3   oldal
 

8. Mágneses mérések és műszereik

A kőzetek remanens mágnesezettségét (ún. rock magnetométerrel) laboratóriumi körülmények között mérik, ahol az indukált és a remanens mágnesezettség szétválasztása fontos feladat.

A mágneses szuszceptibilitás értéke kis mágneses térerősség mellett jelent hasznos információt a terepi mágneses mérések tervezéséhez és azok értelmezéséhez. A mérési területen előforduló kőzetek mágneses szuszceptibilitásának ismerete azért fontos, hogy eldöntsük a kőzetek mágneses módszerrel való kutathatóságát. Váltóáramú rezgőkörök elvét alkalmazó eljárásoknál a rezonancia frekvencia megváltozásának mértékéből lehet következtetni a minta szuszceptibilitására. A mágneses szuszceptibilitás mérésének terepi és fúrólyukbeli változata is van.

A terepi mágneses mérések tervezésekor alapvető szempont, hogy a mérési állomások közti távolság kisebb legyen mint a ható mélységének a fele.

A mágneses térerősség komponenseket korábban terepmérleggel (vagy variométerrel) mérték. A mérendő komponens irányától függően választották meg a lengő-rendszer felfüggesztését és annak tájolását.

Ugyancsak a mágneses tér különböző komponenseinek mérésére alkalmas a telített magos (vagy flux-gate) magnetométer. Egyes anyagok – pl. mumetál, permalloy- már relatíve kis mágneses térerősség mellett mágnesesen telítődnek. A telített magos magnetométereknél ilyen tulajdonságú anyagot használnak fel a mágneses tér mérésére. Működésük alapja, hogy a magnetométerben két, azonos anyagú (pl. permalloy), azonos geometriájú ferritmagot azonos menetszámú, de a magokon ellentétesen tekercselve hangfrekvenciás térrel gerjesztenek. Amennyiben nincs külső mágneses tér, a szekunder oldalon nincs kimenő feszültség. Ha külső tér van, akkor a gerjesztés munkapontja eltolódik és a kimenő (szekunder) feszültség arányos a magok tengelyével párhuzamos mágneses tér komponenssel. Az ilyen műszerek pontossága 1 nT. Ha a mágneses teret vektoriálisan kell meghatározni, akkor három, egymásra merőleges tengelyű flux-gate magnetométert kell alkalmazni. Pl. a CHAMP műholdon is három, egymásra merőleges flux-gate magnetométert helyeztek el, hogy a mágneses tér nagysága mellett annak irányát is meg lehessen mérni.

A protonprecessziós magnetométerekkel egy nagyságrenddel pontosabb mérést lehet végezni mint a flux-gate magnetométerrel. Működésük alapja a protonok –pontosabban a protonoknak, mint spinnel rendelkező részecskékhez tartozó mágneses dipólmomentumok - precessziója, melynek frekvenciája a földi mágneses tér abszolút értékétől --függ. A 2.12. ábra fotójával a mérés kivitelezhetőségének egyszerűségét kívánjuk szemléltetni.




2.12. ábra: Kép egy protonprecessziós magnetométeres mérésről




2.13. ábra: A protonprecessziós magnetométer működésének illusztrálása

A protonokhoz kapcsolódó mágneses momentumok a mérőedény folyadékjában a földi térrel paralel v. antiparalel helyzetben vannak a gerjesztés nélküli esetben, mint ahogy az a 2.13.(a) ábra részén látható. A tartályt körülvevő tekercsbe egyenáramot vezetve a mágneses momentumok a gerjesztés hatására a mágnesező tekercs belsejében jelentkező mágneses tér irányába állnak be, ugyanis a gerjesztő tér több mint százszor nagyobb mint a földi mágneses tér 2.13.(b). A gerjesztő áram kikapcsolását követően a mágneses momentumok a földi mágneses tér körül precesszálnak 2.13.(c). Ez a protonprecesszió feszültséget indukál a tekercsben, és ennek a jelnek kell a frekvenciáját mérni. A precesszálási frekvencia lineárisan arányos a földi totális mágneses térerősség abszolút értékével (jelölése az ábán Bt, amit az 5. fejezetben-el jelöltünk), a műszer ez utóbbi értéket jelzi ki. A fentiekből következik, hogy a mágneses tér meghatározásának pontossága a frekvencia mérésének pontosságától függ. A frekvencia és a totális térerősség abszolút értékének kapcsolata a mérési pontban:

A képletben a proton giromágneses aránya.

A proton-precessziós magnetométer továbbfejlesztett változata az Overhauser-magnetométer. A pontosság itt 1 nagyságrenddel jobb, mint a hagyományos proton-precessziós magnetométerek esetében. Velük ellentétben nem egyenáramú, hanem rádiófrekvenciás gerjesztést alkalmaznak a protonokhoz tartozó mágneses momentumok közvetett polarizációjára. Az RF gerjesztés (kb. 60MHz) következtében a folyadékban lévő betöltetlen héjon elhelyezkedő elektronok gerjesztett állapotba kerülnek. Fölös energiájukat a hidrogén atommagoknak átadva a protonok spin állapota megváltozik a folyadék jóval erősebb polarizációját eredményezve a hagyományos proton-magnetométerhez képest. Az ilyen műszerekkel nemcsak szakaszosan, hanem folyamatosan is lehet mérni.

Az elektronhéj magnetométerek még pontosabb méréseket tesznek lehetővé. Alkáli-gőz magnetométernek is nevezik őket, mert rubídium-, cézium- vagy káliumgőzt tartalmaz érzékelő részük. Működésük az optikai pumpálás jelenségén alapszik. Folyamatosan is működtethetők, pontosságuk 0,01nT.

A mágneses gradiens mérésnél általában a mágneses tér függőleges vagy vízszintes gradiensét mérik úgy, hogy két érzékelőt alkalmaznak, a megfelelő műszerleolvasási értékek különbségét a műszer normálja az érzékelők közti távolságra. A mérést két szenzoros flux-gate, protonprecessziós vagy elektronhéj magnetométerrel végzik el. Felszínközeli nagyobb anomáliák esetén a gradiens mérés eredményes lehet egyetlen magnetométer alkalmazásával is, ilyenkor a szenzor helyének megfelelő változtatásával végezzük el az egymást közvetlenül követő méréseket. A mágneses gradiens mérés célja a felszín közeli mágneses inhomogenitások lehatárolása. A mérés előnye, hogy a mért fizikai mennyiségben a regionális hatás és a mérés során jelentkező időbeli változás nincs, vagy alig van jelen.




Copyright ©  Pethő Gábor, Vass Péter,  2011

A tananyag kifejlesztése a TÁMOP 4.1.2-08/1/A-2009-0033 pályázat keretében valósult meg.