Magnetometru - Magnetometer

Magnetometru Vector Helium (HVM) al navei spațiale Pioneer 10 și 11

Un magnetometru este un dispozitiv care măsoară câmpul magnetic sau momentul dipol magnetic . Unele magnetometre măsoară direcția, puterea sau schimbarea relativă a unui câmp magnetic într-o anumită locație. O busolă este un astfel de dispozitiv, care măsoară direcția unui câmp magnetic ambiental, în acest caz, câmpul magnetic al Pământului . Alți magnetometri măsoară momentul dipol magnetic al unui material magnetic, cum ar fi feromagnetul , de exemplu prin înregistrarea efectului acestui dipol magnetic asupra curentului indus într-o bobină.

Primul magnetometru capabil să măsoare intensitatea magnetică absolută într-un punct din spațiu a fost inventat de Carl Friedrich Gauss în 1833, iar evoluțiile notabile din secolul al XIX-lea au inclus efectul Hall , care este încă utilizat pe scară largă.

Magnetometrele sunt utilizate pe scară largă pentru măsurarea câmpului magnetic al Pământului , în sondaje geofizice , pentru a detecta anomalii magnetice de diferite tipuri și pentru a determina momentul dipol al materialelor magnetice. În atitudinea aeronavei și în sistemul de referință de direcție , acestea sunt utilizate în mod obișnuit ca referință de direcție . Magnetometrele sunt, de asemenea, utilizate de militari în minele magnetice pentru a detecta submarinele. În consecință, unele țări, cum ar fi Statele Unite, Canada și Australia, clasifică magnetometrele mai sensibile drept tehnologie militară și controlează distribuția acestora.

Magnetometrele pot fi utilizate ca detectoare de metale : pot detecta numai metale magnetice ( feroase ), dar pot detecta astfel de metale la o adâncime mult mai mare decât detectoarele de metale convenționale; sunt capabili să detecteze obiecte mari, cum ar fi mașinile, la zeci de metri, în timp ce autonomia unui detector de metale este rareori mai mare de 2 metri.

În ultimii ani, magnetometrele au fost miniaturizate în măsura în care pot fi încorporate în circuite integrate la un cost foarte scăzut și găsesc o utilizare tot mai mare ca busole miniaturizate ( senzor de câmp magnetic MEMS ).

Introducere

Campuri magnetice

Câmpurile magnetice sunt mărimi vectoriale caracterizate atât de forță, cât și de direcție. Puterea unui câmp magnetic este măsurată în unități de tesla în unitățile SI și în gauss în sistemul de unități cgs . 10.000 de gauss sunt egali cu o tesla. Măsurătorile câmpului magnetic al Pământului sunt adesea citate în unități de nanotesla (nT), numite și gamma. Câmpul magnetic al Pământului poate varia de la 20.000 la 80.000 nT în funcție de locație, fluctuațiile câmpului magnetic al Pământului sunt de ordinul 100 nT, iar variațiile câmpului magnetic datorate anomaliilor magnetice pot fi în intervalul picotesla (pT). Gaussmeters și teslameters sunt magnetometre care măsoară în unități de gauss sau, respectiv, tesla. În unele contexte, magnetometru este termenul folosit pentru un instrument care măsoară câmpuri mai mici de 1 militesla (mT) și gaussmeter este utilizat pentru cei care măsoară mai mult de 1 mT.

Tipuri de magnetometru

Experimentul cu magnetometru pentru orbitatorul Juno pentru Juno poate fi văzut aici la capătul unui braț. Nava spațială folosește doi magnetometri fluxgate. (vezi și Magnetometru (Juno) )

Există două tipuri de bază de măsurare a magnetometrului. Magnetometrele vectoriale măsoară componentele vectoriale ale unui câmp magnetic. Magnetometrele cu câmp total sau magnetometrele scalare măsoară magnitudinea câmpului magnetic vectorial. Magnetometrele utilizate pentru a studia câmpul magnetic al Pământului pot exprima componentele vectoriale ale câmpului în termeni de declinare (unghiul dintre componenta orizontală a vectorului de câmp și adevărat sau geografic, la nord) și înclinația (unghiul dintre vectorul de câmp și suprafața orizontală).

Magnetometrele absolute măsoară magnitudinea absolută sau câmpul magnetic vectorial, utilizând o calibrare internă sau constante fizice cunoscute ale senzorului magnetic. Magnetometrele relative măsoară magnitudinea sau câmpul magnetic vectorial în raport cu o linie de bază fixă, dar necalibrată. De asemenea , numit Variometre , magnetometre relative sunt folosite pentru a măsura variații în câmp magnetic.

Magnetometrele pot fi, de asemenea, clasificate în funcție de situația lor sau de utilizarea intenționată. Magnetometrele staționare sunt instalate într-o poziție fixă ​​și se efectuează măsurători în timp ce magnetometrul este staționar. Magnetometrele portabile sau mobile sunt destinate a fi utilizate în mișcare și pot fi transportate manual sau transportate într-un vehicul în mișcare. Magnetometrele de laborator sunt utilizate pentru a măsura câmpul magnetic al materialelor plasate în interiorul lor și sunt de obicei staționare. Magnetometrele de sondaj sunt utilizate pentru măsurarea câmpurilor magnetice în sondajele geomagnetice; pot fi stații de bază fixe, ca în rețeaua INTERMAGNET , sau magnetometre mobile utilizate pentru scanarea unei regiuni geografice.

Performanță și capacități

Performanța și capacitățile magnetometrelor sunt descrise prin specificațiile lor tehnice. Specificațiile majore includ

  • Rata eșantionării este numărul de citiri date pe secundă. Inversul este timpul ciclului în secunde pe citire. Rata de eșantionare este importantă în magnetometrele mobile; rata de eșantionare și viteza vehiculului determină distanța dintre măsurători.
  • Lățimea de bandă sau trecerea de bandă caracterizează cât de bine un magnetometru urmărește schimbările rapide ale câmpului magnetic. Pentru magnetometrele fără procesare a semnalului la bord , lățimea de bandă este determinată de limita Nyquist stabilită de rata de eșantionare. Magnetometrele moderne pot efectua netezirea sau medierea asupra probelor secvențiale, obținând un zgomot mai mic în schimbul lățimii de bandă mai mici.
  • Rezoluția este cea mai mică schimbare într-un câmp magnetic pe care magnetometrul îl poate rezolva. Un magnetometru ar trebui să aibă o rezoluție mult mai mică decât cea mai mică schimbare pe care dorești să o observi.
  • Eroarea de cuantificare este cauzată de înregistrarea rotunjirii și trunchierea expresiilor digitale ale datelor.
  • Eroarea absolută este diferența dintre citirile unui câmp magnetic adevărat al magnetometrului.
  • Deriva este schimbarea erorii absolute în timp.
  • Stabilitatea termică este dependența măsurării de temperatură. Este dat ca un coeficient de temperatură în unități de nT pe grad Celsius.
  • Zgomotul este fluctuațiile aleatorii generate de senzorul magnetometrului sau de electronice. Zgomotul este dat în unități de , în care componenta de frecvență se referă la lățimea de bandă.
  • Sensibilitatea este cea mai mare dintre zgomot sau rezoluție.
  • Eroarea de direcție este modificarea măsurătorii datorată unei schimbări de orientare a instrumentului într-un câmp magnetic constant.
  • Zona moartă este regiunea unghiulară de orientare a magnetometrului în care instrumentul produce măsurători slabe sau deloc. Toate precesiunile pompate optic, fără protoni și magnetometrele Overhauser experimentează unele efecte ale zonei moarte.
  • Toleranța gradientului este capacitatea unui magnetometru de a obține o măsurare fiabilă în prezența unui gradient de câmp magnetic . În sondajele de munițe neexplodate sau depozite de deșeuri, gradienții pot fi mari.

Magnetometre timpurii

Busola este un tip simplu de magnetometru.
Magnetometru de sondaj de coastă și geodezic nr. 18.

Busola, formată dintr-un ac magnetizat a cărui orientare se schimbă ca răspuns la câmpul magnetic ambiental, este un tip simplu de magnetometru, unul care măsoară direcția câmpului. Frecvența de oscilație a unui ac magnetizat este proporțională cu rădăcina pătrată a puterii câmpului magnetic ambiental; astfel, de exemplu, frecvența de oscilație a acului unei busole situate orizontal este proporțională cu rădăcina pătrată a intensității orizontale a câmpului ambiental.

În 1833, Carl Friedrich Gauss , șeful Observatorului Geomagnetic din Göttingen, a publicat o lucrare despre măsurarea câmpului magnetic al Pământului. Acesta a descris un nou instrument care consta dintr-un magnet permanent cu bară suspendat orizontal de o fibră de aur . Diferența dintre oscilații când bara a fost magnetizată și când a fost demagnetizată i-a permis lui Gauss să calculeze o valoare absolută pentru puterea câmpului magnetic al Pământului.

Lui Gauss , CGS unitatea de densitate de flux magnetic a fost numit în onoarea lui, definit ca un maxwell pe centimetru pătrat; este egal cu 1 × 10 −4 tesla ( unitatea SI ).

Francis Ronalds și Charles Brooke au inventat în mod independent magnetografe în 1846 care au înregistrat continuu mișcările magnetului folosind fotografia , ușurând astfel sarcina observatorilor. Au fost utilizate rapid de Edward Sabine și alții într-un sondaj magnetic global, iar mașinile actualizate au fost utilizate până în secolul al XX-lea.

Magnetometre de laborator

Magnetometrele de laborator măsoară magnetizarea , cunoscută și sub numele de moment magnetic al unui material de probă. Spre deosebire de magnetometrele de sondaj, magnetometrele de laborator necesită plasarea probei în interiorul magnetometrului și adesea temperatura, câmpul magnetic și alți parametri ai probei pot fi controlați. Magnetizarea unui eșantion depinde în primul rând de ordonarea electronilor nepereche din atomii săi, cu contribuții mai mici din momentele magnetice nucleare , diamagnetismul Larmor , printre altele. Ordonarea momentelor magnetice este în primul rând clasificată ca diamagnetică , paramagnetică , feromagnetică sau antiferromagnetică (deși zoologia ordonării magnetice include și ferimagnetică , helimagnetică , toroidală , sticlă rotativă etc.). Măsurarea magnetizării în funcție de temperatură și câmp magnetic poate oferi indicii privind tipul de ordonare magnetică, precum și orice tranziție de fază între diferite tipuri de ordine magnetice care apar la temperaturi critice sau câmpuri magnetice. Acest tip de măsurare a magnetometriei este foarte important pentru a înțelege proprietățile magnetice ale materialelor din fizică , chimie , geofizică și geologie , precum și uneori biologie .

SQUID (dispozitiv cu interferență cuantică supraconductoare)

SQUID-urile sunt un tip de magnetometru folosit atât ca sondă cât și ca magnetometre de laborator. Magnetometria SQUID este o tehnică de magnetometrie absolută extrem de sensibilă. Cu toate acestea, SQUID-urile sunt sensibile la zgomot, făcându-le impracticabile ca magnetometre de laborator în câmpuri magnetice DC înalte și în magneți pulsați. Magnetometrele comerciale SQUID sunt disponibile pentru temperaturi cuprinse între 300 mK și 400 kelvini și câmpuri magnetice de până la 7 tesla.

Bobine de captare inductive

Bobinele de captare inductive (numite și senzor inductiv) măsoară momentul dipol magnetic al unui material prin detectarea curentului indus într-o bobină din cauza momentului magnetic în schimbare al probei. Magnetizarea eșantionului poate fi modificată prin aplicarea unui câmp magnetic mic de curent alternativ (sau a unui câmp de curent continuu în schimbare rapidă), așa cum se întâmplă în magneții pulsanți conduși de condensatori. Aceste măsurători necesită diferențierea dintre câmpul magnetic produs de eșantion și cel de câmpul extern aplicat. Adesea se folosește un aranjament special de bobine de anulare. De exemplu, jumătate din bobina de preluare este înfășurată într-o direcție, iar cealaltă jumătate în cealaltă direcție, iar proba este plasată doar într-o jumătate. Câmpul magnetic uniform extern este detectat de ambele jumătăți ale bobinei și, deoarece acestea sunt înfășurate, câmpul magnetic extern nu produce semnal net.

VSM (magnetometru cu probă vibrantă)

Magnetometrele cu probă vibrantă (VSM) detectează momentul dipol al unei probe prin vibrarea mecanică a probei în interiorul unei bobine de captare inductive sau în interiorul unei bobine SQUID. Se măsoară curentul indus sau fluxul modificat în bobină. Vibrația este de obicei creată de un motor sau de un actuator piezoelectric. De obicei, tehnica VSM are un ordin de mărime mai puțin sensibil decât magnetometria SQUID. VSM-urile pot fi combinate cu SQUID-uri pentru a crea un sistem care este mai sensibil decât unul singur. Căldura datorată vibrațiilor probei poate limita temperatura de bază a unui VSM, de obicei la 2 Kelvin. VSM este, de asemenea, impracticabil pentru măsurarea unei probe fragile, care este sensibilă la accelerarea rapidă.

Magnetometrie de extracție cu câmp pulsat

Magnetometria de extracție cu câmp pulsat este o altă metodă care folosește bobine de preluare pentru a măsura magnetizarea. Spre deosebire de VSM-uri în care proba este vibrată fizic, în magnetometria de extracție cu câmp pulsat, proba este securizată și câmpul magnetic extern este schimbat rapid, de exemplu într-un magnet condus de condensator. Una dintre multiplele tehnici trebuie apoi utilizată pentru a anula câmpul extern din câmpul produs de eșantion. Acestea includ bobine contracarate care anulează câmpul uniform extern și măsurătorile de fond cu proba scoasă din bobină.

Magnetometria cuplului

Magnetometria cuplului magnetic poate fi chiar mai sensibilă decât magnetometria SQUID . Cu toate acestea, magnetometria cuplului magnetic nu măsoară magnetismul direct, așa cum fac toate metodele menționate anterior. În schimb, magnetometria cuplului magnetic măsoară cuplul τ care acționează asupra momentului magnetic al probei μ ca rezultat al unui câmp magnetic uniform B, τ = μ × B. Un cuplu este astfel o măsură a anizotropiei magnetice sau de formă a probei. În unele cazuri, magnetizarea probei poate fi extrasă din cuplul măsurat. În alte cazuri, măsurarea cuplului magnetic este utilizată pentru a detecta tranzițiile de fază magnetice sau oscilațiile cuantice . Cel mai comun mod de a măsura cuplul magnetic este de a monta proba pe un consolă și de a măsura deplasarea prin măsurarea capacității între consolă și obiectul fix din apropiere, sau prin măsurarea piezoelectricității consolului sau prin interferometrie optică de pe suprafața consolului. .

Magnetometria forței Faraday

Magnetometria forței Faraday folosește faptul că un gradient de câmp magnetic spațial produce forță care acționează asupra unui obiect magnetizat, F = (M⋅∇) B. În magnetometria de forță Faraday, forța pe eșantion poate fi măsurată printr-o scală (agățând proba de o balanță sensibilă) sau prin detectarea deplasării împotriva unui arc. În mod obișnuit se folosește o celulă de încărcare capacitivă sau consolă din cauza sensibilității, dimensiunii și lipsei de piese mecanice. Magnetometria forței Faraday este cu aproximativ un ordin de mărime mai puțin sensibilă decât un SQUID. Cel mai mare dezavantaj al magnetometriei de forță Faraday este că necesită unele mijloace pentru a produce nu numai un câmp magnetic, ci și un gradient de câmp magnetic. În timp ce acest lucru poate fi realizat prin utilizarea unui set de fețe de poli speciale, un rezultat mult mai bun poate fi obținut prin utilizarea unui set de bobine de gradient. Un avantaj major al magnetometriei de forță Faraday este că este mic și rezonabil tolerant la zgomot și, prin urmare, poate fi implementat într-o gamă largă de medii, inclusiv un frigider cu diluție . Magnetometria forței Faraday poate fi, de asemenea, complicată de prezența cuplului (a se vedea tehnica anterioară). Acest lucru poate fi eludat prin variația câmpului de gradient independent de câmpul DC aplicat, astfel încât cuplul și contribuția Forței Faraday pot fi separate și / sau prin proiectarea unui magnetometru Faraday Force care împiedică rotirea probei.

Magnetometrie optică

Magnetometria optică folosește diverse tehnici optice pentru a măsura magnetizarea. O astfel de tehnică, Magnetometria Kerr, folosește efectul Kerr magneto-optic sau MOKE. În această tehnică, lumina incidentă este direcționată către suprafața eșantionului. Lumina interacționează cu o suprafață magnetizată neliniar, astfel încât lumina reflectată are o polarizare eliptică, care este apoi măsurată de un detector. O altă metodă de magnetometrie optică este magnetometria de rotație Faraday . Magnetometria de rotație Faraday utilizează rotația magneto-optică neliniară pentru a măsura magnetizarea unei probe. În această metodă, un film subțire modulant Faraday este aplicat probei care urmează să fie măsurată și o serie de imagini sunt luate cu o cameră care detectează polarizarea luminii reflectate. Pentru a reduce zgomotul, mai multe imagini sunt apoi calculate împreună. Un avantaj al acestei metode este că permite cartarea caracteristicilor magnetice pe suprafața unui eșantion. Acest lucru poate fi util în special atunci când studiați lucruri precum efectul Meissner asupra supraconductoarelor. Magnetometrele microfabricate cu pompă optică (µOPM) pot fi utilizate pentru a detecta mai precis originea crizelor cerebrale și pentru a genera mai puțină căldură decât dispozitivele cu interferențe cuantice supraconductoare disponibile în prezent, mai cunoscute sub numele de SQUID-uri . Dispozitivul funcționează utilizând lumină polarizată pentru a controla rotirea atomilor de rubidiu care pot fi utilizați pentru măsurarea și monitorizarea câmpului magnetic.

Magnetometre de sondaj

Magnetometrele de sondaj pot fi împărțite în două tipuri de bază:

  • Magnetometrele scalare măsoară puterea totală a câmpului magnetic la care sunt supuse, dar nu și direcția acestuia
  • Magnetometrele vectoriale au capacitatea de a măsura componenta câmpului magnetic într-o anumită direcție, în raport cu orientarea spațială a dispozitivului.

Un vector este o entitate matematică atât cu magnitudine cât și cu direcție. Câmpul magnetic al Pământului la un punct dat este un vector. O busolă magnetică este proiectată pentru a da o direcție orizontală a lagărului , în timp ce un magnetometru vector măsoară atât magnitudinea, cât și direcția câmpului magnetic total. Trei senzori ortogonali sunt necesari pentru a măsura componentele câmpului magnetic în toate cele trei dimensiuni.

De asemenea, acestea sunt evaluate ca „absolute” dacă puterea câmpului poate fi calibrată din propriile constante interne cunoscute sau „relativă” dacă trebuie calibrate prin referire la un câmp cunoscut.

Un magnetograf este un magnetometru care înregistrează continuu date.

Magnetometrele pot fi clasificate și ca „AC” dacă măsoară câmpuri care variază relativ rapid în timp (> 100 Hz) și „DC” dacă măsoară câmpuri care variază doar încet (cvasi-statice) sau sunt statice. Magnetometrele de curent alternativ se folosesc în sistemele electromagnetice (cum ar fi magnetoteluricele ), iar magnetometrele de curent continuu sunt utilizate pentru detectarea mineralizării și a structurilor geologice corespunzătoare.

Magnetometre scalare

Magnetometru cu precesiune de protoni

Magnetometrii de precesiune de protoni , cunoscuți și sub numele de magnetometri de protoni , PPM sau pur și simplu mags, măsoară frecvența de rezonanță a protonilor (nuclei de hidrogen) din câmpul magnetic care urmează să fie măsurat, datorită rezonanței magnetice nucleare (RMN). Deoarece frecvența precesiei depinde doar de constantele atomice și de puterea câmpului magnetic ambiental, precizia acestui tip de magnetometru poate ajunge la 1 ppm .

Un curent continuu care curge într-un solenoid creează un câmp magnetic puternic în jurul unui fluid bogat în hidrogen ( kerosenul și decanul sunt populare și poate fi folosită chiar și apă), determinând unii dintre protoni să se alinieze cu acel câmp. Curentul este apoi întrerupt și, pe măsură ce protonii se aliniază cu câmpul magnetic ambiental , aceștia precesează la o frecvență direct proporțională cu câmpul magnetic. Aceasta produce un câmp magnetic rotativ slab, care este preluat de un inductor (uneori separat), amplificat electronic și alimentat la un contor digital de frecvențe a cărui ieșire este de obicei scalată și afișată direct ca intensitate a câmpului sau ieșire ca date digitale.

Pentru unitățile transportate manual / rucsac, ratele de eșantionare PPM sunt de obicei limitate la mai puțin de un eșantion pe secundă. Măsurătorile sunt luate de obicei cu senzorul ținut în locații fixe la pași de aproximativ 10 metri.

Instrumentele portabile sunt, de asemenea, limitate de volumul (greutatea) senzorului și de consumul de energie. PPM-urile lucrează în gradienți de câmp până la 3.000 nT / m, ceea ce este adecvat pentru majoritatea lucrărilor de explorare a mineralelor. Pentru o toleranță mai mare a gradientului, cum ar fi cartarea formațiunilor de fier în benzi și detectarea obiectelor feroase mari, magnetometrele Overhauser pot gestiona 10.000 nT / m, iar magnetometrele cu cesiu pot gestiona 30.000 nT / m.

Ele sunt relativ ieftine (<8.000 USD) și au fost cândva utilizate pe scară largă în explorarea mineralelor. Trei producători domină piața: GEM Systems, Geometrics și Scintrex. Modelele populare includ G-856/857, Smartmag, GSM-18 și GSM-19T.

Pentru explorarea mineralelor, acestea au fost înlocuite de instrumentele Overhauser, cesiu și potasiu, toate acestea mergând cu bicicleta rapidă și nu necesită operatorului să facă o pauză între citiri.

Magnetometru cu efect Overhauser

Overhauser efect magnetometru sau Overhauser magnetometru utilizează același efect fundamental ca magnetometru precesiune protonice să facă măsurători. Prin adăugarea de radicali liberi la fluidul de măsurare, efectul nuclear Overhauser poate fi exploatat pentru a îmbunătăți semnificativ magnetometrul cu precesiune de protoni. În loc să alinieze protonii utilizând un solenoid, un câmp cu frecvență radio de joasă putere este utilizat pentru a alinia (polariza) rotirea electronică a radicalilor liberi, care apoi se cuplează la protoni prin intermediul efectului Overhauser. Acest lucru are două avantaje principale: conducerea câmpului RF necesită o fracțiune din energie (permițând baterii mai ușoare pentru unitățile portabile) și eșantionare mai rapidă, deoarece cuplajul electron-proton se poate întâmpla chiar și atunci când sunt luate măsurători. Un magnetometru Overhauser produce citiri cu o abatere standard de la 0,01 nT la 0,02 nT în timp ce eșantionează o dată pe secundă.

Magnetometru cu vapori de cesiu

Optic pompat cesiu magnetometru de vapori este extrem de sensibil (300 fT / Hz 0.5 ) și dispozitiv precis utilizat într - o gamă largă de aplicații. Este unul dintre mai mulți vapori alcalini (inclusiv rubidiu și potasiu ) care sunt utilizați în acest fel.

Dispozitivul este format în general dintr-un emițător de fotoni , cum ar fi un laser, o cameră de absorbție care conține vapori de cesiu amestecată cu un „ gaz tampon ” prin care trec fotonii emiși și un detector de fotoni, aranjați în această ordine. Gazul tampon este de obicei heliu sau azot și sunt utilizate pentru a reduce coliziunile dintre atomii de vapori de cesiu.

Principiul de bază care permite dispozitivului să funcționeze este faptul că un atom de cesiu poate exista în oricare dintre cele nouă niveluri de energie , care pot fi considerate informal ca plasarea orbitalilor atomici electronici în jurul nucleului atomic . Când un atom de cesiu din cameră întâlnește un foton din laser, acesta este excitat la o stare de energie mai mare, emite un foton și cade la o stare de energie inferioară nedeterminată. Atomul de cesiu este „sensibil” la fotonii din laser în trei dintre cele nouă stări de energie ale sale și, prin urmare, presupunând un sistem închis, toți atomii cad în cele din urmă într-o stare în care toți fotonii din laser trec fără obstacole și sunt măsurată de detectorul de fotoni. Vaporii de cesiu au devenit transparenti. Acest proces se întâmplă continuu pentru a menține cât mai mulți electroni în această stare.

În acest moment, eșantionul (sau populația) se spune că a fost pompat optic și gata pentru a avea loc măsurarea. Atunci când se aplică un câmp extern, acesta perturbă această stare și determină mutarea atomilor în stări diferite, ceea ce face ca vaporii să fie mai puțin transparenți. Detectorul foto poate măsura această schimbare și, prin urmare, poate măsura magnitudinea câmpului magnetic.

În cel mai comun tip de magnetometru cu cesiu, un câmp magnetic foarte mic se aplică celulei. Deoarece diferența de niveluri de energie a electronilor este determinată de câmpul magnetic extern, există o frecvență la care acest câmp mic de curent alternativ face ca electronii să schimbe stările. În această nouă stare, electronii pot absorbi din nou un foton de lumină. Acest lucru determină un semnal pe un detector foto care măsoară lumina care trece prin celulă. Electronica asociată folosește acest fapt pentru a crea un semnal exact la frecvența care corespunde câmpului extern.

Un alt tip de magnetometru cu cesiu modulează lumina aplicată celulei. Acesta este denumit magnetometru Bell-Bloom, după ce cei doi oameni de știință care au investigat mai întâi efectul. Dacă lumina este aprinsă și oprită la frecvența corespunzătoare câmpului Pământului, există o modificare a semnalului văzut la detectorul foto. Din nou, electronica asociată o folosește pentru a crea un semnal exact la frecvența care corespunde câmpului extern. Ambele metode conduc la magnetometre de înaltă performanță.

Magnetometru cu vapori de potasiu

Potasiul este singurul magnetometru pompat optic care funcționează pe o singură linie de rezonanță de spin electronică (ESR) unică, spre deosebire de alte magnetometre cu vapori alcali care utilizează linii spectrale neregulate, compozite și largi și heliu cu linia spectrală inerent de largă.

Aplicații

Magnetometrele cu cesiu și potasiu sunt utilizate în mod obișnuit acolo unde este necesar un magnetometru de performanță mai mare decât magnetometrul cu protoni. În arheologie și geofizică, unde senzorul străbate o zonă și sunt adesea necesare multe măsurători precise ale câmpului magnetic, magnetometrele de cesiu și potasiu au avantaje față de magnetometrul cu protoni.

Rata de măsurare mai rapidă a magnetometrului de cesiu și potasiu permite deplasarea senzorului prin zonă mai rapid pentru un număr dat de puncte de date. Magnetometrele cu cesiu și potasiu sunt insensibile la rotația senzorului în timpul măsurării.

Zgomotul mai mic al magnetometrelor de cesiu și potasiu permite ca aceste măsurători să arate mai precis variațiile în câmp cu poziția.

Magnetometre vectoriale

Magnetometrele vectoriale măsoară electronic una sau mai multe componente ale câmpului magnetic. Folosind trei magnetometre ortogonale, pot fi măsurate atât azimutul, cât și scufundarea (înclinarea). Luând rădăcina pătrată a sumei pătratelor componentelor, puterea câmpului magnetic total (numită și intensitatea magnetică totală, TMI) poate fi calculată de teorema lui Pitagora .

Magnetometrele vectoriale sunt supuse derivării temperaturii și instabilității dimensionale a miezurilor de ferită. De asemenea, necesită nivelare pentru a obține informații despre componente, spre deosebire de instrumentele cu câmp total (scalar). Din aceste motive nu mai sunt utilizate pentru explorarea mineralelor.

Magnetometru rotativ cu bobină

Câmpul magnetic induce o undă sinusoidală într-o bobină rotativă . Amplitudinea semnalului este proporțională cu puterea câmpului, cu condiția să fie uniformă și cu sinusul unghiului dintre axa de rotație a bobinei și liniile de câmp. Acest tip de magnetometru este învechit.

Magnetometru cu efect Hall

Cele mai frecvente dispozitive de detectare magnetică sunt senzorii cu efect Hall în stare solidă . Acești senzori produc o tensiune proporțională cu câmpul magnetic aplicat și, de asemenea, detectează polaritatea. Acestea sunt utilizate în aplicații în care puterea câmpului magnetic este relativ mare, cum ar fi în sistemele de frânare antiblocare din mașini, care detectează viteza de rotație a roților prin intermediul sloturilor de pe discurile de roată.

Dispozitive magnetorezistive

Acestea sunt realizate din benzi subțiri de Permalloy , o permeabilitate magnetică ridicată , aliaj de nichel-fier, a cărui rezistență electrică variază cu o schimbare a câmpului magnetic. Au o axă de sensibilitate bine definită, pot fi produse în versiuni 3D și pot fi produse în masă ca circuit integrat. Au un timp de răspuns mai mic de 1 microsecundă și pot fi prelevate la vehicule în mișcare de până la 1.000 de ori / secundă. Ele pot fi utilizate în busole care se citesc la 1 °, pentru care senzorul de bază trebuie să rezolve în mod fiabil 0,1 °.

Magnetometru Fluxgate

Un magnetometru uniaxial fluxgate
O busolă / inclinometru fluxgate
Principiile de bază ale unui magnetometru fluxgate

Magnetometrul fluxgate a fost inventat de H. Aschenbrenner și G. Goubau în 1936. O echipă de la Gulf Research Laboratories condusă de Victor Vacquier a dezvoltat magnetometre fluxgate aeriene pentru a detecta submarine în timpul celui de-al doilea război mondial și după război a confirmat teoria tectonicii plăcilor folosindu-le pentru a măsura schimbările în modelele magnetice de pe fundul mării.

Un magnetometru fluxgate constă dintr-un mic miez sensibil sensibil învelit de două bobine de sârmă. Un curent electric alternativ este trecut printr-o bobină, conducând miezul printr-un ciclu alternativ de saturație magnetică ; adică magnetizate, nemagnetizate, invers magnetizate, nemagnetizate, magnetizate și așa mai departe. Acest câmp în continuă schimbare induce un curent electric în a doua bobină, iar acest curent de ieșire este măsurat de un detector. Într-un fundal magnetic neutru, curenții de intrare și ieșire se potrivesc. Cu toate acestea, atunci când nucleul este expus unui câmp de fundal, acesta este mai ușor saturat în aliniere cu acel câmp și mai puțin ușor saturat în opoziție cu acesta. Prin urmare, câmpul magnetic alternativ și curentul de ieșire indus sunt în afara pasului cu curentul de intrare. Măsura în care acesta este cazul depinde de puterea câmpului magnetic de fundal. Adesea, curentul din bobina de ieșire este integrat, producând o tensiune analogică de ieșire proporțională cu câmpul magnetic.

O mare varietate de senzori sunt disponibili în prezent și utilizați pentru măsurarea câmpurilor magnetice. Busole fluxgate și gradiometrelor măsoară direcția și amploarea câmpurilor magnetice. Fluxgates sunt accesibile, robuste și compacte, miniaturizarea avansând recent până la punctul de soluții complete de senzori sub formă de cipuri IC, inclusiv exemple atât din mediul academic, cât și din industrie. Acest lucru, plus consumul lor de energie redus de obicei, îi face ideali pentru o varietate de aplicații de detectare. Gradiometrele sunt utilizate în mod obișnuit pentru prospectarea arheologică și pentru detectarea armamentului neexplodat (UXO), cum ar fi popularul Foerster al armatei germane .

Magnetometrul tipic fluxgate constă dintr-o bobină „senzorială” (secundară) care înconjoară o bobină interioară „primară” (primară) care este strâns înfășurată în jurul unui material de bază foarte permeabil, cum ar fi mu-metal sau permalloy . Un curent alternativ este aplicat înfășurării de acționare, care acționează miezul într-un ciclu continuu de repetare de saturație și nesaturare. Pentru un câmp extern, miezul este alternativ slab permeabil și foarte permeabil. Miezul este adesea un inel înfășurat toroidal sau o pereche de elemente liniare ale căror înfășurări de acționare sunt fiecare înfășurate în direcții opuse. Astfel de căi de flux închise minimizează cuplarea între antrenare și înfășurările de detectare. În prezența unui câmp magnetic extern, cu miezul într-o stare foarte permeabilă, un astfel de câmp este atras sau închis local (de aici și denumirea fluxgate) prin înfășurarea senzorială. Când nucleul este slab permeabil, câmpul extern este mai puțin atras. Această porțiune continuă a câmpului extern în și din înfășurarea senzorială induce un semnal în înfășurarea sensului, a cărui frecvență principală este de două ori mai mare decât a frecvenței de acționare și a cărei forță și orientarea fazei variază direct cu magnitudinea și polaritatea câmpului extern.

Există factori suplimentari care afectează dimensiunea semnalului rezultat. Acești factori includ numărul de rotații în sensul de înfășurare, permeabilitatea magnetică a miezului, geometria senzorului și rata de schimbare a fluxului închis în funcție de timp.

Detecția sincronă de fază este utilizată pentru a extrage aceste semnale armonice din înfășurarea senzorială și a le converti într-o tensiune continuă proporțională cu câmpul magnetic extern. De asemenea, poate fi utilizat un feedback activ de curent, astfel încât înfășurarea senzorială este condusă pentru a contracara câmpul extern. În astfel de cazuri, curentul de feedback variază liniar cu câmpul magnetic extern și este utilizat ca bază pentru măsurare. Acest lucru ajută la contracararea neliniarității inerente între puterea câmpului extern aplicat și fluxul gătit prin înfășurarea senzorială.

Magnetometru SQUID

SQUID-urile sau dispozitivele cu interferențe cuantice supraconductoare măsoară schimbări extrem de mici în câmpurile magnetice. Sunt magnetometri vectori foarte sensibili, cu niveluri de zgomot de până la 3 fT Hz ½ în instrumentele comerciale și 0,4 fT Hz ½ în dispozitivele experimentale. Multe SQUID-uri comerciale răcite cu heliu lichid realizează un spectru de zgomot plat de la aproape DC (mai puțin de 1 Hz) până la zeci de kiloherci, făcând astfel de dispozitive ideale pentru măsurarea semnalului biomagnetic în domeniu. Magnetometrele atomice SERF, demonstrate în laboratoare, ajung până acum la un nivel de zgomot competitiv, dar în intervale de frecvență relativ mici.

Magnetometrele SQUID necesită răcire cu heliu lichid (4,2  K ) sau azot lichid (77 K ) să funcționeze, prin urmare cerințele de ambalare pentru a le utiliza sunt destul de stricte atât din punct de vedere termico-mecanic, cât și magnetic. Magnetometrele SQUID sunt utilizate cel mai frecvent pentru măsurarea câmpurilor magnetice produse de probele de laborator, de asemenea pentru activitatea creierului sau a inimii ( magnetoencefalografie și , respectiv, magnetocardiografie ). Studiile geofizice utilizează SQUID-uri din când în când, dar logistica răcirii SQUID-urilor este mult mai complicată decât alte magnetometre care funcționează la temperatura camerei.

Magnetometre atomice cu schimb de rotire fără relaxare (SERF)

La o densitate atomică suficient de mare, se poate obține o sensibilitate extrem de mare. Magnetometrele atomice fără schimb de rotire fără relaxare ( SERF ) care conțin vapori de potasiu , cesiu sau rubidiu funcționează similar magnetometrelor de cesiu descrise mai sus, dar pot atinge sensibilități mai mici de 1 fT Hz ½ . Magnetometrele SERF funcționează numai în câmpuri magnetice mici. Câmpul Pământului este de aproximativ 50 µT ; Magnetometrele SERF funcționează în câmpuri mai mici de 0,5 µT.

Detectoarele de volum mare au atins o sensibilitate de 200 aT Hz ½ . Această tehnologie are o sensibilitate mai mare pe unitate de volum decât detectoarele SQUID . Tehnologia poate produce, de asemenea, magnetometre foarte mici, care în viitor pot înlocui bobinele pentru detectarea câmpurilor magnetice în schimbare. Această tehnologie poate produce un senzor magnetic care are toate semnalele sale de intrare și ieșire sub formă de lumină pe cabluri cu fibră optică. Aceasta permite măsurarea magnetică aproape de tensiuni electrice ridicate.

Calibrarea magnetometrelor

Calibrarea magnetometrelor se realizează de obicei prin intermediul bobinelor care sunt furnizate de un curent electric pentru a crea un câmp magnetic. Permite caracterizarea sensibilității magnetometrului (în termeni de V / T). În multe aplicații, omogenitatea bobinei de calibrare este o caracteristică importantă. Din acest motiv, bobinele precum bobinele Helmholtz sunt utilizate în mod obișnuit fie într-o configurație cu o singură axă, fie într-o configurație cu trei axe. Pentru aplicații solicitante este obligatoriu un câmp magnetic cu omogenitate ridicată, în astfel de cazuri calibrarea câmpului magnetic poate fi efectuată folosind o bobină Maxwell , bobine cosinus sau calibrare în câmpul magnetic al Pământului foarte omogen .

Utilizări

Magnetometrele pot măsura câmpurile magnetice ale planetelor.

Magnetometrele au o gamă foarte diversă de aplicații, inclusiv localizarea obiectelor, cum ar fi submarinele, navele scufundate, pericolele pentru mașinile de forat tuneluri , pericolele din minele de cărbune, munițiile neexplodate, tamburile pentru deșeuri toxice, precum și o gamă largă de depozite minerale și structuri geologice. De asemenea, au aplicații în monitoarele bătăilor inimii, poziționarea sistemelor de arme, senzori în frânele antiblocare, predicția vremii (prin cicluri solare), stâlpi din oțel, sisteme de ghidare a forajului, arheologie, tectonică a plăcilor și propagarea undelor radio și explorarea planetară. Magnetometrele de laborator determină momentul dipol magnetic al unei probe magnetice, de obicei în funcție de temperatură , câmp magnetic sau alt parametru. Acest lucru ajută la dezvăluirea proprietăților sale magnetice, cum ar fi feromagnetismul , antiferomagnetismul , superconductivitatea sau alte proprietăți care afectează magnetismul .

În funcție de aplicație, magnetometrele pot fi instalate în nave spațiale, avioane ( magnetometre cu aripă fixă ), elicoptere ( stinger și pasăre ), pe sol ( rucsac ), remorcate la distanță în spatele quad- urilor (ATV-uri) pe un ( sanie sau remorcă ) , coborât în forajelor ( unealtă , sonda sau sondă ) și remorcat în spatele bărcile ( pește câlți ).

Măsurarea tensiunii mecanice

Magnetometrele sunt utilizate pentru măsurarea sau monitorizarea stresului mecanic din materialele feromagnetice. Stresul mecanic va îmbunătăți alinierea domeniilor magnetice la scară microscopică, care va ridica câmpul magnetic măsurat aproape de material de către magnetometre. Există diferite ipoteze despre relația stres-magnetizare. Cu toate acestea, efectul tensiunii mecanice asupra câmpului magnetic măsurat în apropierea specimenului se pretinde a fi dovedit în multe publicații științifice. S-au depus eforturi pentru a rezolva problema inversă a rezoluției magnetizării-stresului, pentru a cuantifica stresul pe baza câmpului magnetic măsurat.

Fizica acceleratorului

Aust.-Sincrotron, -Quadrupole-Magnets-of-Linac, -14.06.2007

Magnetometrele sunt utilizate pe scară largă în fizica experimentală a particulelor pentru a măsura câmpul magnetic al componentelor pivotante, cum ar fi magneții de concentrație sau fascicul de focalizare.

Arheologie

Magnetometrele sunt, de asemenea, utilizate pentru a detecta situri arheologice , naufragii și alte obiecte îngropate sau scufundate. Gradometrele Fluxgate sunt populare datorită configurației lor compacte și a costului relativ scăzut. Gradiometrele îmbunătățesc caracteristicile superficiale și anulează necesitatea unei stații de bază. Magnetometrele cu cesiu și Overhauser sunt, de asemenea, foarte eficiente atunci când sunt utilizate ca gradometre sau ca sisteme cu senzor unic cu stații de bază.

Programul TV Time Team a popularizat „geofizii”, inclusiv tehnicile magnetice utilizate în lucrările arheologice pentru a detecta vetrele de foc, pereții cărămizilor coapte și pietrele magnetice, cum ar fi bazaltul și granitul. Traseele și drumurile de mers pe jos pot fi uneori cartografiate cu compactare diferențială în solurile magnetice sau cu perturbări în argile, cum ar fi Marea Câmpie maghiară . Câmpurile arate se comportă ca surse de zgomot magnetic în astfel de sondaje.

Aurore

Magnetometrele pot oferi o indicație a activității aurorale înainte ca lumina din aurora să devină vizibilă. O grilă de magnetometre din întreaga lume măsoară în mod constant efectul vântului solar pe câmpul magnetic al Pământului, care este apoi publicat pe K-index .

Explorarea cărbunelui

În timp ce magnetometrele pot fi folosite pentru a ajuta la cartografierea formei bazinului la scară regională, ele sunt mai frecvent utilizate pentru cartografierea pericolelor legate de extracția cărbunelui, cum ar fi intruziunile bazaltice ( diguri , praguri și dopuri vulcanice ) care distrug resursele și sunt periculoase pentru echipamentele de extracție cu pereți lungi . Magnetometrele pot localiza, de asemenea, zonele aprinse de fulgere și sideritul pe hartă (o impuritate în cărbune).

Cele mai bune rezultate ale sondajului sunt obținute la sol în sondaje de înaltă rezoluție (cu o distanță de aproximativ 10 m linie și 0,5 m distanță între stații). Magnetometrele cu găuri care utilizează un dihor pot ajuta, de asemenea, atunci când cusăturile de cărbune sunt adânci, utilizând praguri multiple sau privind sub fluxurile de bazalt de suprafață.

Sondajele moderne folosesc în general magnetometre cu tehnologie GPS pentru a înregistra automat câmpul magnetic și locația lor. Setul de date este apoi corectat cu date de la un al doilea magnetometru (stația de bază) care este lăsat staționar și înregistrează schimbarea câmpului magnetic al Pământului în timpul sondajului.

Foraj direcțional

Magnetometrele sunt utilizate în foraj direcțional pentru petrol sau gaz pentru a detecta azimutul instrumentelor de foraj în apropierea burghiului. Cel mai adesea sunt asociate cu accelerometre în unelte de găurit, astfel încât să se găsească atât înclinația, cât și azimutul burghiului.

Militar

În scopuri defensive, navele folosesc tablouri de magnetometre așezate pe fundul mării în locații strategice (adică în jurul porturilor) pentru a monitoriza activitatea submarinelor. Submarinele rusești din titan din clasa Alfa au fost proiectate și construite cu cheltuieli mari pentru a contracara astfel de sisteme (deoarece titanul pur este nemagnetic).

Submarinele militare sunt degazate - trecând prin bucle mari subacvatice la intervale regulate - pentru a le ajuta să scape de detectarea prin sistemele de monitorizare a fundului mării, detectoarele de anomalii magnetice și minele declanșate magnetic. Cu toate acestea, submarinele nu sunt niciodată complet magnetizate. Este posibil să se indice adâncimea la care a fost un submarin prin măsurarea câmpului său magnetic, care este distorsionat pe măsură ce presiunea distorsionează carena și, prin urmare, câmpul. Încălzirea poate schimba și magnetizarea oțelului.

Submarinele tractează matrice lunare de sonar pentru a detecta nave și pot recunoaște chiar și diferite zgomote ale elicei. Tablourile sonare trebuie să fie poziționate cu precizie, astfel încât să poată triangula direcția către ținte (de exemplu nave). Tablourile nu tractează în linie dreaptă, astfel încât magnetometrele fluxgate sunt utilizate pentru a orienta fiecare nod sonar din matrice.

Fluxgates pot fi, de asemenea, utilizate în sistemele de navigație a armelor, dar au fost în mare parte înlocuite de GPS și giroscop cu laser inelar .

Magnetometrele precum Foerster german sunt folosite pentru a localiza muniția feroasă. Magnetometrele cu cesiu și Overhauser sunt utilizate pentru a localiza și a ajuta la curățarea vechilor zone de bombardare și testare.

Încărcările utile ale UAV includ și magnetometre pentru o serie de sarcini defensive și ofensive.

Explorarea mineralelor

Un avion ușor Diamond DA42 , modificat pentru supravegherea aeriană, cu un braț montat pe nas care conține un magnetometru în vârful său

Studiile magnetometrice pot fi utile în definirea anomaliilor magnetice care reprezintă minereu (detectare directă) sau, în unele cazuri, minerale gangue asociate cu depozite de minereu (detectare indirectă sau inferențială). Aceasta include minereu de fier , magnetit , hematit și adesea pirotită .

Țările dezvoltate, cum ar fi Australia, Canada și SUA, investesc puternic în cercetări magnetice sistematice în aer pe continentele lor și oceanele înconjurătoare, pentru a ajuta la geologia hărții și la descoperirea zăcămintelor de minerale. Astfel de inspecții aeromag se efectuează de obicei cu o distanță de 400 m linie la 100 m altitudine, cu citiri la fiecare 10 metri sau mai mult. Pentru a depăși asimetria densității datelor, datele sunt interpolate între linii (de obicei de 5 ori), iar datele de-a lungul liniei sunt apoi mediate. Astfel de date sunt plasate la o dimensiune de 80 m × 80 m pixeli și o imagine procesată utilizând un program precum ERMapper. La o scară de închiriere de explorare, sondajul poate fi urmat de o aripă fixă ​​mai detaliată a stilului helimag sau a plutei de cultură la 50 m distanță de linie și 50 m altitudine (terenul permite). O astfel de imagine este grilată pe un pixel de 10 x 10 m, oferind o rezoluție de 64 de ori.

În cazul în care țintele sunt superficiale (<200 m), anomaliile aeromagului pot fi urmărite cu inspecții magnetice la sol pe o distanță de linie de 10 m până la 50 m cu o distanță de stație de 1 m pentru a oferi cel mai bun detaliu (grila de 2 până la 10 m pixeli) (sau de 25 de ori rezoluția înainte de forare).

Câmpurile magnetice din corpurile magnetice ale minereului cad cu distanța inversă cubică ( țintă dipol ) sau, în cel mai bun caz, distanță inversă pătrată ( țintă monopolică magnetică ). O analogie cu rezoluția-cu-distanță este o mașină care conduce noaptea cu luminile aprinse. La o distanță de 400 m se vede o ceață strălucitoare, dar pe măsură ce se apropie, sunt vizibile două faruri și apoi clipirea stângă.

Există multe provocări care interpretează datele magnetice pentru explorarea mineralelor. Mai multe ținte se amestecă ca surse multiple de căldură și, spre deosebire de lumină, nu există un telescop magnetic care să focalizeze câmpurile. Combinația mai multor surse este măsurată la suprafață. Geometria, adâncimea sau direcția de magnetizare (remanență) a țintelor sunt, de asemenea, în general necunoscute, astfel încât mai multe modele pot explica datele.

Potent de Geophysical Software Solutions [1] este un pachet de interpretare magnetic (și gravitațional) de vârf utilizat pe scară largă în industria de explorare australiană.

Magnetometrele ajută exploratorii de minerale atât în ​​mod direct (adică, mineralizarea aurului asociată cu magnetitul , diamantele din țevile de kimberlit ), cât și, mai frecvent, indirect, cum ar fi prin cartografierea structurilor geologice favorabile mineralizării (de exemplu, zonele de forfecare și halouri de alterare din jurul granitelor).

Magnetometrele aeriene detectează schimbarea câmpului magnetic al Pământului folosind senzori atașați aeronavei sub forma unui „stinger” sau prin tractarea unui magnetometru la capătul unui cablu. Magnetometrul unui cablu este adesea denumit „bombă” datorită formei sale. Alții o numesc „pasăre”.

Deoarece dealurile și văile de sub aeronave fac ca citirile magnetice să crească și să scadă, un altimetru radar ține evidența abaterii traductorului de la altitudinea nominală deasupra solului. S-ar putea să existe și un aparat de fotografiat care face fotografii de la sol. Locația măsurătorii este determinată și de înregistrarea unui GPS.

Telefoane mobile

Magnetometru electronic cu trei axe de la AKM Semiconductor , în interiorul Motorola Xoom

Multe smartphone-uri conțin magnetometre sisteme microelectromecanice miniaturizate (MEMS) care sunt utilizate pentru a detecta intensitatea câmpului magnetic și sunt utilizate ca busole . IPhone 3GS are un magnetometru, un senzor de permalloy magnetorezistiv, AN-203 produs de Honeywell. În 2009, prețul magnetometrelor cu trei axe a scăzut sub 1 USD pe dispozitiv și a scăzut rapid. Utilizarea unui dispozitiv cu trei axe înseamnă că nu este sensibil la modul în care este ținut în orientare sau înălțime. Dispozitivele cu efect Hall sunt, de asemenea, populare.

Cercetătorii de la Deutsche Telekom au folosit magnetometre încorporate în dispozitive mobile pentru a permite interacțiunea 3D fără atingere . Cadrul lor de interacțiune, numit MagiTact, urmărește modificările câmpului magnetic din jurul unui telefon mobil pentru a identifica diferite gesturi făcute de o mână care ține sau poartă un magnet.

Explorarea petrolului

Metodele seismice sunt preferate magnetometrelor ca metodă principală de cercetare pentru explorarea petrolului, deși metodele magnetice pot oferi informații suplimentare despre geologia subiacentă și, în unele medii, dovezi ale scurgerilor din capcane. Magnetometrele sunt, de asemenea, utilizate în explorarea petrolului pentru a arăta locațiile caracteristicilor geologice care fac practicarea forajului și alte caracteristici care oferă geofizicienilor o imagine mai completă a stratigrafiei .

Navă spațială

Un magnetometru cu trei axe fluxgate a făcut parte din misiunile Mariner 2 și Mariner 10 . Un magnetometru cu dublă tehnică face parte din misiunea Cassini – Huygens de a explora Saturn. Acest sistem este compus dintr-un vector heliu și magnetometre fluxgate. Magnetometrele au fost, de asemenea, un instrument component al misiunii Mercury MESSENGER . Un magnetometru poate fi folosit și de sateliți precum GOES pentru a măsura atât magnitudinea, cât și direcția câmpului magnetic al unei planete sau a unei luni.

Sondaje magnetice

Topografie la sol în Surprise Valley, Cedarville, California

Cercetările sistematice pot fi utilizate pentru a căuta depozite de minerale sau pentru a localiza obiecte pierdute. Astfel de sondaje sunt împărțite în:

Seturile de date Aeromag pentru Australia pot fi descărcate din baza de date GADDS .

Datele pot fi împărțite în puncte localizate și date de imagine, din care ultimul este în format ERMapper.

Magnetovision

Pe baza distribuției măsurate a spațiului a parametrilor câmpului magnetic (de exemplu, amplitudine sau direcție), imaginile magnetovision pot fi generate. O astfel de prezentare a datelor magnetice este foarte utilă pentru analize suplimentare și fuziune a datelor .

Gradiometru

Gradioametrele magnetice sunt perechi de magnetometre cu senzorii lor separați, de obicei pe orizontală, de o distanță fixă. Citirile sunt scăzute pentru a măsura diferența dintre câmpurile magnetice detectate, ceea ce dă gradienților de câmp cauzate de anomalii magnetice. Aceasta este o modalitate de a compensa atât variabilitatea în timp a câmpului magnetic al Pământului, cât și pentru alte surse de interferență electromagnetică, permițând astfel o detectare mai sensibilă a anomaliilor. Deoarece se scad valori aproape egale, cerințele de performanță a zgomotului pentru magnetometre sunt mai extreme.

Gradiometrele îmbunătățesc anomaliile magnetice de mică adâncime și, prin urmare, sunt bune pentru lucrările arheologice și de cercetare a sitului. Sunt, de asemenea, bune pentru munca în timp real, cum ar fi locația neexplodată a muniției . Este de două ori mai eficient să rulați o stație de bază și să utilizați doi (sau mai mulți) senzori mobili pentru a citi simultan linii paralele (presupunând că datele sunt stocate și postprocesate). În acest mod, pot fi calculați atât gradienții de-a lungul liniei, cât și cei transversali.

Controlul poziției sondelor magnetice

În activitatea tradițională de explorare a mineralelor și arheologice, au fost folosite cârlige plasate prin teodolit și bandă măsurată pentru a defini zona de inspecție. Unele sondaje UXO au folosit corzi pentru a defini benzile. Sondajele aeriene au folosit balize de triangulare radio, cum ar fi Siledus.

Declanșatoarele electronice ne-magnetice ale lanțului de hip au fost dezvoltate pentru a declanșa magnetometre. Au folosit codificatori cu arbore rotativ pentru a măsura distanța de-a lungul mulinilor de bumbac de unică folosință.

Exploratorii moderni folosesc o gamă de unități GPS cu semnături magnetice reduse, inclusiv GPS cinematic în timp real.

Erori de titlu în sondaje magnetice

Studiile magnetice pot suferi de zgomot provenit dintr-o serie de surse. Diferite tehnologii magnetometrice suferă diferite tipuri de probleme de zgomot.

Erorile de titlu reprezintă un grup de zgomot. Pot proveni din trei surse:

  • Senzor
  • Consolă
  • Operator

Unii senzori de câmp total oferă citiri diferite în funcție de orientarea lor. Materialele magnetice din senzor în sine sunt cauza principală a acestei erori. În unele magnetometre, cum ar fi magnetometrele cu vapori (cesiu, potasiu etc.), există surse de erori de poziție în fizică care contribuie cu cantități mici la eroarea totală de poziție.

Zgomotul consolei provine de la componentele magnetice de pe sau din interiorul consolei. Acestea includ ferită în miezuri în inductoare și transformatoare, cadre din oțel în jurul ecranelor LCD, picioare pe așchii IC și cutii de oțel în baterii de unică folosință. Unii conectori de specificații MIL populari au și arcuri din oțel.

Operatorii trebuie să aibă grijă să fie curăți magnetic și ar trebui să verifice „igiena magnetică” a tuturor articolelor de îmbrăcăminte și articolelor transportate în timpul unei inspecții. Pălăriile Akubra sunt foarte populare în Australia, dar jantele lor din oțel trebuie îndepărtate înainte de a fi utilizate la sondaje magnetice. Inelele de oțel de pe blocnote, cizmele cu capace din oțel și arcurile din oțel în ochiurile generale pot provoca zgomot inutil în sondaje. Pixurile, telefoanele mobile și implanturile din oțel inoxidabil pot fi, de asemenea, problematice.

Răspunsul magnetic (zgomot) de la obiectul feros de pe operator și consolă se poate modifica cu direcția de direcție din cauza inducției și remanenței. Sistemele de aeronave de supraveghere aeromagnetică și quad pot folosi compensatoare speciale pentru a corecta zgomotul de eroare de direcție.

Erorile de titlu arată ca niște tipare de șiret în imaginile sondajului. Liniile alternative pot fi, de asemenea, ondulate.

Prelucrarea imaginilor datelor magnetice

Înregistrarea procesării datelor și a imaginilor este superioară lucrării în timp real, deoarece anomaliile subtile adesea ratate de operator (în special în zonele cu zgomot magnetic) pot fi corelate între linii, forme și clustere mai bine definite. De asemenea, poate fi utilizată o gamă de tehnici sofisticate de îmbunătățire. Există, de asemenea, o copie pe hârtie și este nevoie de o acoperire sistematică.

Navigarea aeronavelor

Algoritmul Magnetometer Navigation (MAGNAV) a funcționat inițial ca experiment de zbor în 2004. Mai târziu, magnetometrele cu diamante au fost dezvoltate de Laboratorul de Cercetare al Forțelor Aeriene ale Statelor Unite (AFRL) ca o metodă mai bună de navigație care nu poate fi blocată de inamic.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

  • Hollos, Stefan; Hollos, Richard (2008). Semnale din lumea subatomică: Cum se construiește un magnetometru de precesiune de protoni . Editura Abrazol. ISBN 978-1-887187-09-1.
  • Ripka, Pavel, ed. (2001). Senzori și magnetometri magnetici . Boston, Mass .: Artech House. ISBN 978-1-58053-057-6.
  • Tumanski, S. (2011). "4. Senzori magnetici". Manual de măsurători magnetice . Boca Raton, FL: CRC Press. pp. 159–256. ISBN 978-1-4398-2952-3.

linkuri externe