Протонные магнитометры

 

Курсовая работа

 

Протонные магнитометры

 

 

 

Выполнил:

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

Введение. 3

Глава 1. Принцип действия. 5

Глава 2. Блок-схема реализации протонного магнитометра 8

Глава 3. Поляризация. 10

Глава 4. Требования к модулю микроконтроллера. 14

Вывод. 23

Список литературы. 24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Геофизика — комплекс наук, исследующих физическими  методами строение Земли. Геофизика  в широком смысле изучает физику твердой Земли (земную кору, мантию, жидкое внешнее и твердое внутреннее ядро), физику океанов, поверхностных  вод суши (озёр, рек, льдов) и подземных  вод, а также физику атмосферы (метеорологию, климатологию, аэрономию).

Геофизическая разведка, исследование земных недр физическими  методами. Геофизическая разведка проводится прежде всего при поисках нефти  и газа, рудных полезных ископаемых и подземных вод. Она отличается от геологической разведки тем, что  вся информация о поисковых объектах извлекается в результате интерпретации  инструментальных измерений, а не путём  непосредственных наблюдений. Геофизические  методы основаны на изучении физических свойств пород. Они используются либо для выявления месторождений  полезных ископаемых (например, магнитные  свойства исследуют для поиска железных руд), либо для картографирования  таких геологических структур, как  соляные купола и антиклинали (где  аккумулируется нефть), а также для  картографирования рельефа дна  океана, структуры океанической и  континентальной земной коры, определения  генезиса и мощности рыхлых отложений  и коренных пород, толщины ледниковых покровов и плавающих в океанах  льдов, при археологических исследованиях  и т. п. Геофизические методы делятся  на две категории. К первой относятся  методы измерения естественных земных полей — гравитационного, магнитного и электрического, ко второй — искусственно создаваемых полей. Геофизические методы дают наилучшие результаты, когда физические свойства исследуемых и картографируемых пород существенно отличаются от свойств граничащих с ними пород. Геофизические исследования всех типов включают сбор первичного материала в полевых условиях, обработку и геологическую интерпретацию полученных данных. На всех этапах применяются компьютеры. Зарождение геофизических методов разведки связано с началом использования магнитных компасов для поиска железных руд и электрических измерений для выявления сульфидных руд. Применение геофизических методов расширилось в 1920-х годах, когда гравиметрические и сейсмические исследования доказали свою эффективность в обнаружении соляных куполов и связанных с ними нефтяных залежей на побережье Мексиканского залива в США и Мексике.

Магниторазведка

Геомагнетизм  исследует магнитное поле Земли (его источники и изменения  на протяжении геологической истории  Земли), а также магнитные свойства горных пород. Принято считать, что  магнитное поле Земли обусловлено  электрическими токами в жидком внешнем  ядре, его напряженность изменяется с периодичностью от 100 до 10 000 лет, а  полярность подвержена обращениям (инверсиям). Измерения интенсивности и направления  намагниченности горных пород позволяют  изучать происхождение и изменения  во времени геомагнитного поля и  служат ключевой информацией для  развития теории тектоники плит и  дрейфа материков.

    Магнитометр - (от греч. magnetis - магнит  и... метр), прибор для измерения  характеристик магнитного поля  и магнитных свойств веществ  (магнитных материалов). В зависимости  от определяемой величины различают  приборы для измерения: напряжённости  поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента  поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости  (мю-метры), магнитной восприимчивости  (каппа-метры), магнитного момента.

    В более узком смысле М. - приборы  для измерения напряжённости,  направления и градиента магнитного  поля.

Шкалы М. градуируются в единицах напряжённости  магнитного поля СГС системы единиц (эрстед, мэ, мкэ, гамма = 105 э) и в единицах магнитной индукции СИ (тесла, мктл, нтл).

Самым главным параметром магнитометра является его чувствительность. При этом формализовать  этот параметр, сделать его единым для всех магнитометров практически  невозможно и не только потому, что  магнитометры отличаются принципом  действия, но и конструкцией преобразователей и функцией обработки сигнала.

Для магнитометров принято чувствительность обозначать величиной магнитной  индукции поля, которое способен зарегистрировать прибор. Обычно чувствительность измеряют в нанотеслах (нТл) 1нТл=(1Е-9)Т.

Кроме чувствительности для определения  качества прибора используют такой  параметр, как разрешающая способность, который также измеряется в нанотеслах и определяет ту минимальную разницу  индукции, которую возможно зарегистрировать прибором.Для того чтобы представить  величину индукции магнитного поля, которое  регистрируют современные магнитометры, достаточно вычислить величину магнитного поля, создаваемого проводник с током в 1 мА на расстоянии 0.1м.

Поле  Земли составляет величину примерно 35000nT (35µT). Это усредненная величина – в различных точках земного  шара она меняется в диапазоне 35000nT (35µT) – 60000nT (60µT). Таким образом задача поиска ферромагнитных предметов состоит  в том, чтобы на фоне природного поля Земли обнаружить приращение поля, обусловленное искажениями от ферромагнитных предметов.

* Bmax = 70µT Hmax=55.7A/m

   Bmin = 20µT Hmin=15.9A/m

Существует  несколько физических принципов  и основанных на них типов магнитометрических приборов, позволяющих фиксировать  минимальные изменения магнитного поля Земли или искажения, вносимые ферромагнитными объектами. Современные  магнитометры обладают чувствительностью  от 0.01nT до 1nT, в зависимости от принципа действия и класса решаемых задач.

    Различают М. для измерений  абсолютных значений характеристик  поля и относительных изменений  поля в пространстве или во  времени. Последние называются  вариометрами магнитными. М. классифицируют  также по условиям эксплуатации  и, наконец, в соответствии  с физическими явлениями, положенными  в основу их действия.

Разновидности магнитометров: феррозондовый, магнитоиндуктивные, на эффекте Холла, магниторезисторные, квантовый (протонный).

Цель  данной курсовой работы: рассмотреть принцип работы современного протонного магнитометра

 

Глава 1. Принцип действия.

 

  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 nT.

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 мкТ. 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.

    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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Блок-схема реализации протонного магнитометра

 

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

Рассмотрим принцип работы данного  устройства.

Цикл одного измерения магнитного поля состоит из следующих этапов:

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.