Principios básicos de los instrumentos de medición magnéticos

Los primeros instrumentos de medición utilizados para la exploración incluían cables de cuerda, magnetómetros mecánicos de última generación, magnetómetros de inducción, etc. El magnetómetro de segunda generación utiliza las características de vibración del magnetismo nuclear y está compuesto por una aleación magnética blanda de alta permeabilidad y circuitos electrónicos complejos. No fue hasta la década de 1980 que se propusieron los magnetómetros de precesión de protones y los magnetómetros de flujo. La sensibilidad del magnetómetro de precesión de protones a la medición del campo geomagnético es de 0,1 nT (modelo CZM-2B, existen dos tipos de magnetómetros de bomba óptica: magnetómetros de seguimiento de helio y magnetómetros de bomba autoláser de cesio); Después de 20 años hasta la década de 1990, la sensibilidad de medición del instrumento alcanzó 0,003 nT (magnetómetro aéreo HC-90), y la sensibilidad del magnetómetro terrestre HC-95 fue de 0,01 nT.

Según sea necesario, el laboratorio incluye: magnetómetro aéreo, magnetómetro terrestre, magnetómetro de pozo, magnetómetro marino y magnetómetro de alta sensibilidad.

Los magnetómetros se pueden dividir en instrumentos de medición relativos (como los magnetómetros verticales de alambre de suspensión, que miden la diferencia relativa de la componente vertical z del campo geomagnético) e instrumentos de medición absolutos (como los protones) según la parámetros y magnitud del campo geomagnético que miden. El magnetómetro de precesión mide el valor absoluto de la intensidad total del campo geomagnético, y también puede medir el valor relativo o valor de gradiente).

4.4.1.1 Magnetómetro Fluxgate

Permalloy es una aleación magnética blanda con alta permeabilidad magnética y baja coercitividad. Bajo la acción de un campo magnético externo (la línea de histéresis es estrecha y pronunciada), se alcanza rápidamente la magnetización de saturación, por lo que la compuerta de flujo también se denomina magnetómetro de saturación. Es decir, el campo magnético externo cambia muy poco, la intensidad del campo magnético inducido cambia mucho y el instrumento es muy sensible. Permalloy se convierte en un circuito magnético cerrado; el voltaje del pulso de salida de la bobina magnética de excitación externa y el devanado receptor de señal es proporcional al campo magnético externo. Existen muchos tipos de magnetómetros, como los de aviación, los magnetómetros terrestres, los instrumentos de medición de la susceptibilidad magnética, etc.

4.4.1.2 Magnetómetro de precesión de protones

Un recipiente dentro de un solenoide que puede generar un campo magnético se llena con un líquido rico en hidrógeno (como agua). Cuando se aplica electricidad para generar un campo magnético, los núcleos de hidrógeno excitados (protones) giran para producir momentos magnéticos. Los momentos magnéticos se organizan paralelos a la dirección de la espiral, lo que da como resultado un momento magnético macroscópico paramagnético. Cuando el campo magnético del solenoide perpendicular al campo geomagnético se detiene, el momento magnético macroscópico del núcleo de hidrógeno realiza una precesión de Larmor alrededor de la dirección de la fuerza total del campo geomagnético (F). La relación entre la frecuencia de precesión y el campo geomagnético (F). ) es el siguiente

Introducción a la Geofísica Ambiental

Demuestra que la frecuencia de precesión f es proporcional a f. La bobina que genera el campo magnético de excitación del instrumento también es una bobina receptora. , sintonizado a la frecuencia de precesión f, por lo que en el suelo de una cierta intensidad En el campo magnético, el momento magnético de la precesión del protón generará un voltaje inducido en la bobina, que es la señal de intensidad del campo geomagnético.

4.4.1.3 Magnetómetro de bomba óptica

Basado en el principio de que los átomos ganan energía y se excitan, saltando de un nivel de energía bajo a un nivel de energía alto. El magnetómetro de bomba óptica utiliza una lámpara atómica de helio (4He) para emitir luz con una longitud de onda de 1,08 μm y generar un haz paralelo en la misma dirección que el campo geomagnético (el campo magnético medido). Después de pasar a través de la cámara de absorción llena de 4He, el 4He absorbe 1,08 micrones de luz para formar iones positivos, que pasan de un nivel de energía bajo a un nivel de energía alto (llamado bombeo óptico). Los momentos magnéticos de estos átomos de 4He están alineados en paralelo. La relación entre la frecuencia del momento magnético de transición f0 y el campo geomagnético t es

Introducción a la geofísica ambiental

Dado que f0 en la fórmula es mucho mayor que F en (4.4.1), Es beneficioso mejorar la sensibilidad del instrumento. El instrumento agrega un campo magnético modulado perpendicular a la dirección incidente de la luz en la cámara de absorción, de modo que la frecuencia del campo magnético incidente puede rastrear automáticamente los cambios en el campo geomagnético y lograr una medición automática.

4.4.1.4 Magnetómetro superconductor

Josephson propuso en 1962 y demostró experimentalmente que existe una capa aislante de 10 ~ 30 A entre dos superconductores, y que los electrones superconductores pueden pasar a través de ellos sin obstáculos, con sin caída de voltaje a través de la capa de aislamiento, se denomina unión de túnel superconductora (unión de Josephson). Este fenómeno se denomina efecto Josephson de las uniones de túneles superconductores.

El magnetómetro superconductor es un instrumento de medición basado en el efecto Josephson. Su dispositivo de medición es un circuito cerrado hecho de material superconductor con una o dos uniones de túnel superconductor. El área de interceptación de la articulación es muy pequeña. Mientras pase una pequeña corriente (10-1 ~ 10-6A), la unión alcanzará la corriente crítica Ic.

(Se destruye la superconductividad de Ic, es decir, la corriente superconductora máxima que puede soportar la unión del túnel superconductor). Ic es muy sensible a los campos magnéticos y fluctúa periódicamente con el tamaño del campo magnético externo. Su amplitud disminuye gradualmente. La corriente crítica Ic también es una función periódica de la energía magnética φ que penetra en la unión superconductora. Utiliza la respuesta periódica del dispositivo para contar los cambios en la energía magnética (proporcionales a los cambios en el campo magnético externo). El valor del campo magnético se puede calcular cuando se conoce el área del anillo.

El magnetómetro superconductor es un magnetómetro de alta sensibilidad desarrollado utilizando tecnología superconductora a mediados de los años 60. Su sensibilidad es varios órdenes de magnitud mayor que la de otros magnetómetros (hasta 10-6 nT) y puede medir campos magnéticos de 10-3 nT. El rango de medición es amplio, la respuesta de frecuencia del campo magnético es alta y los datos de observación son estables y confiables. En geomagnetismo, se utiliza para estudiar perturbaciones en el campo geomagnético. En métodos magnetotelúricos y electromagnéticos, se utiliza para medir cambios débiles en campos magnéticos. En petrofísica, se utiliza en el estudio del magnetismo de las rocas.

Dado que la sonda de este instrumento requiere baja temperatura, a menudo se enfría con gas helio en una botella Dewar, lo que hace que el equipo sea complejo y costoso. Actualmente se utiliza principalmente en laboratorios. Sin embargo, con el continuo avance de la investigación de la tecnología superconductora, se cree que se utilizará cada vez más en geofísica ambiental en un futuro próximo.