3.5. Ядерно-прецессионные магнитометры

Быстрому совершенствованию магниторазведочной аппаратуры с целью повышения ее точности способствовало открытие ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) – резонансных изменений ядерной намагниченности вещества под действием слабого радиочастотного магнитного поля, наложенного на сильное постоянное магнитное поле. Идею использования ЯМР в середине 40-х гг. выдвинул М.Паккард, а затем реализовал ее, сконструировав первый ядерно-прецессионный (протонный) магнитометр. Его серийный вариант V4910 положил начало широкому внедрению этих приборов в магниторазведочную практику /10/. В 1961г. Л. Олдридж сообщил о создании на базе протонного магнитометра автоматической магнитовариационной станции. Это был первый комплекс, где измерительный блок совмещался с регистрирующим устройством и с портативным компьютером.

В России первые образцы ядерно-прецессионных магнитометров появились в середине 50-х гг. прошлого века. Были изготовлены пешеходные магнитометры АЯПМ-4, М-20 и аэромагнитометры ЯП-1, АЯАМ-6.

Точность этих приборов варьировала от 2 до 5 нТл, цикл измерений – от 7.0 до 0.37с. В табл. 3.2 приведены некоторые технические характеристики отечественных аэромагнитометров, серийно выпускавшихся в 1960-1995 гг.

Ядерно-прецессионные протонные магнитометры широкое применение получили в производстве морских съемок, поскольку имеют высокий порог чувствительности.

В основе принципа работы протонного магнитометра лежит взаимодействие протонов с геомагнитным полем. Протон является основной частицей ядра атома, он имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Масса протона в 1836.5 раза превышает массу электрона, кроме того, протон является движущейся материальной частицей из-за наличия у него импульса движения. Протон, обладая механическим моментом количества движения Р (спином), вращается вокруг своей оси (рис. 3.9).

Такое движение протона, несущего электрический заряд, создает кольцевой ток, который вызывает появление магнитного момента , направленного вдоль оси его вращения. Внешнее магнитное поле стремится ориентировать протон так, чтобы его магнитный момент  повернулся вдоль направления этого поля, но его механический момент препятствует изменению ориентации.

Р

μ

Рис. 3.9. Схема протона

Под действием этих сил протон прецессирует так, что его магнитный момент  описывает конус вокруг направления внешнего магнитного поля. Прецессия протона вызывается моментом силы, возникающей в результате взаимодействия между магнитным моментом  протона и внешним полем Т. Частота прецессии является величиной, определяющей величину модуля индукции магнитного поля.

На практике наблюдают прецессию не от одного протона (ядра), а от огромного их числа. В этом случае магнитные моменты ядер при отсутствии магнитного поля находятся в хаотическом состоянии, ориентированы произвольно и не могут создавать намагниченность. Вектор суммарного магнитного момента равен нулю. Поляризованная намагниченность формируется под действием магнитного поля в следующих протоносодержащих жидкостях: этиловом спирте, ацетоне, дистиллированной воде, минеральных маслах, керосине, бензине, органических жидкостях. Датчик протонного магнитометра представляет собой сосуд с рабочим веществом, охваченный многовитковой катушкой.