Протонный магнитометр

работает в двух основных режимах:

• первый из них - режим поляризации, при котором рабочее вещество подвергается воздействию сильного магнитного поля, чтобы намагнитить (то есть, выстроить в линию) протоны.

• Второй режим - фактическое измерение частоты прецессии для определения величины магнитного поля.

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

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

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

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

Рисунок 23 Блок-схема одного из возможных вариантов реализации квантового протонного магнитометра.

Цикл одного измерения магнитного поля состоит из следующих этапов:

Поляризация.

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

Подавление переходного процесса.

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

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

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

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

Для наглядности рассмотрим графики:

Рисунок 24 Циклы измерения протонным магнитометром.

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

• первого для управления поляризацией, а затем, через интервал времени t задержки, служащий для подавления переходного процесса в Датчике

• второго, подключающего схемы усиления, обработки и измерения входного сигнала. Продолжение следует.

СКВИД

(от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр») — сверхчувствительные магнитометры, используемые для измерения очень слабых магнитных полей. СКВИД-магнитометры обладают рекордно высокой чувствительностью, достигающей 5×10−33 Дж/Гц (чувствительность по магнитному полю — 10−13 Тл). Для длительных измерений усредненных значений в течение нескольких дней можно достичь значений чувствительности в 5×10−18 Тл.

Принцип работы

Простейший квантовый магнитометр — СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо с двумя джозефсоновскими туннельными контактами. Это в определенном смысле аналог оптического эффекта с интерференцией от двух щелей, только в данном случае интерферируют не световые волны, а два джозефсоновских тока. Существенным для понимания работы СКВИДа является наличие волновых свойств у электрона — в СКВИДе волна электронов разделяется на две, каждая из которых проходит свой туннельный контакт, а затем обе волны сводятся вместе. В случае отсутствия внешнего поля обе ветви будут эквивалентны, и обе волны придут без разности фаз. Но при наличии магнитного поля в контуре будет наводиться циркулирующий сверхпроводящий ток. Этот ток в одном из контактов будет вычитаться из постоянного внешнего тока, а во втором — складываться с ним. Теперь две ветви будут иметь разные токи, и между туннельными контактами возникнет разность фаз. Волны электронов, пройдя через контакты и соединившись, будут интерферировать, интерференция проявится как зависимость критического тока СКВИДА от приложенного внешнего магнитного поля. Ступенчатый характер зависимости позволяет чувствовать отдельные кванты потока. Ступенчатый вид зависимости возникает из-за наличия условия изменения фазы электронной волны на джозефсоновском контакте на 2πn, где n — целое.

Эффект Джозефсона — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Такой ток называют джозефсоновским током, а такое соединение сверхпроводников — джозефсоновским контактом. В первоначальной работе Джозефсона предполагалось, что толщина диэлектрического слоя много меньше длины сверхпроводящей когерентности, но последующие исследования показали, что эффект сохраняется в гораздо более широком классе контактов.

Стационарный эффект (постоянный ток)

Нестационарный эффект (переменный ток)