Description:

"Несейсмические методы: Создание нового высокочувствительного калиевого магнитометра для геофизического картирования. Development of a new high sensitivity potassium magnetometer for geophysical mapping. Ivan Hrvoic, Mike Wilson и Francisco Lopez из Канадской компании "GEM Systems" проводят критический обзор имеющихся классов магнитометров, используемых для различных геофизических приложений, и признают особое преимущество разработанной калиевой модификации. Направления в археологии, поисках полезных ископаемых, охране природы, инженерии, а также обнаружении полей невзорвавшихся боеприпасов свидетельствуют о том, что значение близповерхностных геофизических методов переходит от "обнаружения аномалий" к "высоко детальному" картированию. Таким образом, существует соответствующая потребность в разработке аппаратуры, способной более эффективно, чем прежде, решать задачи. В 90-ые годы GEM разработал магнитометр системы Overhauser, который удовлетворял множеству требований "высоко детального картирования", включающих высокую чувствительность, абсолютную точность и минимальные погрешности системы ориентации. В настоящее время с разработкой нового калиевого магнитометра градиентомера для очень высокочувствительных работ эта работа продолжилась. Эта статья приводит краткий обзор двух важных типов квантовых магнитометров (Overhauser и оптической накачки), концентрируясь на разработке и полевом тестировании новой калиевой системы. Новая технология обеспечивает некоторые преимущества над стандартными системами с оптической накачкой, включая более высокую чувствительность, выносливость при передвижении (мобильную устойчивость) и пропускную способность; "чистый" геофизический сигнал (т.е. низкая погрешность ориентации); высокое быстродействие и точность. Краткий обзор квантовых магнитометров Квантовые магнитометры широко используются при геофизических поисках нефти и минерального сырья, в археологических и экологических исследованиях, для обнаружения полей невзорвавшихся боеприпасов (UXO) под поверхностью земли (и в других приложениях науки о земле). Эти типы магнитометров являются скалярными устройствами, которые базируются на вращении субатомных частиц: • Ядерный - обычно протонный (или гелиево-3 изотопный) • неспаренные валентные электроны Вращение ядра и неспаренных валентных электронов связано с магнитным моментом и является характеристикой каждой отдельной частицы. Взаимодействие каждого момента частицы с внешним полем квантуется или ограничивается по дискретному набору значений, как определяются квантовыми механическими законами. Следующие уравнения связывают магнитный момент с гиромагнитной константой и квантовым числом: где µ и p - векторы магнитного и механического момента, соответственно, а n - гиромагнитная константа (характеристика каждой частицы), h - постоянная Планка и I - квантовое число ("половина целого числа"). Во внешнем магнитном поле существует 2I + 1 ориентации для электронов и для ядра (например, протоны и гелий-3). Для каждой из них I _ Vi. Следовательно, существует только две допустимые ориентации (параллельная и антипараллельная магнитному полю). Поскольку заполнение каждой из ориентаций различно, совокупность магнитных моментов будет создавать очень маленькую макроскопическую результирующую намагниченность, которая выравнивается с магнитным полем. Макроскопическая ядерная или электронная спиновая намагниченность является статической. Если элементарные магнитные моменты выпадают из ориентации с направлением внешнего магнитного поля, соответствующие частицы прецессируют (т.е. вращаются) вокруг поля в плоскости прецессии, перпендикулярной направлению поля. Они прецессируют с соответствующей угловой частотой, называемой частотой Лармора (Larmor), 0, определяемой согласно следующему выражению: где В - магнитная индукция внешнего магнитного поля. В целом пропорциональна значению магнитного поля. Однако в слабых магнитных полях, таких как поле Земли, сигналы всех скалярных магнитометров слишком слабые для простого измерения частоты Лармора. Они должны быть усилены по интенсивности или "поляризованы", чтобы иметь достаточную чувствительность для измерения. Теория поляризации Вследствие распределения локальных магнитных полей, все частицы в датчике прецессируют с естественно различными частотами и утрачивают синхронность по времени. Сигнал, связанный с прецессией, экспоненциально убывает, и характерное время распада называется "трансверсальным" (поперечным) временем релаксации T2. Аналогично, если мы налагаем магнитное поле на совокупность спинов, требуется время, чтобы установилась макроскопическая намагниченность. Увеличение является также экспоненциальным с константой времени T1, названной "продольным" временем релаксации. Интенсивность намагничивания пропорциональна напряжению прилагаемого магнитного поля. Интенсивность намагничивания и, следовательно, обнаруживаемого прецессионного сигнала, зависит от разницы в степени заполнения двух ориентаций магнитных моментов. Увеличение этого различия называется поляризацией и может быть получено в квантовых магнитометрах тремя способами: магнитной индукции, • перевода естественной поляризации вспомогательных электронов в протоны (эффект Overhauser), • оптической процедуры или "накачки" электронов поднятием их до выбранного более высоко уровня. Замечание: Практически T2 очень короткое в массивных образцах. Все квантовые магнитометры поэтому используют жидкие или газообразные чувствительные элементы. В жидкостях и газах T1 и T2 имеют значения от долей секунды до нескольких секунд. Исключение представляет гелий-3, который имеет значение T2, равное нескольким часам или даже дням. Магнитометры Overhauser Квантовый магнитометр градиентомер протонным магнитометрам и как маломощная, высокоточная альтернатива магнитометрам с оптической накачкой с приблизительно той же самой чувствительностью. Основные проектные требования при создании магнитометра Overhauser включали разработку системы для наземного использования со следующими характеристиками: • высокая чувствительность и абсолютная точность, • потребление малой мощности и быстродействие (до пяти измерений в секунду), • отсутствие мертвой зоны или ошибок ориентации, • фактически без профилактического ремонта в течение эксплуатации, • нет времени вхождения в режим перед съемкой и широкий температурный рабочий диапазон. Принципы действия магнитометра Overhauser Эффект Overhauser имеет преимущество квантового физического эффекта, который применяется к атому водорода. Этот эффект имеет место, когда особая жидкость (содержащая свободные неспаренные электроны) смешивается с атомами водорода, а затем подвергается вторичной поляризации по магнитному полю высокой частоты (RF) (т.е. генерированному RF источником). Измерения магнитных полей RF являются "прозрачными" по отношению к магнитному полю DC; и RF частота выпадает из диапазона частот прецессионного сигнала (т.е. не вносит шум в систему измерения). Свободные электроны в особой жидкости передают свою поляризацию ядрам водорода (т. е. протонам). Эта передача энергии спина электрона изменяет уровень спина протонов и поляризует жидкость - вылитый протонный прецессионный магнитометр, но с намного меньшей мощностью и с гораздо большим распространением. Пропорциональность частоты прецессии и магнитной индукции совершенно линейная, не зависит от температуры и только незначительно подвержена влиянию экранирующих эффектов орбитальных электронов водорода. Постоянная пропорциональности (гиромагнитная постоянная), , известна с высокой степенью точности. Магнитометры Overhauser дают некоторый уровень шума 0.01nT/VHz, зависящий от деталей конструкции и могут работать в любом, импульсном или непрерывном, режиме. Магнитометры с оптической накачкой Эта группа состоит из одного ядерного магнитометра (гелий-3) и четырех электронных резонансных магнитометров (гелий-4, рубидиевый, цезиевый и калиевый). Разработка калиевой системы с оптической накачкой осмыслена на теоретическом уровне, но в техническом отношении известна как нечто смелое и вызывающее сомнение. Некоторые производители начали проекты в 90-х годах, однако только GEM является группой, имеющей работающий вариант. Создание калиевой системы с оптической накачкой Целевые установки GEM при создании калиевой системы для наземного применения были основаны на нескольких требованиях: • высокая частота регистрации (т.е. быстродействие). Она предназначается для мобильного типа работ, когда существуют предпосылки автоматизированного высоко эффективного получения данных. • "чистое" измерение геофизического сигнала (т.е. геофизические отклики не смешиваются с ошибками ориентации, как в других системах с оптической накачкой). • очень высокая чувствительность. На основании физических принципов действия калиевая система обеспечивает самую высокую чувствительность, существующую для наземных скалярных магнитометров. В сущности, система разработана и предлагает вниманию преимущества, о которых мы скажем позже. • высокая абсолютная точность." Ключевые слова: тип, шум, погрешность, нт, участок, энергетический, практически, режим, детальный, прецессионный сигнал, контрольный датчик, температура, угол, система, электрон, водород, мёртвый, оптический накачка, индукция, поле, следовательно, место, рис, постоянный, атом водород, следующий, мочь, погрешность ориентация, преимущество, парообразный элемент, импульсный, конструкция, геофизический, течение, наземный приложение, калиевый, состояние, щелочной металл, частота лармор, электронный, магнитный поле, несколький, устойчивость, март несейсмический, считывание, полученный, оптический, магнитометр оптический, мощность, атом, проект, гиромагнитный, несейсмический метод, высокий чувствительность, калиевый магнитометр, результат, эффект, значение, основанный, калиевый система, пик, чувствительный, геофизический отклик, деталь конструкция, отклик, уровень, приблизительный, прибор, связанный, сигнал, свет, вхождение, магнитный индукция, задача, отношение сигнал, протонный, тема, чистый, приложение, прозрачными, измерение, переместить электрон, смещение, приведенный, спектральный, мобильный, чувствительный система, требование, внешний, накачка, мониторинг, прецессия, эффективный, направление, градиентометрический, достаточный, принцип, свободный, часть, гораздо, выполненный, создание, картирование, разработанный, характеристика, градиентометр, мобильный устойчивость, ориентация, протон, специальный, чувствительность, лармор, измерение секунда, земля, момент, линия, скорость, съёмка, специальный тема, металл, диапазон, энергетический уровень, частица, число, ядро, быстродействие, работа, энергетический переход, диаметр, геофизический сигнал, детальный участок, магнитометр, секунда, спектральный линия, магнитный момент, метод, константа, поляризовать жидкость, зона, несейсмический, проведение, фактор, датчик, квантовый магнитометр, район, степень, жидкость, обнаружение, чувствительный элемент, цезиевый, частотный, частота, март, высоко, фильтрованный, квантовый, поверхность, съемка, разработка, время, точность, магнитный, элемент, поляризация, область, интенсивность, наземный, цезиевый система, отношение, прецессионный