Ядерно-магнитометрическое устройство Советский патент 1979 года по МПК G01V3/14 

Изобретение относится к области магнитных измерений, основанных на принципе ядерного магнитного резонанса и, в частности, на принципе свободной ядерной процессии, и может быть использовано в Геофизических обсерваториях, при прове- де1гаи компонентных измерений магнитного поля Земли, а также при физических исследованиях, гденеобходимо измерение составяяюших постоянных-магнитных по пей. Так как последние измерения аналогичшл компонентным измерениям магнитного попя Земли, то ниже будет идти реч только о компонентных геомагнитных измерениях. Приборы для измерения магнитного по ля Земли на принципе ядерного магнитног резонанса измеряют модуль полного вектора Земного Поля. Для более полного изу чения магнитного поля необходимо знать вертикальную и горизонтальную сосгавпяющие (или угол между горизонтальной ср Ставляющей и поййм вектором, назьша мый наклонением) и склонение геомагнитного поля (угол между магнитным и географи1еским меридианом). Существуют два основных метода компонентных измерений; метод 1{омпенсации и метод 3-х модулей (или метод вспомогательного поля). Метод компенсации менее точен, поэтому он в основном сейчас не используется. Метод 3-х модулей имеет несколько разновидностей, иэ наиболее приемлемым для автоматических измерений является метод, предтюженяый Бекотюм l , Во всех этих приборах использу1ртся колечные системы для созда{гая дополнительного магнитного поля и делаются три измерения norfa: нри отсутствии тока в кольцах; при наличии тока в колыхах; при наличии тока обратного или кратного первому. По трем измерениям определяются составляюшие поля. Недостаток всех этих магнитометров заключается в том, что равенство или кратность токов нужно выдержать с очень высокой точностью, что успрЛняет измерения, а невыпопнение этого условия увеличивает погрешность измерений. Известно ядерно-магнитометрическое устройство для измерения элементов геомагнитного поля методом вппомог-зтельного поля, содержащее ядерный Магнитометр с датчиком внутри колечной системы 2. В данном устройстве для определения угла наклонения датчик прибора помещает ся в ориентированные п6 магнитному мерадиану кольца и производятсй три измерения магнитного поля ядерным магнитометром:, 1)при отсутствии тока в кольцах (определяют величину истинного магнитного поля To)i 2)при наличии в кольцах одного направления (определяют величину поля (TI ) (TO + ьГ )Г 3)при наличии такого же тока в коль цах обратного направления (определяют величину (Т2 ) ( + ТТ|), переключени тока производится коммутатором поля. .Затем вычисляют угол наклЬнения Т .по формуле: -ri2 2 т, -Т-2 Y arcco5 гтд(т2ц.т2)-4т2 Известный ядерно-резонансный прибор имеет следующие недостатки. Неодновременность измереиий TQ , -Т Тл , что увеличивает погрешность измерений угла склонения за счет непостоянС1ба TO, так как расчеты угла склонения справедливы в пред положении, ,что магнитнре поле Т, за период З хизмерений не изменяется. Необходимо выдержать равенство прямого и.обратного тока в кольцах (Hj N2 ) с высокой точностью, т.е. нужно следить аа током при измерениях и при необходимости регулировать его величину. Реализация этого требования усложняется тем, что при переключении направ ления тока может мвн)яться переходное сопротивление KOHTSIKTOB. Большой диапазон измеряемых полей, которым должен обладать используемый ядерный мйгнитометр,; Например, чтобы Ьпределоть составляющее сизмеряек ого по ля при угле наклотнения 72° с погрешностью О,1 нужно чтобы Т1 1,68 TO , а Т2 . То таким (правом диапазон составе от 55ООО до 122000 или по ча тоте процессии от 234О Гц до 519О Гц

661475 иапазон работы ядерного магнитометра ез переключения составляет 2500 (или 10О Гц), поэтому при проведении измеений ядерньм магнитометром необходимо ереключение в нем поддиапазонов измерений одновременно с коммутацией тока, Цель предлагаемого изобретения - повышение точности и упрощение процесса измерения всах составляющих напряженности магнитного поля. ДляЭТОГО в ядерно-магнитометричекое устройство дополнительно включены ри ядерных магнитометра с датчиками в кольцах и один магнитометр с датчиксьм вне колец, при эгом коленные системы соединены попарно со взаимно встречным способом намотки, ориентированы горизонтально во взаимно Перпендикулярных плоскостях и подключены к источнику тока. При определении, магнитного наклонения используются идентичные .системы колец (например,кольца Браунбека), создающие дополнительные магнитные поля. Эти системы ориентируются, например, в плосKocTlti географического меридиана и последовательно соединены между собой, причем направление намотки колец во 2-й системе противоположно направлению намотки колец 1-й системы. Кольца расположены в разнык пунктах на таком расстоянии, чтобы исключить их взаимное влияние, магнитные поля в этих пунктах одинаковы. Поэтому, если подключить кольца к источнику тока, то в этих 2-х коленных системах будут созданы равные по величине (так как ток один и тог же) и противоположные по направлению магнитные поля Таким об разом условие равенства дополнительных полей ( ) выполняется автоматинески. Для измерения суммарного поля в кольцах испоттьзуются два ядерных магшЛхэметра, датчики . которых помещаются в кольца; для определения модуля измеряемого поля применяется третий, магнитометр, датчик которого находится вне колец. Пля определения угла склонения используются еще две системы идентичных колец, ориентированных в плоскости, перпендикулярной плоскости ориентации первой пары колец, например, в плоскости, перпендикулярной плоскости географине- ского меридиана. Принцип намотки этой пары колец и их соединение аналогичны описанным выше. Фиг. 1, 2, 3 поясняют принцип измерения и расчета искомых параметров; на фиг. 4 представлена принципиальная схе предлагаемого устройства. Фиг. 1 поясняет принцип измерения расчета составляющих магнитного поля. Здесь abed - плоскосгь .географичэско го меридиана; аЬб f - плоскость магни ного меридиана; Т - вектор измеряемого магнитного поля; Z - вертикальная составляющая магнитнЬго поля; Н - гориз тальная составляющая, В направлении географического мериди ана в горизонтальной плоскости создаются два взаимно противоположных вспомо гагельных поля Hi и Нп с помощью описанных выше колец. Из трех измеренных величин TO , Tj, , Т лежащих в одной плоскости (фиг. 2), можно определить горизонта ШэНую X - компоненту поля Тд (вдоль географического меридиана) по формуле т, -т -И - Т Т2-2Т2. 4 В направлении, перпендикулярном географическому меридиану, в горизонтальной плоскости создаются два взаимно протквоположных вспомогательных поля Н помощью описанных выше колец, трех измеренных величин Тд , Тд ,Т лежащих в одной плоскости, можно определить горизонтальную у -компоненту поля TQ (перпендикулярную географическому меридиану) по формуле Tj-TV . 34О Зная X, U и Т{) , можно определить все компоненты измеряемого поля. Горизонтальная составляющая H -yxSy Вертикальная составляющая Наклонение магнитного поля1 агссо5 п еклонение магнитного пoляD cягct Добавочные поля выбираются такими, чтобы погрешность измерения составляющих была не больше погрешности измерения модуля напряженности измеряемого магнитного поля. Например, если измерение модуля происходит с погрешностью 0,1, то, чтобы Погрешность измерения составляющих бы па такой же величины, необходимо, чтобы добавочные поля (для 1-72° и D 12 ) соответствовали равенствам Н{ И, 1,7 Т , Нэ - 1,21 TO. На фиг. 4 гоказана структурная схема Компонентной ящерно-магнитометрической системы. Кольца 1, создающие добавочньгэ поля, ориентированы в горизонтальной плоскости и плоскости географического меридиана. Когшца 2, создающие добавочные поля Hj и Н J , ориентированы в горизонталь -, ной плоскости и в плоскости, перпендикуЛ5фной плоскости географического меридиана. Для измерения напряженности полей T , Т2, Т, Т и TO имеется пять ядерных магнитометров 3, четыре датчика 4 которых помешены в описанные выше копьца, а один датчик 5 находится вне колец (для измерения TO ), Измерения магнитометрами происходит и один в тот же момент времени, что достигается запуском магнитометров, работающих автоматически, от одного реле 6 времени. Отсчетные значения пяти магнитометров псютупают в ЭВМ 7, которая производит описанные выше вычисления и выдает значения нужных элементов поля. Таким образом, наличие двух пар колечныхсистем со взаимно-противоположной сис.темой намотки и пяти магнитометров позволяет проводить одновременные измерения пяти модулей и определять по ним мгновенные значения составляющих поля с погрешностью, не превышающей погрешность измерения модуля, без перек. лючения диапазонов в магнито метрах. Формула изобретения Ядёрнв- магнитометрическое устройство для измерения элементов геомагнитного поля методом вспоМогатдельного поля, содержащее ядерный магнитометр с датчиком внутри кЬлечной системы, о т л и чающеес я тем, что, с целью повышения точности и упрощения процесса измерения всех составляющил напряженности магнитного поли, в нег:.дополнительно включены три ядерных магнитометра с датчиками в кольцах и один магнитометр датчиком вне .колец, при этом колечные истемы соединены попарно со встречным :направленивм намотки, ориентированы гоизонтально во взаимно перпендикулярных лоскостях н подключены к источнику тока.