Ядерно-прецессионный протонный магнитометр

имеет, на первый взгляд, страшное название. На самом деле физика процессов, протекающих в магнитометре, обыденно проста.

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

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

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

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