Протонные магнитометры

Элементарные частицы материи, в т.ч. атомные ядра, являются носителями магнетизма, т.е. имеют собственные магнитные моменты. Атомное ядро прецессирует (вращается) в магнитном поле вокруг направления поля с частотой. Определяемой соотношением Лармора. Гиромагнитное отношение ядер каждого изотопа (отношение магнитного момента к механическому) является атомной константой, не зависящей от внешних факторов (температура, давление, влажность и т.п.). Поэтому частота прецессии ядра данного изотопа зависит только от напряжённости внешнего магнитного поля. Следовательно, измеряя частоту прецессии атомных ядер, можно определить напряжённость магнитного поля, в котором они находятся. Это явление положено в основу протонных (ядерных) магнитометров. Протонный магнитометр разработан в 1953г. М.Паккардом и Р. Варианом (США). Ларморову прецессию можно представить как конусообразное движение вектора магнитного момента частицы вокруг вектора внешнего магнитного поля , подобное движению вокруг вертикальной оси вращения волчка, получившего боковой удар. Если создать дополнительное магнитное поле перпендикулярно к основному полю и вращать дополнительное поле вокруг основного с частотой Ларморовой прецессии (синхронно с с прецессией магнитного момента частицы), то наступит явление резонанса, т. е. будет достигнута наибольшая амплитуда прецессионного движения, характеризуемая углом между направлениями внешнего поля и поля частицы.

Для измерения магнитного поля удобнее всего использовать простейшие атомные ядра – протоны. т. к. они в жидкостях дают наиболее острый и интенсивный резонанс. Если поместить образец с протонами (например, сосуд с водой или спиртом) в катушку индуктивности, то в последней возникает ЭДС с частотой, равной частоте прецессии протонов. Однако интенсивность сигнала будет настолько мала, что сигнал очень трудно зафиксировать.

В методе свободной ядерной индукции для увеличения сигнала жидкость с протонами временно поляризуется вспомогательным сильным постоянным магнитным полем , приблизительно перпендикулярным земному магнитному полю. После достижения поляризации (для воды через 3 с) поле быстро выключают. Время выключения д. б. значительно меньше периода Ларморовой прецессии . После этого вектор магнитного момента начнёт прецессировать вокруг направления земного поля с частотой. Пропорциональной напряжённости поля. Интенсивность сигнала при прочих равных условиях пропорциональна напряжённости поляризующего поля, однако через некоторое время интенсивность сигнала уменьшается до прежней величины, поэтому вспомогательное поле включают периодически. Таким образом, ядерно-резонансный датчик генерирует затухающую ЭДС. Частота которой строго пропорциональна напряжённости измеряемого поля. Измерения можно проводить только дискретно.

На этом принципе построены отечественные магнитометры ММП-203, ММ-60. Минимаг, наиболее известные зарубежные магнитометры G806, G856, Grad 601-2 и др.