http://www.gellerlabs.com/pmagindoors.htm

http://www.gellerlabs.com/pmag%20docs.htm

Konstrukce protonového magnetometru

Obsah:

1. Úvod a použití
2. Princip a konstrukce
3. Ukázky přístrojů
4. Použitá literatura

1. Úvod a použití

1.1 Co je magnetometrie

Magnetometrie se používá k měří magnetické indukce pole Země (jednotka Tesla, T). Toto pole pravděpodobně vzniká pohyby v tekutém jádru Země. Magnetické pole Země se mění v čase i prostoru. Ve Střední Evropě bychom naměřili hodnotu cca. 45 000 nT, na polárních kruzích cca. 70 000 nT. Velikost však závisí i na aktivitách jádra Země, na aktivitě Slunce a na magnetických bouřích v ionosféře, dále na materiálu zemské kůry a podobně. Magnetická indukce je vektorová veličina, tzn. má velikost a směr.

Obr. 1.1 - Celková intenzita magnetického pole na Zemi v nT

Praktické použití magnetometrie najdeme v geologických průzkumech, archeologii, hledaní ponořených těles a podobně. V praxi se pro měření magnetického pole používá například protonový magnetometr.

1.2 Obecný princip protonového magnetometru

Protonový magnetometr se tak jmenuje proto, že k měření magnetického pole využívá precese protonů. Protony, neboli vodíková jádra v kapalině bohaté na vodík se chovají jako maličké magnetické dipóly. Tyto magnety se dočasně polarizují tím, že se vystaví působení silného magnetického pole, generovaného budící cívkou. Když se polarizační proud vypne, protony se opět přizpůsobí vnějšímu magnetickému poli a generují v cívce malý signál, jehož frekvence je úměrná indukci tohoto magnetického pole. Nevýhodou protonového magnetometru je, že měří pouze velikost a celkový vektor. Nelze měřit zvlášť vertikální a horizontální složku geomagnetického pole. Ve většině případů je ale toto měření dostačující. Rozlišovací schopnost protonového magnetometru je asi 0,1 nT. Registrace geomagnetického pole trvá přibližně několik vteřin.

1.3 Měření gradientu indukce

Místo měření magnetické indukce samotné je v některých případech vhodnější měření vertikálního gradientu indukce magnetického pole. K vyhodnocovací jednotce se připojí nad sebou dvě sondy tak, aby mezi nimi byla pevná vzdálenost. Rozdíl obou naměřených údajů umožňuje vypočítat průměrný vertikální gradient. Toto měření odstraňuje vliv časových variací magnetického pole, odstraňuje vliv anomálií velkých rozměrů a lépe definuje mělčí zdroje, což je například pro archeologii velmi výhodné.

Obr. 1.2 - Princip gradientového měření

Obr. 1.3 - Cesiový gradiometr

1.4 Anomálie

Vedle anomálií zemského magnetického pole se vyskytují i takzvané časové variace. Kromě nich existují i kratší denní variace, tedy velmi malé a rychlé cyklické změny o amplitudě 20 - 50 nT s periodou pod 10 minut. Tyto rušivé faktory je nutné mít pod kontrolou. Jednou takovou možností je právě gradientové měření.

1.5 Praktická metoda měření

V zaměřeném místě se vyměří rastr který se označí nataženými lanky. U nošených magnetometrů se úsekem prochází konstantní rychlostí. Magnetometry na vozíku mohou mít i zabudovaný krokoměr.

Pracovní tým u sebe nesmí mít žádné kovové předměty, především je třeba dbát na magnetické objekty jako mobily, kreditní karty a podobně.

1.6 Měření magnetické susceptibility zemin

V důsledku fyzikálních a chemických změn v půdě dochází v železitých minerálech ke změně jejich magnetické susceptibility. Změna v takových případech bývá směrem k vyšším hodnotám. Největší nárůst nalézáme u hornin prošlých žárem, rozpadlých nádob či cihel s pozůstatky po výrobě železa.

Magnetická susceptibilita je poměr síly indukovaného magnetického pole k vnějšímu magnetickému poli. Je bez jednotky a označuje se kappa.

kappa = M/H

M ... indukované pole [nT]
H ... magnetické pole [nT]

Magnetickou susceptibilitou se zabýváme protože chemické procesy v půdě probíhají neustále. Povrch tedy vykazuje vysokou susceptibilitu. Tím je dána jistá dolní mez pro umístění měřících čidel magnetometru, nemá-li susceptibilita povrchu země znehodnocovat informaci o hlubších vrstvách. Archeologicky hodnotné ovlivnění susceptibility navíc bývá často pozorovatelné jen v tenkých vrstvičkách. Předností je, že můžeme nashromáždit dostatečné množství zeminy i z velmi tenkých vrstev, a neexistuje ovlivnění jinými vrstvami, jako při polním měření.

1.6 Příklad využití rozdílné susceptibility

Ornice má vyšší hodnotu magnetické susceptibility, podložní substrát má nižší. A označuje oblast v profilu, kde byla naměřena vysoká susceptibilita. Jedná se o vrstvu ornice, která byla při zahazování příkopu první na řadě. Teprve nad ní začínají vrstvy B, které vznikly přírodním zanesením. Oblast A, ležící pod vrstvami B, dokazuje, že příkop byl částečně uměle zasypán.

Obr. 1.4 - Příklad využití rozdílné susceptibility

2. Princip a konstrukce

2.1 Princip

Magnetometry jsou obecně děleny do dvou kategorií, které se silně liší ve funkci a principu práce:

• Vektorové magnetometry - měří hodnotu magnetické indukce ve zvoleném směru v prostoru. Hodnota magnetické indukce je pak vektor se směrem a velikostí.
• Skalární magnetometry - měří pouze hodnotu indukce nezávisle na směru.

Protonový precesní magnetometr je skalárního typu, protože měří pouze hodnotu indukce. Metoda měření je založena na spinech protonů v magnetickém poli podle Larmorovi rovnosti:

Obr. 2.1 - Larmorova rovnost

Typicky, senzorová láhev obsahuje kapalnou látku s velkým množstvím protonů (jako petrolej), na kterou působí velký stejnosměrný proudu protékající navinutou cívkou kolem láhve. Proud vytváří odpovídající indukované pole v směru kolmém k zemskému magnetickému poli.

Obr. 2.2 - Princip

Po zindukování protonů je proud vypnut a precese protonů s frekvencí je pak úměrná magnetické indukci. Pro počítání frekvence je pak použit čítač s vhodným algoritmem, který určí magnetickou intenzitu s vysokou přesností nedosažitelnou jinými systémy.

Protonový precesní magnetometer používá vodíkové atomy ke generování precesních signálů. Používány jsou kapaliny jako petrolej, protože nabízí vysokou hustotu vodíku a nejsou nebezpečné při používání.

Polarizovaný stejnosměrný proud prochází navinutým drátem okolo nadoby s kapalinou (voda, petrolej, nebo podobné). Protony v tomto poli jsou polarizovány do silnější magnetizační sítě odpovídající teplotní rovnováze silnější magnetické indukce. Když je rychle vypnuta pomocná indukce, polarizované protony se natáčí zpět do normální magnetické indukce a dočasně vzniká jejich precese. Frekvence precese f0 přímo závisí na magnetické indukci B podle následujícího vzorce:

fo= (gama p / 2pi) * B
gama p / 2pi = 42.5763751 MHz/T

Délka precesní signálu se pohybuje od zlomku sekundy k 2 sekundám a lze jej měřit speciálními čítači. Kvalita signálu může být také odvozena od amplitudy signálu a její změřené charakteristiky, která je zprůměrována přes dobu záznamu.

Měření protonové precese je nutně sekvenční. To znamená, že je nutná nejdříve inicializační polarizace a pak následě měřeni frekvence, po kterém je cyklus zopakován. V tomto je rozdíl oproti průběžnému měření, kde polarizace jader a měření je prováděno souběžně.

2.2 Konstrukce

Přístroj se skládá s nádoby naplněné tekutinou s vysokou koncentrací protonů ovinutou vodičem. Cyklus měření se skládá z části počátečního polarizování protonů a následného měření. Proto je potřeba do cívky nejdříve přivést polarizační proud a následně přepnout cívku k měřícímu řetězci. V tomto blokovém schématu jsou umístěny nad sebou dvě cívky, které jsou ve skutečnosti umístěny od sebe co nejdále. Tomuto způsobu měření se říká diferenciální a vylučuje rušivé vlivy působící na obě cívky stejně jako interference s jinými přístroji, časové změny a magnetické bouře způsobené sluneční aktivitou. Při měření magnetického pole Země jsou senzory umístěny nad sebou. Senzory mohou být od sebe vzdáleny více pokud je přístroj větší a není určen pro přenášení v terénu. V blokovém schématu je dále signál veden přes FET tranzistor k zesilovači, vyfiltrován nastavitelným pásmovým filtrem a veden k reproduktoru. Reproduktor musí být umístěn tak, aby nezanášel elektromagnetické rušení. Místo reproduktoru může být použít speciální čítač, který vyhodnotí frekvenci a amplitudu signálu a zobrazí hodnotu na zobrazovací jednotce.

Obr. 2.3 - Blokové schéma zapojení

Obr. 2.4 - Ukázkový audio výstup

Ukázkový audio výstup si můžete poslechnout přímo zde

Obr. 2.5 - Ukázka realizace senzoru

3. Ukázky přístrojů

3.1 AX2000 Protonový Magnetometr

Hlavní výhoda AX2000 je velký LCD grafický zobrazovač a celá doteková klávesnice kde je celkem 20 tlačítek, z toho 10 jsou čísla, 4 jsou šipky a zbytek jsou funkční klávesy, díky nimž je velice snadné ovládat pracovní režimy a jednotlivá nastavení. Je zde také začleněno automatické nastavení, zvláště pro počáteční vstupní ladicí optimalizaci v místech kde je velká intenzita magnetického pole. Stupnice mohou být nastaveny buď lineární nebo logaritmické pro přesnější měření. Výhodou je také uložení záznamu dat. Veškerá elektronika je zabudovaná v plastovém obalu.

Obr. 3.1 - AX2000 Protonový Magnetometr

3.1.1 Použití

• Průzkum - archeologické nálezy, potopené vraky lodí a různých železných materiálů umožňuje průzkum rozsáhlé oblasti mořského dna kdy je jen přibližná pozice vraku známá
• Rybolov
• Záchranné akce

3.1.2 Rysy

• Velký LCD displej
• Doteková klávesnice
• Záznam dat
• Grafické ladění

3.2 Protonový Magnetometr MC5

Protonový Magnetometr MC5 byl vyvinut z předešlého vysoce úspěšného modelu MC4. Nejvýznamnější rozdíl představuje mikroprocesor s ještě lepším výkonem, díky kterému operuje s velmi vysokou citlivostí která je až dvojnásobná. To může být velká výhoda např. pro profesionální hledače vraků lodí kdy právě díky vysoké citlivosti mohou zachytit malé železné objekty jako třeba železné dělo. Dále má řadu schopností poskytnout tiskové výsledky přes digitální tiskárnu nebo grafového zapisovatele. Navíc má přídavný software poskytující data v ASCII formátu pro snadnou komunikaci se sériovým portem PC.

Obr. 3.2 - MC5 Protonový Magnetometr

3.2.1 Použití

• Průzkum
• Rybolov
• Záchranné akce

3.2.2 Rysy

• Vysoká citlivost
• Tisková zařízení
• Kompaktibilita s PC

3.3 AQ1B Podvodní detektor kovů

V posledních deseti letech tento magnetometr pro zjišťování kovových předmětů pod vodou zaznamenal mnoho úspěchů po celém světě díky dobrých určujícím schopnostem. Je válcového tvaru s průměrem 38cm. Ni-cad bateriový modul umožní 10 hodin práce.

Obr. 3.3 - AQ1B Podvodní detektor kovů

3.3.1 Použití

• Průzkum
• Policie/ozbrojené síly - poskytne hledání všech typů kovových zbraní atd. Efektivně v širokém okruhu, zvláště ve špatné dohlednosti, kde by se tyto položky skrývaly.
• Záchranné akce
• Archeologie

3.3.2 Rysy

• Dobrá určující schopnost
• Až do hloubky 100m
• Baterie
• 8-10 hodin práce

3.4 Zemní protonový Magnetometr CZM-2

Tento magnetometr, vyráběný na základě principu využívající vodíkového protonu magnetického momentu, který sleduje hodnoty celkové magnetické síly země. Jedno z hlavních využití je rozsáhlý průzkum a sledování železné rudy. Také se může využít na geomagnetické stanici pro pozorování a předpovědí zemětřesení, mobilního magnetického průzkumu a odhalení malých feromagnetických objektů zvláště v slabě magnetických oblastech.

Obr. 3.4 - Zemní protonový Magnetometr CZM-2

3.4.1 Rysy

• Malá hlasitost
• Lehká váha
• Vysoká preciznost
• Široký rozsah měření
• Dobrá anti-poruchová schopnost

4. Literatura

[1] GEM Systems - Brief Review of Quantum Magnetometers
[2] GEM Systems - Proton Precession Magnetometers
[3] Dan's Homegrown Proton Precession Magnetometer Page
[4] BUILD A PROTON PRECESSION MAGNETOMETER
[5] http://www.farasia.com.cn/
[6] Hašek, V. - Měřínský, Z. 1991: Geofyzikální metody v archeologii na Moravě, Brno
[7] Karous, M - Gürtler, R - Nikl, P. 1988: Přesná detailní měření cesiovým magnetometrem pro detekci skrytých archeologických a jiných objektů. In: Kouřil, P - Nekuda, R. - Unger, J.: Ve službách archeologie, Brno
[8] Fröhlich, J. - Majer, A. - Venclová, N. 1998: Archeologická prospekce a průzkum měřením magnetické susceptibility zemin. In: Kouřil, P - Nekuda, R. - Unger, J.: Ve službách archeologie, Brno
[9] Přehled geofyzikálních metod včetně hlavních oblastí jejich využití

Jako projekt do předmětu Ekologie v elektrotechnice vypracovali studenti fakulty Elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Brno Jiří Hajda, Petr Fiala a Martin Horvát. Sestaveno dne 3.11.2004.