Применения

Страница раздела "Применения".

Магнитно-резонансная томография

Магнитометрия

вступительный текст к разделу + физические основы

Магнитометры

Вступительный текст про магнитометры

Протонные магнитометры.

Принцип действия всех протонных магнитометров одинаков, он основан на измерении частоты прецессии ядер атомов водорода в магнитном поле. Протоны, имея собственный спин и магнитный момент, прецессируют в магнитном поле Земли вокруг его направления с частотой, определяемой соотношением Лармора {Larmor}:

$$\omega=(\gamma\/2 \pi)T,$$

где $ \omega $ - частота прецессии протона [Гц],
$ \gamma $ - гиромагнитное отношение ядра (атомная константа),
$ T $ - полный вектор напряженности геомагнитного поля.
Следовательно, измерив частоту прецессии, можно определить модуль магнитного поля.
Так как частота $ \gamma $, находящаяся в радиочастотном диапазоне, измеряется с высокой точностью, то измерения магнитного поля возможны с относительной погрешностью, соответствующей измерению гиромагнитного отношения.

В качестве рабочего вещества для наблюдения прецессии может быть использована любая протонсодержащая жидкость. В датчиках магнитометров обычно используют: водный раствор спирта, керосин, гептан, метанол и др. Для обнаружения прецессии рабочее вещество повергают интенсивной поляризации внешним магнитным полем $ H $, примерно перпендикулярно к полю $ T $. При этом происходит преимущественная ориентация магнитных моментов протонов по направлению приложенного поля. Поле $ H $ с напряженностью порядка 100 Э создают постоянным электрическим током, пропускаемым через специальную катушку, окружающую рабочее вещество. После быстрого выключения тока поляризации результирующий вектор ядерного намагничения начинает прецессировать вокруг поля $ T $, наводя в катушке ЭДС, в виде затухающей синусоиды.

Продолжительность поляризации и измерения определяется временем соответственно продольной ($ T_1 $) и поперечной ($ T_2 $) релаксации протонсодержащего вещества.

Оверхаузеровские магнитометры

Оверхаузеровские магнитометры основаны на той же связи прецессии протонов с внешним полем, но в них используется другой способ возбуждения - принцип динамической поляризации или эффект Оверхаузера {ссылка на Overhauser}. Здесь рабочее протонсодержащее вещество содержит добавку специальных свободных радикалов с неспаренными электронами, делающих состав парамагнитным. При воздействии на него радиочастотного поля порядка 60 МГц создаются условия электронного парамагнитного резонанса, т.е. максимального поглощения энергии переменного поля. При этом возникают сильные внутренние магнитные поля, приводящие к поляризации вещества и согласованной ориентировке протонов по полю $ Т $. Для возбуждения прецессии с помощью постоянного тока во второй катушке создают нарастающее поворачивающее поле, перпендикулярное $ Т $. После отключения тока, в той же катушке наводится ЭДС сигнала. Измерение частоты сигнала можно производить одновременно с процессом поляризации, что позволяет сократить цикл измерений.

Феррозондовые магнитометры

Феррозондовые магнитометры реагируют и на амплитуду магнитной индукции, и на направление ее вектора. Поэтому использовать однокомпонентный феррозондовый магнитометр для поисковой деятельности в виде пешеходного прибора проблематично. Для этого необходим прибор с компенсацией однородного магнитного поля - градиентометр. Он представляет собой немагнитную штангу с закреплеными на ее концах датчиками. Измерение градиента поля с высокой точностью в случае переносного градиентометра возможно лишь при высокой механической прочности штанги. Положительными качествами феррозондовых магнитометров являются достаточно высокое быстродействие измерения (непрерывно) и малое потребление энергии, что существенно хорошо для приборов с автономным питанием.

Феррозондовый датчик представляет собой катушку индуктивности с сердечником из магнитного материала, который имеет нелинейную проницаемость при относительно небольших полях намагничивания. Феррозонд обладают очень высокой чувствительностью к магнитному полю (до 10-4–10-5 А/м), чувствительность феррозонда ограничена шумами магнитопровода. В простейшем варианте феррозонд состоит из стержневого ферромагнитного сердечника и находящихся на нём двух катушек: катушки возбуждения, питаемой переменным током, и измерительной (сигнальной) катушки. В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного потока, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке эдс, изменяющуюся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное магнитное поле, то кривая перемагничивания изменяет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав эдс индукции в сигнальной катушке. В частности, появляются чётные гармонические составляющие эдс, величина которых пропорциональна напряжённости измеряемого поля.

Расстояние между датчиками градиентометра называется базой прибора. Чем больше база, тем больше будет чувствительность при одинаковых остальных параметрах. Сигналы от датчиков включены по схеме вычитания и сбалансированы таким образом, что при перемещениях и поворотах штанги в однородном магнитном поле Земли сигнал на выходе прибора равен нулю. При приближении одного из датчиков к магнитному, либо немагнитному предмету, происходит разбаланс схемы и появляется полезный сигнал. Обеспечить достаточную механическую жесткость конструкции штанги с закрепленными на ней датчиками - непростая задача, так как отклонение от общей оси одного из датчиков на несколько угловых секунд уже приводит к появлению ложных сигналов.

Квантовые магнитометры

Квантовые магнитометры основаны на принципе оптической накачки, разработанном для паров щелочных металлов (Cs, Rb, Na, K) и инертных газов.

Они используют в своей работе эффект Зеемана. Его суть заключается в том, что при помещении атома в магнитное поле энергия его взаимодействия с полем равна

$$W_H = -\mu_H H = gm_J \mu_B H,$$

а уровень, отвечающий заданному $ J $, расщепляется на $ 2J + 1 $ подуровней. Если выражать энергетическое смещение уровней в единицах $ \mu_BH $, то оно будет определяться величиной $ gm_J $.

Принцип работы квантовых магнитометров заключается в облучении ячейки с парами вещества поляризованным монохроматическим светом, длина волны которого соответствует одной из спектральных линий используемого элемента.

Возбуждаясь, атомы уходят на верхние уровни и через короткое время (~1 мкс) скапливаются на одном энергетическом подуровне, переходы с которого запрещены. Ориентировка их магнитных осей будет одинаковой, что приведет к прецессии электронов относительно геомагнитного поля на частоте Лармора, как в протонных магнитометрах. В результате прецессии будет колебаться и интенсивность света. Если сигнал с фотоэлемента усилить и подать на катушку, намотанную на колбе с рабочим веществом, то получим автоподстраиваемый резонансный осциллятор. Измерив его частоту, можно рассчитать величину поля $ Т $. Существуют некоторые нюансы в теории и много вариантов схемотехнических реализаций.

В качестве примера приведём принцип работы квантового магнитометра ММ-60 производства ФГУП «Геологоразведка», СПб.

Измерение магнитной индукции осуществляется посредством квантового магнитоизмерительного преобразователя, работающего на парах цезия-133, и сводится к измерению частоты резонансного перехода $ \Delta р $ атомов между двумя дискретными энергетическими подуровнями. В первом приближении можно считать, что частота резонансного перехода от магнитного поля изменяется по линейному закону с коэффициентом преобразования, равным 3,5 Гц/нТл. С помощью генератора высокой частоты осуществляется оптическая накачка атомов рабочего вещества, находящихся в камере поглощения, циркулярно-поляризованным резонансным светом, который излучается спектральной лампой. Накладывая на поляризованные атомы рабочего вещества переменное электромагнитное поле, частота которого соответствует энергии перехода между зеемановскими подуровнями, можно вызвать обратные переходы, приводящие к выравниванию населенности атомов на энергетических подуровнях. При этом проходящий свет окажется промодулированным частотой резонансного перехода. Если теперь на пути светового потока, проходящего через камеру поглощения, установить фотодетектор и подключить его ко входу усилителя, а выход усилителя замкнуть на радиочастотную катушку, то, при соблюдении в цепи обратной связи условий резонанса по фазе и амплитуде, получится автоколебательная система, генерирующая на резонансной частоте $ \Delta р $. Известно, что амплитуда сигнала однокамерного самогенерирующего преобразователя зависит от угла α между его оптической осью и направлением внешнего магнитного поля. Эта зависимость имеет вид:

$$А = А_{max} \sin\alfa \cos\alfa,$$

где $ A_{max} $ – максимальное значение амплитуды сигнала.

Из приведенной формулы видно, что оптимальным для однокамерного преобразователя является угол 45є. Угловая зона такого преобразователя составляет ±(20 - 30)є.

С целью расширения угловой рабочей зоны магнитоизмерительного преобразователя в магнитометре ММ-60 применена трёхкамерная система. В результате оптимальный угол между осью системы и оптической осью камер поглощения составляет 35є. При этом угол между оптическими осями камер поглощения составляет 60є.Эти параметры расстановки камер поглощения обеспечивают уменьшение ориентационного сдвига (за счёт уменьшения углов разворота оптических осей вокруг вектора $ Т $ при наклонах преобразователя) в среднем на 30%. Благодаря этому угловая зона преобразователя расширилась до ±(70-80)є.

Таким образом для оптической системы квантового магнитометра оптимальным является положение, при котором ось симметрии оптической системы совпадает с направлением вектора измеряемого магнитного поля.

В большинстве случаев наиболее подходящими для решения поставленных задач являются оверхаузеровские магнитометры. Они не имеют ориентационной зависимости, достаточно быстры и относительно дешевы.

Кроме пешеходных, существует большое число иных магнитометров. Они не применяются к археологическим объектам, однако широко используются в других областях геофизики. Это сквид-магнитометры, скважинные магнитометры, аэромагнитометры, подводные и космические магнитометры.

СКВИД-магнитометры

СКВИДЫ составляют исключение из перечисленных магнитометров. Они могут быть использованы только в камеральным магнитометрических исследованиях.

Этими магнитометрами используются эффекты слабой сверхпроводимости в сверхпроводящих квантовых интерференционных устройствах (СКВИДах). В первую очередь это связано с рекордно высокой чувствительностью метода, достигающей 5*10-33 Дж/Гц (чувствительность по магнитному полю - 10-13 Тл). Примечательно, что чувствительность метода не зависит от уровня сигнала, на фоне которого проводятся измерения, это позволяет надежно регистрировать малые изменения намагниченности на фоне большой статической величины.

Благодаря высокой чувствительности, метод СКВИД-магнитометрии нашел применение не только в традиционной области физического эксперимента, но и в биомедицине, низкотемпературной термометрии, геофизике. Этот метод имеет большие перспективы при исследовании магнитных характеристик вещества, содержащего незначительное количество магнитных примесей, а также микрограммовых образцов. Наконец, высокая чувствительность метода позволяет проводить измерения в очень слабых полях менее 10 Гс, в ряде случаев это обстоятельство имеет принципиальное значение.

Чувствительный элемент сквида представляет собой кольцо из сверхпроводящего материала, содержащее один или два джозефсоновских контакта . Возможность регистрации магнитных полей подобным устройством основана на том факте, что ток, текущий в кольце, зависит от магнитного потока через этот замкнутый контур. Первые сверхпроводящие магнитометры были созданы уже через несколько лет после открытия эффекта Джозефсона, в настоящее время предельная чувствительность сквидов превышает 10-14 Тл/Гц1/2.
В магнитном микроскопе образец сканируется близко расположенным сквидом, в то время как компьютер регистрирует сигнал со сквида в зависимости от его положения по отношению к образцу. Первые варианты магнитных микроскопов использовали сквиды на базе традиционных, низкотемпературных, сверхпроводников. Они работали при температуре жидкого гелия и предназначались для исследования образцов, также находящихся при низкой температуре. Необходимость поддерживать сквид при гелиевой температуре сдерживала широкое применение сквид-микроскопов. Пользователи таких микроскопов испытывали значительные трудности со совмещением и позиционированием сквида относительно образца, а также при загрузке и перезагрузке образцов. Замена низкотемпературного сквида на сквид на базе высокотемпературных сверхпроводников, сделавшая возможной работу устройства при азотных температурах, значительно расширила круг исследований и стимулировала коммерческие применения сквидов.

Еще один шаг к коммерческому применению сквид-микроскопов был сделан, когда появились варианты этих устройств, в которых образец может находиться при комнатной температуре. В них вакуумный объем с охлажденным сквидом отделяется от образца тонким окном из немагнитного материала, например, сапфира; достижимое пространственное разрешение - около 10 мкм.

Магнитометрия в археологии

Археологические объекты с точки зрения физика - это физические тела с физическими свойствами. Магнитные свойства – одни из самых изменчивых среди других физических свойств природных и археологических объектов. Они отражают состояние и результат произошедших изменений с объектом, позволяют узнать не только его «историю» (по физическим свойствам), но и вести поиск скрытых объектов по физическим полям, создаваемым на поверхности нераскопанного объекта. В археологии решается обратная задача магнитометрии – определение объекта по известным аномалиям от него.

Зарождение археологической отрасли разведочной геофизики связано с электроразведочными работами Р. Аткинсона на археологическом памятнике в 1946 г. В нашей стране первый опыт археологического применения геофизики относится к 1957 г., когда И.Т.Кругликова и А.К.Вейнберг использовали электроразведку для исследования античных сельских поселений Керченского полуострова. Исследовательская группа, организованная на базе лаборатории квантовой радиофизики НИИФ Физического факультета СПбГУ с 1974 г. проводит комплексные физико-археологические исследования памятников.

Если рассматривать изменения, которые произошли с четвертичными отложениями в местах обитания человека – на поселениях, селищах, городищах, стоянках, могильниках, хозяйственных сооружениях, некрополях и других археологических памятниках, то воздействие человека можно свести к трём факторам:

  1. возведение строений из инородных для данной среды материалов;
  2. применение огня для жизнеобеспечения;
  3. накопление органических отложений в зоне обитания человека.

К первому фактору относится строительная деятельность людей, когда жилые здания, гробницы, инженерные сооружения и хозяйственные постройки возводились из природных (горные породы, дерево, лёссовые кирпичи) или искусственных (кирпич, черепица и т.д.) материалов. Горные породы за время их захоронения на археологическом памятнике практически не претерпевали изменений, если только не попадали в зону сильного пожара.

Магнитные исследования в археологии распадаются на три класса задач:

  1. поиск и выявление отдельных погребенных тел (объектов), обладающих повышенной намагниченностью;
  2. съемка памятников, выявление магнитных полей и их интерпретация с тем, чтобы получать информацию о планировочной структуре памятника и структуре культурного слоя;
  3. археомагнитное датирование раскрываемых раскопками объектов (Бурлацкая, Абрахамсен).

Принцип магниторазведки для поиска погребенных исторических памятников заключается в измерении естественного магнитного поля Земли с очень маленьким шагом и при минимальной высоте расположения датчика. При таких условиях съемки начинает работать очень чувствительный механизм: сказывается присутствие в погребенных объектах различного количества магнитных окислов железа. Железо является наиболее чутким индикатором практически любого вида человеческой деятельности.

В природе в естественном состоянии железо присутствует в почвах и глинах в виде немагнитных гидроокислов. Повседневная деятельность людей приводит и приводила к превращениям немагнитных окислов железа в магнитные и сильномагнитные. Подобные превращения происходили в почве также и в результате другого экзогенного процесса (т.е. с испусканием энергии) - гниения органических остатков, которые естественным образом накапливаются в местах проживания людей. Существует и еще один природный механизм увеличения магнитной восприимчивости верхнего слоя почвы - итог многократных смен теплого сухого и влажного холодного времён года. Частички верхнего почвенного слоя с годами сносятся ветром и водой во все существующие природные и искусственные углубления (ямы, канавы, рвы, колодцы и т.п.), накапливаются там и вызывают, таким образом, повышенную намагниченность их заполнения. Это даёт возможность обнаружения занесенных почвой углублений.

Метод магнитометрии в отличие от археологических исследований, является неразрушающим, что позволяет привлекать магнитометрию для создания кадастров археологических памятников и карт охранных историко-археологических зон. Сочетание результатов магнитометрических исследований всего археологического памятника с раскопками небольшой его части позволяет сохранить культурный слой для будущих более совершенных методов археологических исследований. Актуальность проведения магнитной разведки особенно возрастает при экстренных исследованиях территорий перед застройкой, там, где раскопки не запланированы или по каким-либо причинам затруднены или невозможны, а также в случаях, когда ни в рельефе местности, ни в растительности нет каких-либо признаков погребенных объектов или они находятся под угрозой исчезновения в силу природных и техногенных процессов. При невозможности проведения раскопок на всей территории в зоне строительства такая информация может оказаться единственным источником знаний о нераскопанной части памятника.

Предпосылками применения геофизических методов являются контрастность свойств объектов и среды, соотношение размеров объекта и глубины его залегания и уровень сигнала от объекта по сравнению с уровнем помех. У археологической геофизики есть два основных преимущества: обычно эти исследования столь детальны, что передвижение по площади осуществляется очень быстро и не требует транспорта, а проверки геофизических аномалий могут быть выполнены с небольшими затратами из-за их малых глубин. Без магнитометрии трудоемкость археологических раскопок велика, так как часто напоминает поиск иголки в стоге сена. Поэтому археологи очень заинтересованы в использовании магнитной разведки, чтобы заменить сплошные раскопки выборочными.

Для изучения археологических объектов магнитометрия может комплексироваться с многими геофизическими и близкими к ним методами дистанционных исследований: аэрофотосъемка, тепловая съемка, электроразведка, в том числе радарная съемка, гравиразведка, сейсморазведка и ядерно-физические методы.

Особенностью изучения «культурного слоя» мощностью от десятков сантиметров до нескольких метров является наличие переработанных грунтов с резко неоднородными физическими свойствами, высокого уровня как природных, так и особенно техногенных помех, а также вещественных загрязнений, обусловленных засоренностью мусором. Кроме того, физические свойства искомых объектов довольно резко меняются. Если к этому добавить неоднородность рельефа, то перед нами стоит сложная задача.

Но из-за малых глубин залегания искомых объектов выявленные аномалии нетрудно проверить, поэтому точность интерпретации должна быть высокой.

Магнитометрия позволяет, не разрушая объект, не только найти его (в благоприятном случае), но и получить о нем информацию без раскопок и дополнительных исследований и повреждений, и изучить его магнитные свойства, которые зачастую являются «магнитной памятью объекта».

В зависимости от окружающих условий и задач съемки, выбираются наиболее подходящие современные магнитометры.

ЯМР в поле Земли