Instrumento de medición magnético

Los instrumentos de medición magnéticos se denominan colectivamente magnetómetros. Según sus características estructurales, se puede dividir en magnetómetro mecánico y magnetómetro electrónico.

1. Magnetómetro mecánico

El magnetómetro mecánico utiliza el principio de equilibrio estático para realizar mediciones relativas del campo geomagnético. Este tipo de instrumento también se llama balanza magnética. Hay dos tipos de escalas magnéticas: una es una escala magnética vertical que mide el valor relativo de la componente vertical del campo geomagnético; la otra es una escala magnética horizontal que mide el valor relativo de la componente horizontal del campo geomagnético;

La Figura 8-1 es un diagrama esquemático de la estructura interna de la escala magnética vertical de cable de suspensión doméstica CS2-61. La parte central del instrumento es el sistema magnético. El sistema magnético consta de una varilla magnética cilíndrica, un marco de aluminio incrustado en la varilla y un reflector plano. Está suspendido dentro de la caja del instrumento mediante un alambre metálico plano llamado alambre de suspensión. Un extremo del cable de suspensión está fijado al resorte y el otro extremo está fijado al tambor de torsión, de modo que todo el sistema magnético puede girar libremente alrededor del cable de suspensión.

Figura 8-1 Diagrama esquemático de la estructura interna de la báscula magnética vertical de alambre suspendido CS2-61 doméstica

Para que el valor medido del instrumento solo esté relacionado con anomalías magnéticas , se debe eliminar la influencia del campo geomagnético sobre el sistema magnético. En el hemisferio norte, el extremo del polo S de la varilla magnética puede estar ligeramente más alejado del eje de rotación (cable suspendido) que el extremo del polo N, de modo que el centro de gravedad de todo el sistema magnético está ligeramente sesgado hacia el polo S. extremo y situado debajo del eje de rotación. Por lo tanto, bajo la influencia de la gravedad y el campo magnético terrestre, el sistema magnético permanecerá aproximadamente horizontal. Sólo cuando hay un imán alrededor del instrumento la varilla magnética se inclina y muestra anomalías.

El instrumento mide la componente vertical del campo geomagnético, lo que requiere que se elimine la influencia de la componente horizontal del campo geomagnético. Por lo tanto, el sistema magnético debe ajustarse para mantenerlo horizontal y solo puede oscilar en el plano vertical en la dirección este-oeste del imán. De esta manera se elimina por completo la influencia de la componente horizontal del campo magnético sobre la rotación del sistema magnético.

El principio de funcionamiento simple de este instrumento es que cuando hay un cuerpo magnético alrededor del instrumento, el sistema magnético se inclinará ligeramente debido a su influencia y se utiliza un reflector plano para proyectar la luz reflejada sobre la escala, lo que hace que la varilla magnética se incline. El valor de inclinación se convierte en una lectura en la escala, y esta lectura se multiplica por el valor de la cuadrícula, que es el valor de cambio del campo magnético. Cuando el ángulo de desviación de la varilla magnética es grande y la luz reflejada se desvía del rango de la escala (este fenómeno se llama sobrerejilla), el tambor de torsión se puede girar para cambiar el par de torsión del cable de suspensión, de modo que el El ángulo de inclinación se reduce hasta que se pueda leer. La magnitud del momento de torsión cambiante del cable de suspensión se puede leer en el tambor de torsión. La precisión de este tipo de instrumentos suele estar entre 10 y 20 nT.

2. Magnetómetro electrónico

Los magnetómetros electrónicos incluyen magnetómetros de flujo, magnetómetros de precesión de protones, magnetómetros de bomba óptica y magnetómetros superconductores. Este tipo de instrumento tiene una alta precisión. Por ejemplo, la precisión de los magnetómetros de bomba óptica puede alcanzar los 0,01 nT, mientras que la precisión de los magnetómetros superconductores puede alcanzar los 10-6 nT. Por tanto, además de utilizarse para la exploración de campo, este tipo de instrumentos también desempeñan un papel en la medición geomagnética absoluta, la detección antimagnética e incluso la exploración espacial.

El magnetómetro electrónico más utilizado para estudios magnéticos terrestres es el magnetómetro de precesión de protones. Actualmente hay dos magnetómetros de protones terrestres ampliamente utilizados en mi país: uno es el magnetómetro de protones CZM-2 producido por la Fábrica de Instrumentos Geológicos de Beijing y el otro es el IGS-2/MP introducido desde Canadá y producido en masa en mi país. -4 magnetómetro de protones de microordenador de alta resolución. La precisión de medición del primero es de alrededor de 2 nT, mientras que el segundo puede alcanzar 1 nT. Por lo tanto, además de ser ampliamente utilizado en mediciones terrestres, también se utiliza en estudios magnéticos aéreos y marinos.

El principio de funcionamiento del magnetómetro de precesión de protones se basa en la precesión de los núcleos de hidrógeno (protones) en el campo geomagnético con una determinada frecuencia en soluciones de átomos de hidrógeno como queroseno, agua destilada, alcohol, etc. La parte del instrumento que detecta el campo magnético externo es un recipiente cilíndrico de vidrio orgánico lleno de una solución de hidrocarburos como queroseno o agua destilada, con una bobina solenoide enrollada a su alrededor, llamada sonda.

Como todos sabemos, los átomos que forman las moléculas de diversas sustancias están compuestos por núcleos cargados positivamente y electrones cargados negativamente que giran alrededor del núcleo. Los núcleos están compuestos por protones cargados positivamente y neutrones sin carga. . El hidrógeno tiene el núcleo más simple, con un solo protón. Para sustancias que contienen átomos de hidrógeno como el queroseno y el agua destilada en la sonda, los momentos magnéticos orbitales de los electrones y los momentos magnéticos de espín de los electrones en las moléculas se cancelan entre sí en pares, y los momentos magnéticos de espín de los núcleos distintos del hidrógeno también se cancelan entre sí. , solo el momento magnético de espín del núcleo de hidrógeno no se cancela. Por tanto, el átomo presenta un momento magnético débil. Los momentos magnéticos de los protones del hidrógeno en solución apuntan en cualquier dirección cuando no hay un campo magnético externo. Cuando la solución de hidrógeno está en el campo magnético terrestre T, estos momentos magnéticos de los protones se alinearán en la dirección de T bajo la acción de T.

Cuando se pasa una corriente (aproximadamente 1 A) a través del eje del tubo helicoidal que está cerca del campo geomagnético vertical T para generar un campo magnético artificial de casi (50 × 103/4π) A/m (es decir, 50 Oe) que es perpendicular al Campo geomagnético, debido a Este campo magnético es mucho más grande que el campo geomagnético, por lo que el eje de giro del protón originalmente a lo largo de la dirección del campo geomagnético gira hacia la dirección del campo magnético magnetizante. Cuando se corta la corriente y el campo magnético artificial desaparece repentinamente, los protones de hidrógeno precederán alrededor de la dirección del campo geomagnético con la misma fase bajo la acción combinada de la fuerza de inercia de espín original y la fuerza del campo geomagnético (Figura 8-2). ). Este fenómeno se llama precesión de protones, también conocida como precesión de nucleones.

Figura 8-2 Diagrama esquemático del movimiento de precesión del momento magnético del protón en el campo geomagnético

Al comienzo de la precesión del protón, debido a su fase consistente, se forma un campo magnético macroscópico. Se muestra el momento, que periódicamente al cortar la bobina enrollada alrededor del contenedor produce una señal de inducción eléctrica cuya frecuencia es la misma que la frecuencia de precesión del protón. El fenómeno de precesión de protones se atenuará y desaparecerá rápidamente debido a la interferencia térmica y otros efectos, y la señal de inducción eléctrica también decaerá exponencialmente con el tiempo.

Experimentos y cálculos teóricos muestran que la velocidad angular ω de la precesión del protón de hidrógeno es proporcional al tamaño del campo magnético externo T, y la relación es

ω=γpT (8 -1)

En la fórmula: γp es la relación de espín magnético del protón (es decir, la relación entre el momento magnético del protón y el momento de impulso), que es una constante y su valor medido con precisión es 0,267513 Hz/ Nuevo Testamento. Y como ω=2πf, f es la frecuencia de precesión, entonces

T=2πf/γp=23.4874f (nT) (8-2)

La fórmula anterior muestra que la frecuencia geomagnética campo El tamaño es proporcional a la frecuencia f a la que preceden los protones, convirtiendo así la medida del campo geomagnético en una medida de la frecuencia de la señal de precesión.

Dado que el momento magnético macroscópico precesa, corta la bobina en la sonda, por lo que se genera en la bobina un voltaje inducido con la misma frecuencia de precesión. Es muy obvio que medir la frecuencia de esta señal eléctrica inducida determina el valor absoluto de la intensidad total del campo geomagnético.