Магнитометр — это устройство, которое измеряет магнитное поле или магнитный дипольный момент . Различные типы магнитометров измеряют направление, силу или относительное изменение магнитного поля в определенном месте. Компас — одно из таких устройств, которое измеряет направление окружающего магнитного поля, в данном случае магнитного поля Земли . Другие магнитометры измеряют магнитный дипольный момент магнитного материала, такого как ферромагнетик , например, регистрируя влияние этого магнитного диполя на индуцированный ток в катушке.
Первый магнитометр, способный измерять абсолютную напряженность магнитного поля в точке пространства, был изобретен Карлом Фридрихом Гауссом в 1833 году, а заметные разработки в 19 веке включали эффект Холла , который до сих пор широко используется.
Магнитометры широко используются для измерения магнитного поля Земли, в геофизических исследованиях , для обнаружения магнитных аномалий различного типа, для определения дипольного момента магнитных материалов. В системе ориентации и курса самолета они обычно используются в качестве ориентира 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, относят более чувствительные магнитометры к военной технике и контролируют их распространение.
Магнитометры можно использовать в качестве металлодетекторов : они могут обнаруживать только магнитные ( черные ) металлы, но могут обнаруживать такие металлы на гораздо большем расстоянии, чем обычные металлодетекторы, основанные на проводимости. Магнитометры способны обнаруживать крупные объекты, такие как автомобили, на расстоянии более 10 метров (33 фута), в то время как дальность действия обычного металлоискателя редко превышает 2 метра (6 футов 7 дюймов).
В последние годы магнитометры были миниатюризированы до такой степени, что их можно было включать в интегральные схемы по очень низкой цене, и они находят все более широкое применение в качестве миниатюрных компасов ( MEMS-датчиков магнитного поля ).
Магнитные поля представляют собой векторные величины, характеризующиеся как силой, так и направлением. Напряженность магнитного поля измеряется в теслах в системе СИ и в гауссах в системе единиц СГС . 10 000 гаусс равны одной тесле. [1] Измерения магнитного поля Земли часто выражаются в единицах нанотесла (нТл), также называемых гамма. [2] Магнитное поле Земли может варьироваться от 20 000 до 80 000 нТл в зависимости от местоположения, колебания магнитного поля Земли составляют порядка 100 нТл, а изменения магнитного поля из-за магнитных аномалий могут находиться в диапазоне пикотесла (pT). [3] Гауссметры и тесламетры — это магнитометры, измерения которых производятся в гауссах или теслах соответственно. В некоторых контекстах термин «магнитометр» используется для обозначения прибора, измеряющего поля величиной менее 1 миллитесла (мТл), а гауссметр используется для приборов, измеряющих поля величиной более 1 мТл. [1]
Существует два основных типа измерений магнитометром. 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 через склонение (угол между горизонтальной составляющей вектора поля и истинным, или географическим, севером) и наклонением ( угол между горизонтальным компонентом вектора поля и истинным, или географическим, севером). вектор поля и горизонтальная поверхность). [5]
Абсолютные магнитометры измеряют абсолютную величину или векторное магнитное поле, используя внутреннюю калибровку или известные физические константы магнитного датчика. [6] Относительные магнитометры измеряют величину или векторное магнитное поле относительно фиксированной, но некалиброванной базовой линии. Относительные магнитометры, также называемые вариометрами , используются для измерения изменений магнитного поля.
Магнитометры также можно классифицировать по месту их использования или назначению. Стационарные магнитометры устанавливаются в фиксированном положении, и измерения проводятся, пока 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 при геомагнитных исследованиях; это могут быть стационарные базовые станции, как в сети INTERMAGNET , или мобильные магнитометры, используемые для сканирования географического региона.
Характеристики и возможности магнитометров описаны в их технических характеристиках. Основные характеристики включают [1] [3]
Компас , состоящий из намагниченной стрелки, ориентация которой меняется в зависимости от окружающего магнитного поля, представляет собой простой тип магнитометра, измеряющего направление поля. Частота колебаний намагниченной иглы пропорциональна корню квадратному из силы окружающего магнитного поля; так, например, частота колебаний стрелки горизонтально расположенного компаса пропорциональна корню квадратному из горизонтальной напряженности окружающего поля. [ нужна цитата ]
В 1833 году Карл Фридрих Гаусс , руководитель Геомагнитной обсерватории в Геттингене, опубликовал работу об измерении магнитного поля Земли. [7] В нем описывался новый инструмент, который состоял из постоянного стержневого магнита, подвешенного горизонтально на золотом волокне. Разница в колебаниях при намагничивании и размагничивании стержня позволила Гауссу вычислить абсолютную величину напряженности магнитного поля Земли. [8]
Гаусс , единица плотности магнитного потока СГС , была названа в его честь и определяется как один максвелл на квадратный сантиметр; оно равно 1×10 −4 тесла ( единица СИ ). [9]
Фрэнсис Рональдс и Чарльз Брук независимо друг от друга изобрели магнитографы в 1846 году, которые непрерывно записывали движения магнита с помощью фотографии , тем самым облегчая нагрузку на наблюдателей. [10] Они были быстро использованы Эдвардом Сабином и другими в глобальной магнитной съемке, а обновленные машины использовались вплоть до 20 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 порядка неспаренных электронов внутри его атомов, с меньшим вкладом ядерных магнитных моментов , ларморовского диамагнетизма и других. Упорядочение магнитных моментов в первую очередь классифицируют на диамагнитное , парамагнетическое , ферромагнитное или антиферромагнитное (хотя зоология магнитного упорядочения включает также ферримагнитное , гелимагнетическое , тороидальное , спиновое стекло и т. д.). Измерение намагниченности как функции температуры и магнитного поля может дать представление о типе магнитного упорядочения, а также о любых фазовых переходах 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 иногда и в биологии.
СКВИДы — это тип магнитометров, используемых как в качестве исследовательских, так и в качестве лабораторных магнитометров. СКВИД-магнитометрия — чрезвычайно чувствительный метод абсолютной магнитометрии. Однако СКВИДы чувствительны к шуму, что делает их непрактичными в качестве лабораторных магнитометров в магнитных полях постоянного тока и в импульсных магнитах. Коммерческие магнитометры СКВИДа доступны для температур от 300 мК до 400 К и магнитных полей до 7 тесла.
Индуктивные датчики (также называемые индуктивными датчиками) измеряют магнитный дипольный момент материала, определяя ток, индуцируемый в катушке из-за изменения магнитного момента образца. Намагниченность образца можно изменить, приложив небольшое переменное магнитное поле (или быстро меняющееся постоянное поле), как это происходит в импульсных магнитах с конденсаторным питанием. Эти измерения требуют различения магнитного поля, создаваемого образцом, и магнитного поля, создаваемого внешним приложенным полем. Часто используется специальное расположение катушек компенсации. Например, половина приемной катушки намотана в одну сторону, а другая половина в другую, а образец помещается только в одну половину. Внешнее однородное магнитное поле обнаруживается обеими половинами катушки, и, поскольку они намотаны встречно, внешнее магнитное поле не создает результирующего сигнала.
Магнитометры с вибрирующим образцом (VSM) обнаруживают дипольный момент образца путем механической вибрации образца внутри индуктивной приемной катушки или внутри катушки СКВИДа. 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 СКВИДа. VSM можно объединить со SQUID, чтобы создать систему, более чувствительную, чем любой из них по отдельности. Тепло, вызванное вибрацией образца, может ограничить базовую температуру VSM, обычно до 2 К. VSM также непрактичен для измерения хрупких образцов, чувствительных к быстрому ускорению.
Магнитометрия с экстракцией импульсного поля - это еще один метод, в котором для измерения намагниченности используются чувствительные катушки. В отличие от VSM, где образец подвергается физической вибрации, в магнитометрии с экстракцией импульсного поля образец закреплен, а внешнее магнитное поле быстро изменяется, например, в магните с конденсаторным приводом. Затем необходимо использовать один из нескольких методов, чтобы исключить внешнее поле из поля, создаваемого образцом. К ним относятся катушки с противонамоткой, которые компенсируют измерения внешнего однородного поля и фона при удалении образца из катушки.
Магнитометрия магнитного момента может быть даже более чувствительной, чем магнитометрия СКВИДа. Однако магнитометрия магнитного момента не измеряет магнетизм напрямую, как все ранее упомянутые методы. Вместо этого магнитометрия магнитного момента измеряет крутящий момент τ, действующий на магнитный момент образца μ в результате действия однородного магнитного поля B, τ = μ × B. Таким образом, крутящий момент является мерой магнитной анизотропии или анизотропии формы образца. В некоторых случаях намагниченность образца можно определить по измеренному крутящему моменту. В других случаях измерение магнитного момента используется для обнаружения магнитных фазовых переходов или квантовых колебаний . Самый распространенный способ измерения магнитного крутящего момента — установить образец на кантилевер и измерить смещение посредством измерения емкости между кантилевером и близлежащим неподвижным объектом, или путем измерения пьезоэлектричества кантилевера, или с помощью оптической интерферометрии на поверхности кантилевера. .
Силовая магнитометрия Фарадея использует тот факт, что пространственный градиент магнитного поля создает силу, действующую на намагниченный объект, F = (M⋅∇)B. В силовой магнитометрии Фарадея силу, действующую на образец, можно измерить с помощью шкалы (подвешивая образец на чувствительных весах) или путем обнаружения смещения пружины. Обычно используется емкостный тензодатчик или консольный датчик из-за его чувствительности, размера и отсутствия механических частей. Магнитометрия силы Фарадея примерно на порядок менее чувствительна, чем СКВИД. Самым большим недостатком силовой магнитометрии Фарадея является то, что она требует некоторых средств не только для создания магнитного поля, но и для создания градиента магнитного поля. Хотя этого можно добиться, используя набор специальных полюсных поверхностей, гораздо лучшего результата можно достичь, используя набор градиентных катушек. Основным преимуществом силовой магнитометрии Фарадея является то, что она небольшая и достаточно устойчива к шуму, и, следовательно, может быть реализована в широком диапазоне сред, включая холодильник разбавления . Магнитометрия силой Фарадея также может быть осложнена наличием крутящего момента (см. предыдущий метод). Этого можно обойти, изменяя поле градиента независимо от приложенного поля постоянного тока, чтобы можно было разделить крутящий момент и вклад силы Фарадея, и / или сконструировав 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. Другим методом оптической магнитометрии является магнитометрия вращения Фарадея. Магнитометрия с вращением Фарадея использует нелинейное магнитооптическое вращение для измерения намагниченности образца. В этом методе на измеряемый образец наносится тонкая модулирующая Фарадея пленка и с помощью камеры, определяющей поляризацию отраженного света, снимается серия изображений. Чтобы уменьшить шум, несколько изображений затем усредняются. Одним из преимуществ этого метода является то, что он позволяет отображать магнитные характеристики поверхности образца. Это может быть особенно полезно при изучении таких явлений, как эффект Мейснера в сверхпроводниках. Микроизготовленные магнитометры с оптической накачкой (мкОПМ) можно использовать для более точного обнаружения причины приступов мозга и генерирования меньшего количества тепла, чем доступные в настоящее время сверхпроводящие устройства квантовой интерференции, более известные как СКВИДы. [13] Устройство работает с использованием поляризованного света для управления вращением атомов рубидия, что можно использовать 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 данной точке является векторным. Магнитный компас предназначен для определения горизонтального направления , тогда как векторный магнитометр измеряет как величину, так и направление общего магнитного поля. Для измерения компонентов магнитного поля во всех трех измерениях необходимы три ортогональных датчика.
Они также считаются «абсолютными», если напряженность поля можно калибровать по их собственным известным внутренним константам, или «относительными», если их необходимо калибровать по 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 «переменный ток», если они измеряют поля, которые изменяются относительно быстро во времени (> 100 Гц), и «постоянный ток», если они измеряют поля, которые изменяются медленно (квазистатические) или являются статическими. Магнитометры переменного тока находят применение в электромагнитных системах (таких как магнитотеллурика ), а магнитометры постоянного тока используются для обнаружения минерализации и соответствующих геологических структур.
Магнитометры протонной прецессии , также известные как протонные магнитометры , PPM или просто магниты, 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 магнитометра этого типа может достигать 1 ppm . [16]
Постоянный ток, текущий в соленоиде , создает сильное магнитное поле вокруг жидкости, богатой водородом ( популярны керосин и декан , можно использовать даже воду), заставляя некоторые протоны выравниваться с этим полем. Затем ток прерывается, и по мере того, как протоны выравниваются с окружающим магнитным полем, они прецессируют с частотой, прямо пропорциональной магнитному полю. Это создает слабое вращающееся магнитное поле, которое улавливается (иногда отдельным) индуктором, усиливается электронным способом и подается на цифровой частотомер, выходные данные которого обычно масштабируются и отображаются непосредственно как напряженность поля или выходные данные в виде цифровых данных.
Для устройств, переносимых вручную или в рюкзаке, частота выборки PPM обычно ограничивается менее чем одной выборкой в секунду. Измерения обычно проводятся, когда датчик удерживается в фиксированных местах с шагом примерно 10 метров.
Портативные приборы также ограничены объемом (весом) датчика и потребляемой мощностью. PPM работают при градиентах поля до 3000 нТ/м, что достаточно для большинства работ по разведке полезных ископаемых. Для более высокой устойчивости к градиенту, например, при картировании полосчатых железных образований и обнаружении крупных железных объектов, магнитометры Оверхаузера могут обрабатывать 10 000 нТл/м, а цезиевые магнитометры — 30 000 нТл/м.
Они относительно недороги (<8000 долларов США) 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.
Для разведки полезных ископаемых их заменили приборы Оверхаузера, цезия и калия, все из которых являются быстродействующими и не требуют от оператора паузы между показаниями.
Магнитометр на эффекте Оверхаузера или магнитометр Оверхаузера использует для проведения измерений тот же фундаментальный эффект, что и магнитометр протонной прецессии . Добавляя свободные радикалы в измерительную жидкость, можно использовать ядерный эффект Оверхаузера для значительного улучшения магнитометра протонной прецессии. Вместо того, чтобы выравнивать протоны с помощью соленоида, радиочастотное поле малой мощности используется для выравнивания (поляризации) электронного спина свободных радикалов, который затем соединяется с протонами посредством эффекта Оверхаузера. Это имеет два основных преимущества: управление радиочастотным полем требует меньше энергии (что позволяет использовать более легкие батареи для портативных устройств) и более быстрый отбор проб, поскольку электрон-протонная связь может происходить даже во время проведения измерений. Магнитометр Оверхаузера выдает показания со стандартным отклонением от 0,01 до 0,02 нТл при отборе проб один раз в секунду.
Магнитометр паров цезия с оптической накачкой представляет собой высокочувствительный (300 фТл/Гц 0,5 ) и точный прибор, используемый в широком диапазоне применений. Это один из ряда паров щелочей (включая рубидий и калий ), которые используются таким образом. [17]
В общих чертах устройство состоит из излучателя фотонов , такого как лазер, абсорбционной камеры, содержащей пары цезия, смешанные с « буферным газом », через который проходят излучаемые 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, который позволяет устройству работать, заключается в том, что атом цезия может существовать на любом из девяти энергетических уровней , что неформально можно рассматривать как размещение электронных атомных орбиталей вокруг атомного ядра . Когда атом цезия внутри камеры встречает фотон лазера, он переходит в более высокоэнергетическое состояние, испускает фотон и переходит в неопределенное более низкое энергетическое состояние. Атом цезия «чувствителен» к фотонам лазера в трех из девяти энергетических состояний, и поэтому, если предположить замкнутую систему, все атомы в конечном итоге переходят в состояние, в котором все фотоны лазера проходят беспрепятственно и измеряется детектором фотонов. Пары цезия стали прозрачными. Этот процесс происходит непрерывно, чтобы поддерживать как можно больше электронов в этом состоянии.
Говорят, что на этом этапе образец (или популяция) подвергся оптической накачке и готов к проведению измерений. Когда применяется внешнее поле, оно нарушает это состояние и заставляет атомы переходить в разные состояния, что делает пар менее прозрачным. Фотодетектор может измерить это изменение и, следовательно, измерить величину магнитного поля.
В наиболее распространенном типе цезиевых магнитометров к ячейке прикладывается очень небольшое переменное магнитное поле. Поскольку разница энергетических уровней электронов определяется внешним магнитным полем, существует частота, при которой это небольшое переменное поле заставляет электроны менять состояния. В этом новом состоянии электроны снова могут поглощать фотоны света. Это вызывает сигнал на фотодетекторе, который измеряет свет, проходящий через ячейку. Соответствующая электроника использует этот факт для создания сигнала точно на той частоте, которая соответствует внешнему полю.
Другой тип цезиевого магнитометра модулирует свет, подаваемый на ячейку. Его называют магнитометром Белла-Блума, в честь двух учёных, которые первыми исследовали этот эффект. Если свет включается и выключается на частоте, соответствующей полю Земли, [ необходимы пояснения ] происходит изменение сигнала, видимого на фотодетекторе. Опять же, соответствующая электроника использует это для создания сигнала точно на той частоте, которая соответствует внешнему полю. Оба метода приводят к созданию высокопроизводительных магнитометров.
Калий - единственный магнитометр с оптической накачкой, который работает на одной узкой линии электронного спинового резонанса (ЭПР) в отличие от других магнитометров на парах щелочей, которые используют нерегулярные, составные и широкие спектральные линии, а также гелий с изначально широкой спектральной линией. [18]
Магнитометры на основе гелия-4, возбужденного в метастабильное триплетное состояние благодаря плазменному разряду, были разработаны в 1960-х и 70-х годах компанией Texas Instruments , затем ее дочерней компанией Polatomic [19] и с конца 1980-х годов компанией CEA-Leti . Последний разработал конфигурацию, устраняющую мертвые зоны [20] , которые являются постоянной проблемой атомных магнитометров. Было продемонстрировано, что эта конфигурация демонстрирует точность 50 пТл при работе на орбите. ЕКА выбрало эту технологию для миссии Swarm , которая была запущена в 2013 году. Экспериментальный векторный режим, который мог конкурировать с феррозондовыми магнитометрами, был протестирован в этой миссии с общим успехом . [21]
Цезиевые и калиевые магнитометры обычно используются там, где требуется магнитометр с более высокими характеристиками, чем протонный магнитометр. В археологии и геофизике, где датчик сканирует территорию и часто необходимы многочисленные точные измерения магнитного поля, цезиевые и калиевые магнитометры имеют преимущества перед протонными магнитометрами.
Более высокая скорость измерений цезиевого и калиевого магнитометра позволяет датчику быстрее перемещаться по площади для заданного количества точек данных. Цезиевые и калиевые магнитометры нечувствительны к вращению датчика во время измерения.
Более низкий шум цезиевых и калиевых магнитометров позволяет этим измерениям более точно показывать изменения поля в зависимости от положения.
Векторные магнитометры измеряют одну или несколько составляющих магнитного поля электронным способом. С помощью трех ортогональных магнитометров можно измерить как азимут, так и угол наклона (наклон). Извлекая квадратный корень из суммы квадратов компонентов, общая напряженность магнитного поля (также называемая полной магнитной напряженностью, TMI) может быть рассчитана по теореме Пифагора .
Векторные магнитометры подвержены температурному дрейфу и нестабильности размеров ферритовых сердечников. Им также требуется выравнивание для получения информации о компонентах, в отличие от инструментов 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 силовыми линиями. Этот тип магнитометра устарел.
Наиболее распространенными магнитными датчиками являются твердотельные датчики Холла . Эти датчики вырабатывают напряжение, пропорциональное приложенному магнитному полю, а также определяют полярность. Они используются в приложениях, где напряженность магнитного поля относительно велика, например, в антиблокировочных тормозных системах автомобилей, которые определяют скорость вращения колес через пазы в колесных дисках.
Они изготовлены из тонких полосок пермаллоя , сплава никеля и железа с высокой магнитной проницаемостью , электрическое сопротивление которого меняется с изменением магнитного поля. Они имеют четко определенную ось чувствительности, могут производиться в трехмерных версиях и массово производиться в виде интегральных схем. Они имеют время отклика менее 1 микросекунды и могут измеряться в движущихся транспортных средствах со скоростью до 1000 раз в секунду. Их можно использовать в компасах с точностью до 1°, для которых базовый датчик должен надежно разрешать 0,1°. [22]
Феррозондовый магнитометр был изобретен Х. Ашенбреннером и Г. Губау в 1936 году . 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 проволоки. Переменный электрический ток пропускают через одну катушку, заставляя сердечник проходить переменный цикл магнитного насыщения ; т.е. намагниченный, ненамагниченный, обратно намагниченный, ненамагниченный, намагниченный и так далее. Это постоянно меняющееся поле индуцирует напряжение во второй катушке, которое измеряется детектором. В магнитно-нейтральном фоне входной и выходной сигналы совпадают. Однако, когда ядро подвергается воздействию фонового поля, оно легче насыщается, выравниваясь с этим полем, и менее легко насыщается, находясь в оппозиции к нему. Следовательно, переменное магнитное поле и индуцированное выходное напряжение не соответствуют входному току. Степень этого зависит от силы фонового магнитного поля. Часто сигнал в выходной катушке интегрируется, что дает выходное аналоговое напряжение, пропорциональное магнитному полю.
В настоящее время доступен широкий спектр датчиков, которые используются для измерения магнитных полей. Феррозондовые компасы и градиентометры измеряют направление и величину магнитных полей. Феррозондовые преобразователи доступны по цене, прочны и компактны, а миниатюризация в последнее время достигла уровня полноценных сенсорных решений в виде микросхем, включая примеры как из научных кругов [26], так и из промышленности. [27] Это, а также обычно низкое энергопотребление делает их идеальными для различных сенсорных приложений. Градиометры обычно используются для археологической разведки и обнаружения неразорвавшихся боеприпасов (НБ), например, популярный немецкий военный прибор 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 пермаллоя . Переменный ток подается на обмотку возбуждения, которая приводит сердечник в непрерывный повторяющийся цикл насыщения и ненасыщения. Для внешнего поля ядро попеременно слабо и высокопроницаемо. Сердечник часто представляет собой тороидальное кольцо или пару линейных элементов, каждая из приводных обмоток которых намотана в противоположных направлениях. Такие закрытые пути потока сводят к минимуму связь между обмотками возбуждения и измерения. При наличии внешнего магнитного поля, когда сердечник находится в состоянии с высокой проницаемостью, такое поле локально притягивается или запирается (отсюда и название феррозонд) через чувствительную обмотку. Когда ядро слабопроницаемо, внешнее поле притягивается меньше. Это непрерывное стробирование внешнего поля на входе и выходе сенсорной обмотки индуцирует в сенсорной обмотке сигнал, основная частота которого в два раза превышает частоту возбуждения, а сила и фазовая ориентация которого изменяются прямо в зависимости от величины и полярности внешнего поля.
Существуют дополнительные факторы, влияющие на размер результирующего сигнала. К этим факторам относятся количество витков чувствительной обмотки, магнитная проницаемость сердечника, геометрия датчика и скорость изменения стробируемого потока во времени.
Обнаружение фазовой синхронизации используется для извлечения этих гармонических сигналов из измерительной обмотки и преобразования их в напряжение постоянного тока, пропорциональное внешнему магнитному полю. Также может использоваться активная обратная связь по току, так что обмотка датчика приводится в действие для противодействия внешнему полю. В таких случаях ток обратной связи изменяется линейно в зависимости от внешнего магнитного поля и используется в качестве основы для измерения. Это помогает противостоять внутренней нелинейности между приложенной напряженностью внешнего поля и потоком, пропускаемым через чувствительную обмотку.
СКВИДы , или сверхпроводящие устройства квантовой интерференции, измеряют чрезвычайно малые изменения магнитных полей. Это очень чувствительные векторные магнитометры с уровнем шума всего 3 фт Гц −½ в коммерческих приборах и 0,4 фт Гц −½ в экспериментальных устройствах. Многие коммерческие СКВИДы с жидким гелиевым охлаждением достигают плоского спектра шума от постоянного тока (менее 1 Гц) до десятков килогерц, что делает такие устройства идеальными для измерения биомагнитных сигналов во временной области. Атомные магнитометры SERF, продемонстрированные в лабораториях, достигают конкурентоспособного уровня шума, но в относительно небольших диапазонах частот.
СКВИД-магнитометры требуют охлаждения жидким гелием (4,2 К ) или жидкий азот (77 К ) для работы, поэтому требования к упаковке для их использования довольно строгие как с термомеханической, так и с магнитной точки зрения. Магнитометры СКВИДа чаще всего используются для измерения магнитных полей, создаваемых лабораторными образцами, а также для активности мозга или сердца ( магнитоэнцефалография и магнитокардиография соответственно). В геофизических исследованиях время от времени используются СКВИДы, но логистика охлаждения СКВИДа гораздо сложнее, чем у других магнитометров, работающих при комнатной температуре.
Магнитометры на основе атомарных газов могут выполнять векторные измерения магнитного поля в режиме слабого поля, когда затухание атомной когерентности становится быстрее, чем ларморовская частота . Физика таких магнитометров основана на эффекте Ханле . Такие магнитометры с оптической накачкой в нулевом поле были протестированы в различных конфигурациях и с разными видами атомов, особенно с щелочами (калием, рубидием и цезием), гелием и ртутью . В случае щелочи времена когерентности были сильно ограничены из-за спин-обменной релаксации. Крупный прорыв произошел в начале десятилетия 2000 года: группа Ромалиса в Принстоне продемонстрировала, что в таком режиме слабого поля время когерентности щелочи может быть значительно увеличено, если можно достичь достаточно высокой плотности путем высокотемпературного нагрева. называется эффектом SERF .
Основной интерес к магнитометрам с оптической накачкой заключается в замене магнитометров СКВИДов в приложениях, где криогенное охлаждение является недостатком. В частности, это касается медицинской визуализации, где такое охлаждение создает толстую теплоизоляцию, сильно влияющую на амплитуду записываемых биомагнитных сигналов. Несколько начинающих компаний в настоящее время разрабатывают магнитометры с оптической накачкой для биомедицинских применений: компании TwinLeaf, [29] quSpin [30] и FieldLine [31] основаны на парах щелочей, а Mag4Health — на метастабильном гелии-4. [32]
При достаточно высокой атомной плотности можно достичь чрезвычайно высокой чувствительности. Атомные магнитометры без спин-обменной релаксации ( SERF ), содержащие пары калия , цезия или рубидия , работают аналогично цезиевым магнитометрам, описанным выше, но могут достигать чувствительности ниже 1 фТл Гц - 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 атл Гц - 1 ⁄ 2 . [33] Эта технология имеет большую чувствительность на единицу объема, чем детекторы SQUID. [34] Эта технология также позволяет производить очень маленькие магнитометры, которые в будущем могут заменить катушки для обнаружения радиочастотных магнитных полей. [ нужна цитация ] Эта технология может создать магнитный датчик, все входные и выходные сигналы которого будут передаваться по оптоволоконным кабелям в виде света. [35] Это позволяет проводить магнитные измерения вблизи высоких электрических напряжений.
Калибровка магнитометров обычно производится с помощью катушек, на которые подается электрический ток, создающий магнитное поле. Это позволяет охарактеризовать чувствительность магнитометра (в единицах В/Т). Во многих случаях 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 применений магнитное поле высокой однородности является обязательным. В таких случаях калибровка магнитного поля может быть выполнена с использованием катушки Максвелла , косинусных катушек [36] или калибровка в высокооднородном магнитном поле Земли .
Магнитометры имеют очень разнообразный спектр применения, включая обнаружение таких объектов, как подводные лодки, затонувшие корабли, опасности для туннелепроходческих машин , опасности в угольных шахтах, неразорвавшиеся боеприпасы, бочки с токсичными отходами, а также широкий спектр месторождений полезных ископаемых и геологических структур. Они также находят применение в мониторах сердечного ритма, позиционировании систем вооружения, датчиках антиблокировочной системы тормозов, прогнозировании погоды (с помощью солнечных циклов), стальных пилонах, системах управления бурением, археологии, тектонике плит, распространении радиоволн и исследовании планет. Лабораторные магнитометры определяют магнитный дипольный момент магнитного образца, обычно как функцию температуры , магнитного поля или другого параметра. Это помогает выявить его магнитные свойства, такие как ферромагнетизм , антиферромагнетизм , сверхпроводимость или другие свойства, влияющие на магнетизм .
В зависимости от применения магнитометры могут размещаться на космических кораблях, самолетах ( магнитометры с неподвижным крылом ), вертолетах ( стингер и птица ), на земле ( рюкзак ), буксироваться на расстоянии за квадроциклами (квадроциклами) на ( санях или прицепе ) , опускают в скважины ( инструмент , зонд или зонд ) и буксируют за лодками ( буксирная рыба ).
Магнитометры используются для измерения или контроля механических напряжений в ферромагнитных материалах. Механическое напряжение улучшит выравнивание магнитных доменов в микроскопическом масштабе, что увеличит магнитное поле, измеряемое магнитометрами вблизи материала. Существуют разные гипотезы о взаимосвязи напряжения и намагниченности. Однако во многих научных публикациях утверждается, что влияние механического напряжения на измеряемое магнитное поле вблизи образца доказано. Предпринимались попытки решить обратную задачу разрешения намагниченности-напряжения, чтобы количественно оценить напряжение на основе измеренного магнитного поля. [37] [38]
Магнитометры широко используются в экспериментальной физике элементарных частиц для измерения магнитного поля основных компонентов, таких как концентрационные или фокусирующие лучевые магниты.
Магнитометры также используются для обнаружения археологических памятников , кораблекрушений и других захороненных или затопленных объектов. Феррозондовые градиентометры популярны благодаря своей компактной конструкции и относительно низкой стоимости. Градиентеры расширяют возможности мелководья и устраняют необходимость в базовой станции. Цезиевые магнитометры и магнитометры Оверхаузера также очень эффективны при использовании в качестве градиентометров или в качестве односенсорных систем с базовыми станциями.
Телепрограмма Time Team популяризировала «геофизику», в том числе магнитные методы, используемые в археологических работах для обнаружения очагов возгорания, стен из обожженного кирпича и магнитных камней, таких как базальт и гранит. Пешеходные дорожки и дороги иногда можно нанести на карту с дифференциальным уплотнением в магнитных почвах или с нарушениями в глинах, как, например, на Великой Венгерской равнине . В таких съемках в качестве источника магнитного шума выступают пахотные поля.
Магнитометры могут указать на полярную активность еще 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 К-индексе . [39]
Хотя магнитометры можно использовать для картирования формы бассейна в региональном масштабе, они чаще используются для картирования опасностей при добыче угля, таких как базальтовые интрузии ( дайки , пороги и вулканические пробки ), которые разрушают ресурсы и опасны для горнодобывающего оборудования длинными забоями. . Магнитометры также могут определять места возгорания молний и наносить на карту сидерит (примесь в угле).
Наилучшие результаты съемки достигаются на местности при съемках с высоким разрешением (приблизительно с расстоянием между рядами 10 м и между станциями 0,5 м). Скважинные магнитометры с использованием Ferret [ необходимы разъяснения ] также могут помочь, когда угольные пласты глубокие, используя несколько порогов или заглядывая под поверхностные потоки базальта. [ нужна цитата ]
В современных исследованиях обычно используются магнитометры с технологией GPS для автоматической регистрации магнитного поля и их местоположения. Затем набор данных корректируется данными второго магнитометра (базовой станции), который остается неподвижным и записывает изменение магнитного поля Земли во время съемки. [40]
Магнитометры используются при наклонно-направленном бурении нефти или газа для определения азимута буровых инструментов рядом с буром. [41] Чаще всего они сочетаются с акселерометрами в буровых инструментах, чтобы можно было определить наклон и азимут бура. [41]
В оборонительных целях военно-морские силы используют массивы магнитометров, установленных на морском дне в стратегически важных местах (т.е. вокруг портов) для наблюдения за деятельностью подводных лодок. Российские титановые подводные лодки класса «Альфа» были спроектированы и построены с большими затратами, чтобы помешать таким системам (поскольку чистый титан немагнитен). [42]
Военные подводные лодки размагничиваются , проходя через большие подводные петли через регулярные промежутки времени, чтобы помочь им избежать обнаружения системами мониторинга морского дна, детекторами магнитных аномалий и минами с магнитным срабатыванием. Однако подводные лодки никогда не размагничиваются полностью. Определить глубину, на которой находилась подводная лодка, можно, измерив ее магнитное поле, которое искажается, поскольку давление искажает корпус и, следовательно, поле. Нагрев также может изменить намагниченность стали. [ нужны разъяснения ]
Подводные лодки буксируют длинные гидролокаторы для обнаружения кораблей и даже могут распознавать различные шумы винтов. Группы гидролокаторов 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 навигационных системах оружия, но их в значительной степени вытесняют GPS и кольцевые лазерные гироскопы .
Магнитометры, такие как немецкий Foerster, используются для обнаружения боеприпасов из железа. Цезиевые магнитометры и магнитометры Оверхаузера используются для обнаружения и очистки старых полигонов для бомбардировок и испытаний.
Полезная нагрузка БПЛА также включает магнитометры для решения ряда оборонительных и наступательных задач. [ нужен пример ]
Магнитометрические исследования могут быть полезны при определении магнитных аномалий, которые представляют собой руду (прямое обнаружение) или, в некоторых случаях, пустые минералы, связанные с рудными месторождениями (косвенное или косвенное обнаружение). Сюда входят железная руда , магнетит , гематит и часто пирротин .
Развитые страны, такие как Австралия, Канада и США, вкладывают значительные средства в систематические аэромагнитные исследования своих континентов и окружающих океанов, чтобы помочь в составлении геологических карт и открытии месторождений полезных ископаемых. Такие аэромагнитные исследования обычно проводятся с расстоянием между линиями 400 м на высоте 100 м и показаниями каждые 10 метров или более. Чтобы преодолеть асимметрию плотности данных, данные интерполируются между строками (обычно 5 раз), а затем данные вдоль линии усредняются. Такие данные распределяются по координатной сетке размером 80 × 80 м, а изображение обрабатывается с помощью такой программы, как ERMapper. При аренде на геологоразведочные работы за съемкой может следовать более детальная съемка с помощью вертолета типа гелимаг или сельскохозяйственной машины с неподвижным крылом с расстоянием между линиями 50 м и высотой 50 м (если позволяет рельеф местности). Такое изображение имеет сетку пикселей размером 10 x 10 м, что обеспечивает в 64 раза большее разрешение.
Если цели неглубоки (<200 м), аэромагические аномалии можно отслеживать с помощью наземных магнитных исследований с интервалом между линиями от 10 м до 50 м и расстоянием между станциями 1 м для обеспечения наилучшей детализации (сетка пикселей от 2 до 10 м) (или 25 раз). разрешение до бурения).
Магнитные поля от магнитных тел руды спадают на величину, обратную кубу расстояния ( дипольная мишень) или, в лучшем случае, обратную квадрату расстояния ( мишень магнитного монополя ). Одна из аналогий разрешения с расстоянием — это автомобиль, едущий ночью с включенными фарами. На расстоянии 400 м видна одна светящаяся дымка, но при приближении видны две фары, а затем левый поворотник.
Существует множество проблем при интерпретации магнитных данных для разведки полезных ископаемых. Несколько целей смешиваются друг с другом, как несколько источников тепла, и, в отличие от света, здесь нет магнитного телескопа для фокусировки полей. Комбинация нескольких источников измеряется на поверхности. Геометрия, глубина или направление намагничивания (остаточная намагниченность) целей также обычно неизвестны, поэтому данные могут объяснить несколько моделей.
Potent от Geophysical Software Solutions [1] — ведущий пакет магнитной (и гравитационной) интерпретации, широко используемый в разведочной отрасли Австралии.
Магнитометры помогают исследователям полезных ископаемых как напрямую (т. е. при золотой минерализации, связанной с магнетитом , алмазами в кимберлитовых трубках ), так и, чаще всего, косвенно, например, путем картирования геологических структур, способствующих минерализации (т. е. зон сдвига и ореолов изменений вокруг гранитов).
Бортовые магнитометры обнаруживают изменение магнитного поля Земли с помощью датчиков, прикрепленных к самолету в виде «стингера» или путем буксировки магнитометра на конце троса. Магнитометр на кабеле часто называют «бомбой» из-за его формы. Другие называют ее «птицей».
Поскольку холмы и долины под самолетом заставляют магнитные показания подниматься и опускаться, радиовысотомер 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 магнитометры микроэлектромеханических систем (МЭМС), которые используются для определения напряженности магнитного поля и используются в качестве компасов . В iPhone 3GS установлен магнитометр, магниторезистивный датчик из пермаллоя AN-203 производства Honeywell. [43] В 2009 году цена на трехосные магнитометры упала ниже 1 доллара США за устройство и быстро упала. Использование трехосного устройства означает, что оно не чувствительно к тому, как оно удерживается в ориентации или высоте. Устройства на эффекте Холла также популярны. [44]
Исследователи из Deutsche Telekom использовали магнитометры, встроенные в мобильные устройства, для обеспечения бесконтактного 3D-взаимодействия . Их система взаимодействия, названная MagiTact, отслеживает изменения магнитного поля вокруг мобильного телефона, чтобы идентифицировать различные жесты, выполняемые рукой, держащей или носящей магнит. [45]
Сейсмические методы предпочтительнее магнитометров в качестве основного метода исследования при разведке нефти, хотя магнитные методы могут дать дополнительную информацию о подстилающей геологии и в некоторых средах свидетельствовать об утечках из ловушек. [46] Магнитометры также используются при разведке нефти, чтобы показать расположение геологических особенностей, которые делают бурение нецелесообразным, и других особенностей, которые дают геофизикам более полную картину стратиграфии .
Трехосный феррозондовый магнитометр был частью миссий «Маринер-2» и «Маринер-10» . [47] Магнитометр двойной техники является частью миссии Кассини-Гюйгенс по исследованию Сатурна. [48] Эта система состоит из векторного гелиевого и феррозондового магнитометров. [49] Магнитометры также были компонентом прибора миссии Mercury MESSENGER . Магнитометр также может использоваться спутниками, такими как GOES, для измерения величины и направления магнитного поля планеты или луны.
Систематические исследования могут использоваться для поиска месторождений полезных ископаемых или обнаружения потерянных объектов. Такие опросы делятся на:
Наборы данных Aeromag для Австралии можно загрузить из базы данных GADDS.
Данные можно разделить на данные о местоположении точек и данные изображения, последние из которых имеют формат ERMapper.
На основе измеренного в пространстве распределения параметров магнитного поля (например, амплитуды или направления) можно генерировать магнитовидение . Такое представление магнитных данных очень полезно для дальнейшего анализа и объединения данных .
Магнитные градиентометры представляют собой пары магнитометров, датчики которых разделены, обычно горизонтально, 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 во времени магнитного поля Земли, так и других источников электромагнитных помех, что позволяет более чувствительно обнаруживать аномалии. Поскольку вычитаются почти равные значения, требования к шумовым характеристикам магнитометров становятся более жесткими.
Градиометры улучшают неглубокие магнитные аномалии и, таким образом, хороши для археологических и исследовательских работ. Они также хороши для работы в режиме реального времени, например, для определения местоположения неразорвавшихся боеприпасов (НБ). В два раза эффективнее запустить базовую станцию и использовать два (или более) мобильных датчика для одновременного считывания параллельных строк (при условии, что данные сохраняются и подвергаются последующей обработке). Таким образом можно рассчитать как продольные, так и поперечные градиенты.
В традиционных исследованиях полезных ископаемых и археологических работах для определения области исследования использовались привязки сетки, установленные теодолитом и рулеткой. В некоторых исследованиях неразорвавшихся боеприпасов для обозначения полос движения использовались веревки. В авиационных исследованиях использовались радиотриангуляционные маяки, такие как Siledus.
Немагнитные электронные триггеры набедренной цепи были разработаны для запуска магнитометров. Они использовали энкодеры с вращающимся валом для измерения расстояния вдоль одноразовых хлопковых катушек.
Современные исследователи используют целый ряд GPS-устройств с низкой магнитной сигнатурой, включая кинематический GPS в реальном времени.
Магнитные исследования могут страдать от шума, исходящего из различных источников. Различные технологии магнитометров страдают от различных проблем с шумом.
Ошибки курса представляют собой одну группу шумов. Они могут исходить из трех источников:
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 (цезий, калий и т. д.), существуют физические источники ошибок курса, которые вносят небольшой вклад в общую ошибку курса.
Шум консоли исходит от магнитных компонентов на консоли или внутри нее. К ним относятся феррит в сердечниках катушек индуктивности и трансформаторах, стальные рамки вокруг ЖК-дисплеев, ножки микросхем и стальные корпуса одноразовых батарей. Некоторые популярные разъемы стандарта MIL также имеют стальные пружины.
Операторы должны следить за магнитной чистотой и проверять «магнитную гигиену» всей одежды и предметов, перевозимых во время съемки. Шляпы Akubra очень популярны в Австралии, но перед использованием в магнитных исследованиях их стальные ободки необходимо снять. Стальные кольца на блокнотах, стальные колпачки и стальные пружины в проушинах комбинезона — все это может вызвать ненужный шум при съемке. Ручки, мобильные телефоны и имплантаты из нержавеющей стали также могут быть проблематичными.
Магнитный отклик (шум) от железных предметов на операторе и консоли может меняться в зависимости от направления курса из-за индукции и остаточной намагниченности. Системы аэромагнитной разведки и квадроциклы могут использовать специальные компенсаторы для коррекции шума ошибок курса.
Ошибки направления на обзорных изображениях выглядят как елочка . Альтернативные линии также могут быть гофрированными.
Запись данных и обработка изображений превосходят работу в режиме реального времени, поскольку тонкие аномалии, которые часто упускает оператор (особенно в зонах с магнитным шумом), могут быть более четко определены между линиями, формами и кластерами. Также можно использовать ряд сложных методов улучшения. Существует также печатная версия и необходимость систематического освещения.
Алгоритм магнитометрической навигации (MAGNAV) первоначально использовался в качестве летного эксперимента в 2004 году. [50] Позднее алмазные магнитометры были разработаны Исследовательской лабораторией ВВС США (AFRL) как лучший метод навигации, который не может быть заблокирован враг. [51]
{{cite book}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )