активность до того, как свет от полярного сияния станет видимым. Сеть магнитометров по всему миру постоянно измеряет влияние солнечного ветра на магнитное поле Земли, которое затем публикуется в K-индексе . [40]
Хотя магнитометры могут использоваться для картирования формы бассейна в региональном масштабе, они чаще всего используются для картирования опасностей для добычи угля, таких как базальтовые интрузии ( дайки , силлы и вулканические пробки ), которые уничтожают ресурсы и представляют опасность для оборудования для добычи угля длинными забоями. Магнитометры также могут определять зоны, воспламененные молнией, и картировать сидерит (примесь в угле).
Наилучшие результаты съемки достигаются на земле при съемках с высоким разрешением (примерно с интервалом между линиями 10 м и интервалом между станциями 0,5 м). Магнитометры скважин с использованием Ferret [ необходимо уточнение ] также могут помочь, когда угольные пласты находятся на большой глубине, используя несколько силлов или заглядывая под поверхностные базальтовые потоки. [ необходима ссылка ]
Современные обследования обычно используют магнитометры с технологией GPS для автоматической записи магнитного поля и их местоположения. Затем набор данных корректируется с помощью данных со второго магнитометра (базовой станции), который остается неподвижным и регистрирует изменение магнитного поля Земли во время обследования. [41]
Магнитометры используются при направленном бурении нефтяных или газовых скважин для определения азимута буровых инструментов вблизи буровой установки. [42] Чаще всего они используются в паре с акселерометрами в буровых инструментах, чтобы можно было определить как наклон , так и азимут буровой установки. [42]
В оборонительных целях флот использует массивы магнитометров, установленных на морском дне в стратегических местах (например, вокруг портов) для мониторинга активности подводных лодок. Российские титановые подводные лодки класса «Альфа» были спроектированы и построены с большими затратами, чтобы помешать таким системам (поскольку чистый титан немагнитен). [43]
Военные подводные лодки размагничиваются — проходя через большие подводные петли через регулярные интервалы — чтобы избежать обнаружения системами мониторинга морского дна, детекторами магнитных аномалий и магнитно-срабатывающими минами. Однако подводные лодки никогда не размагничиваются полностью. Можно определить глубину, на которой находилась подводная лодка, измерив ее магнитное поле, которое искажается, поскольку давление искажает корпус и, следовательно, поле. Нагрев также может изменить намагниченность стали. [ необходимо разъяснение ]
Подводные лодки буксируют длинные сонарные массивы для обнаружения кораблей и даже могут распознавать различные шумы винтов. Гидроакустические массивы должны быть точно позиционированы, чтобы они могли триангулировать направление к целям (например, кораблям). Массивы не буксируются по прямой линии, поэтому для ориентации каждого узла сонара в массиве используются феррозондовые магнитометры.
Феррозонды также могут использоваться в системах навигации оружия, но в настоящее время они в значительной степени вытеснены GPS и кольцевыми лазерными гироскопами .
Магнитометры, такие как немецкий Foerster, используются для обнаружения железных боеприпасов. Цезиевые и Оверхаузеровские магнитометры используются для обнаружения и очистки старых бомбардировок и испытательных полигонов.
Полезная нагрузка БПЛА также включает магнитометры для ряда оборонительных и наступательных задач. [ нужен пример ]
Магнитометрические исследования могут быть полезны для определения магнитных аномалий, которые представляют собой руду (прямое обнаружение), или в некоторых случаях жильные минералы, связанные с рудными месторождениями (косвенное или выведенное обнаружение). Сюда входят железная руда , магнетит , гематит и часто пирротин .
Развитые страны, такие как Австралия, Канада и США, вкладывают значительные средства в систематические аэромагнитные съемки своих континентов и окружающих океанов, чтобы помочь с геологией карт и открытием месторождений полезных ископаемых. Такие аэромагнитные съемки обычно проводятся с интервалом между линиями 400 м на высоте 100 м, с показаниями каждые 10 метров или более. Чтобы преодолеть асимметрию в плотности данных, данные интерполируются между линиями (обычно 5 раз), а затем данные вдоль линии усредняются. Такие данные привязываются к сетке размером 80 м × 80 м, а изображение обрабатывается с помощью программы, такой как ERMapper. В масштабе разведочного лизинга за съемкой может следовать более подробная съемка в стиле helimag или crop duster с фиксированным крылом с интервалом между линиями 50 м и высотой 50 м (если позволяет рельеф местности). Такое изображение привязывается к сетке размером 10 × 10 м, что обеспечивает разрешение в 64 раза больше.
Если цели находятся на небольшой глубине (<200 м), аэромагнитные аномалии могут быть выявлены с помощью наземной магнитной съемки с интервалом между линиями от 10 до 50 м и интервалом между станциями 1 м для обеспечения наилучшей детализации (сетка пикселей от 2 до 10 м) (или в 25 раз больше разрешения до бурения).
Магнитные поля от магнитных тел руды падают обратно пропорционально кубу расстояния ( дипольная цель) или, в лучшем случае, обратно пропорционально квадрату расстояния ( магнитная монопольная цель). Одна из аналогий разрешения-по-расстоянию — это автомобиль, едущий ночью с включенными фарами. На расстоянии 400 м можно увидеть одну светящуюся дымку, но по мере ее приближения становятся видны две фары, а затем левый поворотник.
Существует множество проблем с интерпретацией магнитных данных для разведки полезных ископаемых. Несколько целей смешиваются вместе, как несколько источников тепла, и, в отличие от света, нет магнитного телескопа, чтобы сфокусировать поля. Комбинация нескольких источников измеряется на поверхности. Геометрия, глубина или направление намагничивания (остаточная намагниченность) целей также, как правило, неизвестны, поэтому несколько моделей могут объяснить данные.
Potent от Geophysical Software Solutions [1] — ведущий пакет программ для интерпретации магнитных (и гравитационных) данных, широко используемый в австралийской геологоразведочной отрасли.
Магнитометры помогают исследователям полезных ископаемых как напрямую (например, золотая минерализация, связанная с магнетитом , алмазы в кимберлитовых трубках ), так и, что более распространено, косвенно, например, путем картирования геологических структур, способствующих минерализации (например, зоны сдвига и ореолы изменений вокруг гранитов).
Воздушные магнитометры обнаруживают изменение магнитного поля Земли с помощью датчиков, прикрепленных к самолету в форме «жала» или путем буксировки магнитометра на конце кабеля. Магнитометр на кабеле часто называют «бомбой» из-за его формы. Другие называют его «птицей».
Поскольку холмы и долины под самолетом заставляют магнитные показания подниматься и опускаться, радиолокационный высотомер отслеживает отклонение датчика от номинальной высоты над землей. Также может быть камера, которая фотографирует землю. Местоположение измерения определяется также путем записи GPS.
Многие смартфоны содержат миниатюрные микроэлектромеханические системы (MEMS) магнитометров, которые используются для определения напряженности магнитного поля и используются в качестве компасов . iPhone 3GS имеет магнитометр, магниторезистивный датчик пермаллоя, AN-203 производства Honeywell. [44] В 2009 году цена трехосевых магнитометров упала ниже 1 доллара США за устройство и быстро упала. Использование трехосевого устройства означает, что оно не чувствительно к тому, как его держат в ориентации или высоте. Устройства на эффекте Холла также популярны. [45]
Исследователи из Deutsche Telekom использовали магнитометры, встроенные в мобильные устройства, чтобы обеспечить бесконтактное 3D-взаимодействие . Их фреймворк взаимодействия, называемый MagiTact, отслеживает изменения магнитного поля вокруг мобильного телефона, чтобы идентифицировать различные жесты, совершаемые рукой, держащей или носящей магнит. [46]
Сейсмические методы предпочтительнее магнитометров в качестве основного метода исследования для разведки нефти, хотя магнитные методы могут дать дополнительную информацию о глубинной геологии и в некоторых средах свидетельство утечки из ловушек. [47] Магнитометры также используются в разведке нефти для отображения местоположений геологических особенностей, которые делают бурение нецелесообразным, и других особенностей, которые дают геофизикам более полную картину стратиграфии .
Трехосевой феррозондовый магнитометр был частью миссий Mariner 2 и Mariner 10. [48] Двойной магнитометр является частью миссии Cassini-Huygens по исследованию Сатурна. [49] Эта система состоит из векторного гелиевого и феррозондового магнитометров. [50] Магнитометры также были компонентным инструментом в миссии Mercury MESSENGER . Магнитометр также может использоваться спутниками, такими как GOES, для измерения как величины , так и направления магнитного поля планеты или луны.
Систематические обследования могут быть использованы для поиска месторождений полезных ископаемых или обнаружения потерянных объектов. Такие обследования делятся на:
Наборы данных Aeromag для Австралии можно загрузить из базы данных GADDS.
Данные можно разделить на точечные и графические данные, последние из которых представлены в формате ERMapper.
На основе измеренного в пространстве распределения параметров магнитного поля (например, амплитуды или направления) могут быть получены изображения магнитовизор . Такое представление магнитных данных очень полезно для дальнейшего анализа и слияния данных .
Магнитные градиентометры представляют собой пары магнитометров, датчики которых разнесены, как правило, по горизонтали на фиксированное расстояние. Показания вычитаются для измерения разницы между измеренными магнитными полями, что дает градиенты поля, вызванные магнитными аномалиями. Это один из способов компенсации как изменчивости магнитного поля Земли во времени, так и других источников электромагнитных помех, что позволяет более чувствительно обнаруживать аномалии. Поскольку вычитаются почти равные значения, требования к шумовым характеристикам магнитометров более экстремальны.
Градиентометры усиливают неглубокие магнитные аномалии и, таким образом, подходят для археологических и геологических работ. Они также подходят для работы в режиме реального времени, например, для поиска неразорвавшихся боеприпасов (UXO). В два раза эффективнее запустить базовую станцию и использовать два (или более) мобильных датчика для одновременного считывания параллельных линий (при условии, что данные сохраняются и обрабатываются). Таким образом, можно рассчитать как градиенты вдоль линии, так и поперек линии.
В традиционной разведке полезных ископаемых и археологических работах для определения области исследования использовались колышки сетки, установленные теодолитом и рулеткой. В некоторых исследованиях НРБ для определения полос использовались веревки. В воздушных исследованиях использовались радиотриангуляционные маяки, такие как Siledus.
Для запуска магнитометров были разработаны немагнитные электронные триггеры hipchain. Они использовали вращающиеся энкодеры для измерения расстояния вдоль одноразовых катушек с хлопком.
Современные исследователи используют ряд GPS-устройств с низкой магнитной сигнатурой, включая кинематическую GPS-систему реального времени.
Магнитные съемки могут страдать от шума, исходящего из различных источников. Различные технологии магнитометров страдают от различных видов проблем с шумом.
Ошибки направления — это одна группа шума. Они могут иметь три источника:
Некоторые датчики полного поля дают разные показания в зависимости от их ориентации. Магнитные материалы в самом датчике являются основной причиной этой ошибки. В некоторых магнитометрах, таких как паровые магнитометры (цезиевые, калиевые и т. д.), существуют источники погрешности курса в физике, которые вносят небольшой вклад в общую погрешность курса.
Шум консоли исходит от магнитных компонентов на консоли или внутри нее. К ним относятся феррит в сердечниках индукторов и трансформаторов, стальные рамы вокруг ЖК-дисплеев, ножки на микросхемах и стальные корпуса одноразовых батареек. Некоторые популярные разъемы MIL spec также имеют стальные пружины.
Операторы должны заботиться о том, чтобы быть магнитно чистыми, и должны проверять «магнитную гигиену» всей одежды и предметов, которые носят с собой во время обследования. Шляпы Akubra очень популярны в Австралии, но их стальные оправы необходимо снимать перед использованием при магнитных обследованиях. Стальные кольца на блокнотах, ботинки со стальными наконечниками и стальные пружины в люверсах комбинезонов могут вызывать ненужный шум во время обследований. Ручки, мобильные телефоны и имплантаты из нержавеющей стали также могут быть проблемными.
Магнитный отклик (шум) от ферромагнитного объекта на операторе и консоли может меняться в зависимости от направления движения из-за индукции и остаточной намагниченности. Системы аэромагнитной разведки и квадроциклов могут использовать специальные компенсаторы для коррекции шума ошибки направления.
Ошибки направления выглядят как елочные узоры на снимках съемки. Альтернативные линии также могут быть волнистыми.
Запись данных и обработка изображений превосходит работу в реальном времени, поскольку тонкие аномалии, часто упускаемые оператором (особенно в магнитно-шумных областях), можно сопоставить с более определенными линиями, формами и кластерами. Также можно использовать ряд сложных методов улучшения. Также есть печатная версия и необходимость в систематическом охвате.
Алгоритм магнитометрической навигации (MAGNAV) изначально был запущен в качестве летного эксперимента в 2004 году. [51] Позднее в Исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL) были разработаны алмазные магнитометры как лучший метод навигации, который не может быть заглушен противником. [52]
{{cite book}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2024 г. ( ссылка )