Магнитометр

Магнитометр перед погружением

Магнито́метр — (от гр. μαγνητό — магнит + гр. μετρεω измеряю), прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств материалов. В зависимости от измеряемой величины различают приборы для измерения напряжённости поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента.

В зависимости от природы измеряемой величины магнитометры градуируются в тех или иных единицах (напряжённости магнитного поля, единицах магнитной индукции, направления магнитного поля и др.).

Магнитометры применяются в:

• геологии, при поиске полезных ископаемых;
• археологии, при археологических раскопках;
• навигации на море, в космосе и авиации;
• военной разведке для обнаружения погружённых подводных лодок;
• биологии и медицине;
• сейсмологии (предсказании землетрясений);
• научных экспериментах;
• магнитной геохронологии.

Физические принципы работы магнитометров

Магнитостатические магнитометры

Основаны на измерении механических моментов, действующих на чувствительный элемент прибора (например, небольшой постоянный магнит) в измеряемом поле. При воздействии внешнего поля, не совпадающего с направлением поля этого постоянного магнита, чувствительный магнит испытывает вращающий момент, зависящий от напряжённости внешнего измеряемого поля и ориентации поля измерительного магнита и внешнего поля. Измерительный магнит подвешен на упругой для кручения подвеске, по степени закручивания, с учётом ориентации прибора, определяют внешнее поле $H$.

Момент на чувствительном (индикаторном) магните выражается векторным произведением:

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

где $M$ — магнитный момент индикаторного магнита.

Возникающий механический момент $J$ в магнитометрах различной конструкции уравновешивается разными способами:

• моментом кручения упругой подвески (обычно в чувствительных магнитометрах, изготовленных из кварцевой нити (магнитометры и универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью до ~1 нТл);
• моментом в рычажной системе, уравновешиваемой силой тяжести (магнитные весы с чувствительностью ~$10^{-15}$ нТл);
• моментом, действующим на вспомогательный эталонный постоянный магнит, установленный в нужном положении (оси индикаторного и вспомогательного магнитов в положении равновесия взаимно перпендикулярны). В упругой подвеске индикаторные магниты имеют собственную частоту вращательных колебаний, зависящую от упругости подвески, напряжённости внешнего поля. При этом измеряют периоды этих колебаний, что позволяет определить напряжённость магнитного поля (абсолютный метод Гаусса).

Основное применение магнитостатических магнитометров — измерение направления и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля, градиента поля, а также магнитных свойств веществ.

Индукционные магнитометры

Индукционный магнитометр

Основаны на явлении электромагнитной индукции — возникновении эдс в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь её контур магнитного потока $\Theta$. Изменение потока в катушке может быть связано:

• с изменением величины или направления измеряемого поля во времени (примеры — индукционные вариометры, флюксметры). Простейший флюксметр (веберметр) представляет собой баллистический гальванометр, действующий в сильно переуспокоенном режиме (G ~ $10^{-4}$ Вб/деление); широко применяются магнитоэлектрические веберметры с G ~ $10^{-6}$ Вб/деление, фотоэлектрические веберметры с G ~ $10^{-8}$ Вб/деление и другие.
• с периодическим изменением положения (вращением, колебанием) измерительной катушки в измеряемом поле (рис. 2); простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G ~ $10^{-8}$ Тл. У наиболее чувствительных вибрационных магнитометров G ~ 0,1—1 нТл.
• с изменением магнитного сопротивления измерительной катушки, что достигается периодическим изменением магнитной проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается до насыщения вспомогательным переменным полем возбуждения); действующие по этому принципу ферромодуляционные магнитометры имеют G ~ 0,2—1 нТл.

Индукционные магнитометры применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т. д.

• Вибрационный магнитометр
• Флюксметр
• Феррозондовый магнитометр.

Квантовые магнитометры

Приборы, основанные на свободной прецессии магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах (ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе). Для наблюдения зависимости частоты $\Omega$ прецессии магнитных моментов микрочастиц от напряжённости $H_{i}$ измеряемого поля ($\Omega =\gamma \times H_{i}$, где $\gamma$ — магнитомеханическое отношение) необходимо создать макроскопический магнитный момент ансамбля микрочастиц (ядер или электронов). В зависимости от способа создания макроскопического магнитного момента и метода детектирования сигнала различают: протонные магнитометры (свободной прецессии, с динамической поляризацией и с синхронной поляризацией), резонансные магнитометры (электронные и ядерные), магнитометры с оптической накачкой и др. Квантовые магнитометры применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей (в том числе геомагнитного и магнитного поля в космическом пространстве), в геологоразведке, в магнитохимии (G до $10^{-5}$—$10^{-7}$ нТл). Значительно меньшую чувствительность (G ~ $10^{-5}$ Тл) имеют квантовые магнитометры для измерения сильных магнитных полей.

• Протонный магнитометр.
• Гелиевый магнитометр.
• Магнитометр Оверхаузера.
• Атомный магнитометр на щелочный металлах с оптической накачкой.
  • • Атомный магнитометр, свободный от спин-обменного уширения (SERF-магнитометр)
• СКВИД (англ. SQUID).

Чувствительность квантового магнитометра $G$ определяется следующим соотношением:

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

где $k$ константа, $\Gamma$ — ширина спектральной линии, $\gamma$ — гиромагнитное отношение и $S_{n}$ — отношение сигнал/шум. Чувствительность не зависит от ларморовой частоты. Магнитометры Оверхаузера, ларморова частота которых равна 0.042 Гц/нТл, цезиевый и гелиевый-4 магнитометры с 3.5 Гц/нТл и 28 Гц/нТл, соответственно, имеют одинаковую чувствительность. Ширина спектральной линии $\Gamma$ для разных квантовых магнитометров приведена в таблице.

Сравнение магнитометров

Таблица 1, Ширина линии магнитного резонанса в различных магнитометрах

Тип магнитометра	Естественная ширина резонансной линии, $\Gamma$, нТл (в поле ~50 мкТл)
Цезий	$20$
Гелий-3	$2.74x10^{-5}$
Гелий-4	$70$
Оверхаузер	$4$
Калий	$0.1-10$
Протон	$15$

Применение магнитометров в медицине

Таблица 2, Общая характеристика магнитных полей в биологии

Величина магнитного поля, Тл	Источники и оценка магнитометра	Тип магнитометра
$10^{-2}-10^{-3}$	Предельно допустимое поле на рабочем месте
$10^{-4}-10^{-7}$	Геомагнитное поле	Холловский датчик
$10^{-8}$	Городские магнитные помехи,	Феррозонд
$10^{-9}$	Порог магнитобиологических реакций	Феррозонд
$10^{-10}$	Сигнал электрического органа рыб, геомагнитный шум, сердце, ферромагнитные включения	Индукционный
$10^{-11}$	Мышцы скелетные, глаз	Магнитометр с оптической накачкой
$10^{-12}$	Фоновая и вызванная активность мозга	Магнитометр с оптической накачкой
$10^{-13}$	Сетчатка глаза	Магнитометр с оптической накачкой
$10^{-14}$	Чувствительность СКВИДА	СКВИД

Калибровка магнитометров

Установка для калибровки магнитометров

Некоторые факты развития магнитометрии в России

Русский учёный М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитной обсерватории была осуществлена лишь спустя 60 лет в России.

В 1956 году на советской шхуне «Заря» проводятся измерения магнитного поля. Все материалы и предметы корабельного хозяйства на этой шхуне были изготовлены из дерева и немагнитных сплавов, влияние магнитных полей моторов и другого оборудования минимизировано. В настоящее время весь Земной шар покрыт сетью пунктов, где производят магнитные измерения (например, международная сеть магнитометрических станций INTERMAGNET).

В 1936 г. впервые в мире советский географ А. А. Логачёв (совместно с А. Т. Майбородой) сконструировал аэромагнитометр — прибор, позволяющий измерять магнитное поле Земли с самолёта. Катушка аэромагнитометра быстро вращается в магнитном поле Земли и в ней возникает электрический ток.

См. также

• Детектор магнитных аномалий
• Львовский центр Института космических исследований НАН и НКА Украины — производство магнитометров
• Mx-магнитометр

Литература

• Войнаровский П. Д.,. Электрические измерительные аппараты // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Померанцев Н. М., Рыжков В. М., Скроцкий Г. В. Физические основы квантовой магнитометрии, М., 1972;

Ссылки

• NIST chip-scale atomic magnitometer project  (неопр.). Дата обращения: 25 января 2011. Архивировано из оригинала 14 марта 2012 года.
• Магнитометр — статья из Большой советской энциклопедии.