Magnetometri

Magnetometri - ( gr. μαγνητό - magneetti + gr. μετρεω I mitta), laite magneettikentän ominaisuuksien ja materiaalien magneettisten ominaisuuksien mittaamiseen. Mitatusta arvosta riippuen on olemassa laitteita kentänvoimakkuuden (oerstedmeters), kentän suunnan ( inklinaattorit ja deklinaattorit), kenttägradientin (gradientometrit), magneettisen induktion (teslametrit), magneettivuon (webermetrit tai fluxmetrit), pakkovoiman (koersimetrit ) mittaamiseen. ), magneettinen permeabiliteetti (mu-metriä), magneettinen susceptibiliteetti (kappa-metriä), magneettinen momentti .

Mitattavan suuren luonteesta riippuen magnetometrit kalibroidaan tietyissä yksiköissä (magneettikentän voimakkuus, magneettisen induktion yksiköt, magneettikentän suunta jne.).

Magnetometrejä käytetään:

geologia mineraalien etsimisessä ;
arkeologia , arkeologisissa kaivauksissa ;
navigointi merellä, avaruudessa ja ilmailussa;
sotilastiedustelu vedenalaisten sukellusveneiden havaitsemiseksi;
biologia ja lääketiede ;
seismologia (maanjäristysten ennustaminen);
tieteelliset kokeet;
magneettinen geokronologia .

Magnetometrien fysikaaliset toimintaperiaatteet

Magnetostaattiset magnetometrit

Perustuu laitteen herkkään elementtiin (esimerkiksi pieneen kestomagneettiin) vaikuttavien mekaanisten momenttien mittaukseen mitattavassa kentässä. Kun herkkä magneetti altistuu ulkoiselle kentälle, joka ei ole sama kuin tämän kestomagneetin kentän suunta, se kokee vääntömomentin, joka riippuu ulkoisen mitatun kentän voimakkuudesta sekä mittausmagneetin ja ulkoisen kentän suunnasta. ala. Mittausmagneetti on ripustettu vääntökimmoiseen jousitukseen; ulkoinen kenttä määräytyy vääntymisasteen mukaan ottaen huomioon laitteen suunta . $H$

Herkän (osoitin) magneetin momentti ilmaistaan vektoritulolla :

{\vec {J}}=[{\vec {M}},{\vec {H}}]

missä on indikaattorimagneetin magneettinen momentti . $M$

Tuloksena oleva mekaaninen momentti erityyppisissä magnetometreissä tasapainotetaan eri tavoin: $J$

elastisen jousituksen vääntömomentti (yleensä herkissä kvartsilangasta valmistetuissa magnetometreissä (magnetometrien ja universaalien magneettisten variometrien herkkyys kvartsilangalla on jopa ~1 nT);
painovoiman tasapainottama momentti vipujärjestelmässä (magneettinen tasapaino herkkyydellä ~ nT); $10^{{-15}}$
momentti, joka vaikuttaa haluttuun asentoon asennettuun apureferenssikestomagneettiin (ilmaisimen ja apumagneettien akselit tasapainoasennossa ovat keskenään kohtisuorassa). Joustavassa ripustuksessa indikaattorimagneeteilla on oma pyörimisvärähtelytaajuus, joka riippuu jousituksen joustavuudesta ja ulkoisen kentän voimakkuudesta. Samalla mitataan näiden värähtelyjen jaksot, mikä mahdollistaa magneettikentän voimakkuuden määrittämisen (absoluuttinen Gaussin menetelmä).

Magnetostaattisten magnetometrien pääasiallinen käyttökohde on geomagneettisen kentän voimakkuuden suunnan ja absoluuttisen arvon , kenttägradientin sekä aineiden magneettisten ominaisuuksien mittaaminen.

Induktiomagnetometrit

Ne perustuvat sähkömagneettisen induktion ilmiöön - emf:n esiintymiseen mittakelassa, kun sen piirin läpi kulkeva magneettivuo muuttuu . Muutos käämin virtauksessa voi johtua: $\Theta$

mitatun kentän voimakkuuden tai suunnan muutoksella ajassa (esimerkkejä ovat induktiovariometrit, fluxmetrit). Yksinkertaisin fluxmeter (webermeter) on ballistinen galvanometri , joka toimii erittäin oversedated-tilassa (G ~ Wb / jako); Magnetosähköisiä webbermittareita G ~ Wb/div, valosähköisiä webbermittareita G ~ Wb/div ja muita käytetään laajalti. $10^{{-4}}$ $10^{-6}$ $10^{{-8}}$
mittauskelan asennon (kierto, värähtely) säännöllisen muutoksen kanssa mittauskentässä (kuva 2); yksinkertaisimmilla teslametreillä , joissa on käämi synkronisen moottorin akselilla, on G ~ Tl . Herkimpien värähtelevien magnetometrien G ~ 0,1–1 nT. $10^{{-8}}$
mittauskelan magneettisen resistanssin muutoksella, joka saavutetaan muuttamalla ajoittain permalloy-ytimen magneettista permeabiliteettia (se magnetoidaan ajoittain kyllästymiseen apuvaihteella olevalla virityskentällä); ferromodulaatio [1] tämän periaatteen mukaan toimivien magnetometrien G ~ 0,2–1 nT.

Induktiomagnetometreillä mitataan maanpäällisiä ja kosmisia magneettikenttiä, teknisiä kenttiä, magnetobiologiassa jne.

Värähtelevä magnetometri
Fluxmeter
Ferrokoetin magnetometri.

Kvanttimagnetometrit

Instrumentit, jotka perustuvat ytimien tai elektronien magneettisten momenttien vapaaseen precessioon ulkoisessa magneettikentässä ja muihin kvanttivaikutuksiin ( ydinmagneettinen resonanssi , elektronien paramagneettinen resonanssi ). Mikrohiukkasten magneettisten momenttien precession taajuuden riippuvuuden havaitsemiseksi mitatun kentän voimakkuudesta ( , missä on magnetomekaaninen suhde), on tarpeen luoda makroskooppinen magneettinen momentti mikrohiukkasten (ytimien tai elektronien) joukosta. . Makroskooppisen magneettisen momentin luomismenetelmästä ja signaalin havaitsemismenetelmästä riippuen ne erottavat: protonimagnetometrit (vapaa precessio, dynaamisella polarisaatiolla ja synkronisella polarisaatiolla), resonanssimagnetometrit (elektroniset ja ydinvoimalat), optisesti pumpatut magnetometrit jne. Kvantti magnetometrejä käytetään heikkojen magneettikenttien (mukaan lukien geomagneettiset ja magneettikentät ulkoavaruudessa), geologisessa etsinnässä, magnetokemiassa (G to - nT) mittaamiseen. Voimakkaiden magneettikenttien mittaamiseen tarkoitetuilla kvanttimagnetometreillä on paljon pienempi herkkyys (G ~ Tl). $\Omega$ $Hei}}$ $\Omega =\gamma \times H_{{i}}$ $\gamma$ $10^{-5}$ $10^{{-7}}$ $10^{-5}$

Protoni magnetometri.
Helium magnetometri.
Overhauser magnetometri.
Atominen alkalimetallimagnetometri optisella pumppauksella.
- - Atomimagnetometri, jossa ei ole spin-vaihtolaajennusta (SERF-magnetometri)
SQUID ( eng. SQUID ).

Kvanttimagnetometrin herkkyys määräytyy seuraavan suhteen [2] : $G$

$G=k\Gamma /{\gamma S_{n))$

jossa on vakio, on spektrin viivan leveys , on gyromagneettinen suhde ja on signaali-kohinasuhde. Herkkyys on riippumaton Larmorin taajuudesta . Overhauser-magnetometreillä, joiden Larmor-taajuus on 0,042 Hz/nT, cesium- ja helium-4-magnetometreillä, joiden taajuus on 3,5 Hz/nT ja 28 Hz/nT, on sama herkkyys. Spektrin viivanleveys eri kvanttimagnetometreille on annettu taulukossa. $k$ $\Gamma$ $\gamma$ $S_{n}$ $\Gamma$

Magnetometrien vertailu

Taulukko 1. Magneettiresonanssin viivanleveys eri magnetometreissä

Magnetometrin tyyppi	Luonnonresonanssiviivan leveys, , nT (~50 µT:n kentässä) $\Gamma$
Cesium	$kaksikymmentä$
Helium-3	$2,74 x 10^{{-5}}$
Helium-4	$70$
Overhauser	$neljä$
kalium	$0,1-10$
Protoni	$viisitoista$

Magnetometrien käyttö lääketieteessä

Taulukko 2. Biologian magneettikenttien yleiset ominaisuudet [3]

Magneettikentän arvo, T	Magnetometrin lähteet ja arviointi	Magnetometrin tyyppi
$10^{{-2}}-10^{{-3}}$	Suurin sallittu kenttä työpaikalla
$10^{{-4}}-10^{{-7}}$	Geomagneettinen kenttä	hallin anturi
$10^{{-8}}$	Kaupungin magneettiset häiriöt,	ferrosonde
$10^{{-9}}$	Magnetobiologisten reaktioiden kynnys	ferrosonde
$10^{{-10}}$	Kalan sähköelinten signaali, geomagneettinen kohina, sydän, ferromagneettiset sulkeumat	Induktio
$10^{{-11}}$	Luustolihakset, silmät	Optisesti pumpattu magnetometri
$10^{-12}$	Tausta ja herätetty aivotoiminta	Optisesti pumpattu magnetometri
$10^{{-13}}$	Verkkokalvo	Optisesti pumpattu magnetometri
$10^{{-14}}$	SQUID-herkkyys	KALMARI

Magnetometrien kalibrointi

Jotkut tosiasiat magnetometrian kehityksestä Venäjällä

Venäläinen tiedemies M. V. Lomonosov antoi vuonna 1759 raportissaan "Keskustelu merireitin suuresta tarkkuudesta" arvokkaita neuvoja kompassin lukemien tarkkuuden lisäämiseksi [4] . Maan magnetismin tutkimiseksi M. V. Lomonosov suositteli pysyvien pisteiden (observatorioiden) verkoston järjestämistä systemaattisten magneettisten havaintojen tekemiseksi; tällaisia havaintoja tulisi tehdä laajalti myös merellä. Lomonosovin idea magneettisen observatorion järjestämisestä toteutui vasta 60 vuotta myöhemmin Venäjällä.

Vuonna 1956 magneettikentän mittaukset suoritettiin Neuvostoliiton kuunarilla Zarya. Kaikki tämän kuunarin laivantalouden materiaalit ja esineet valmistettiin puusta ja ei-magneettisista seoksista, moottoreiden ja muiden laitteiden magneettikenttien vaikutus on minimoitu. Tällä hetkellä koko maapallo on peitetty pisteverkostolla, jossa magneettimittauksia tehdään (esimerkiksi kansainvälinen magnetometristen asemien verkosto INTERMAGNET).

Vuonna 1936 Neuvostoliiton maantieteilijä A. A. Logachev (yhdessä A. T. Maiborodan kanssa) suunnitteli ensimmäistä kertaa maailmassa aeromagnetometrin - laitteen, jonka avulla voit mitata Maan magneettikentän lentokoneesta [5] . Aeromagnetometrin kela pyörii nopeasti Maan magneettikentässä ja siinä syntyy sähkövirtaa. Tämän virran voimakkuus muuttuu suhteessa Maan magneettikentän muutokseen.

Katso myös

Magneettisen poikkeaman ilmaisin
Kansallisen tiedeakatemian ja Ukrainan kansallisen avaruusjärjestön avaruustutkimuslaitoksen Lviv-keskus - magnetometrien tuotanto
Mx magnetometri

Kirjallisuus

Voinarovsky P.D .,. Sähköiset mittauslaitteet // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : 86 nidettä (82 osaa ja 4 lisäosaa). - Pietari. , 1890-1907.
Pomerantsev N. M., Ryzhkov V. M., Skrotsky G. V. Physical basics of quantum magnetometry, M., 1972;

Linkit

NIST-sirun mittakaavassa oleva atomimagnitometriprojekti (linkki ei ole käytettävissä) . Käyttöpäivä: 25. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 14. maaliskuuta 2012. (määrätön)
Magnetometer - artikkeli Suuresta Neuvostoliitosta Encyclopediasta .

Muistiinpanot

↑ Magnetometer - artikkeli Physical Encyclopediasta
↑ Magnetometri Magnetometrit Geofysiikka Magneettikenttäanturit Gradiometri Gradiometrit . Haettu 12. heinäkuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 9. heinäkuuta 2022. (määrätön)
↑ Yu. A. Kholodov, A. N. Kozlov, A. M. Gorbach, "Biologisten objektien magneettikentät", Moskova, "Nauka", 1987
↑ Lomonosov M.V. Keskustelu merireitin tarkkuudesta (1759). (Venäjän kieli)
↑ Logachev Aleksander Andreevich . Haettu 6. marraskuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 21. syyskuuta 2020. (määrätön)