مغناطیس سنج های Proton Precession
از مغناطیس سنج های Proton Precession برای کاوش های مغناطیسی زمین مبنا استفاده می شود. سیستم این سنجنده ها بر اساس حرکت تقدیمی پروتون های آزاد که ناشی از حضور یک میدان مغناطیسی خارجی است، طراحی شده است.
سنجنده های Proton Precession یکی از انواع سیستم های مغناطیس سنج هستند که در آنها از اصول فیزیک هسته ای برای اندازه گیری میدان مغناطیسی زمین استفاده می شود. هزینه پایین و سرعت برداشت مناسب مغناطیس سنج های Proton Precession، این سنجنده ها را به گزینه ای مناسب برای کاوش های مغناطیسی زمین مبنا تبدیل کرده است.
اندازه گیری میدان مغناطیسی با استفاده از مغناطیس سنج های Proton Precession
نحوه طراحی سیستم مغناطیس سنج های Proton Precession بدین صورت است که در آنها با اندازه گیری فرکانس زاویه ای حرکت تقدیمی پروتون آزاد (یون هیدروژن مثبت: H+) در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی و نسبت دادن این فرکانس زاویه ای به شدت میدان، میدان مغناطیسی زمین اندازه گیری می شود.
مدار الکترونیکی مورد استفاده در مغناطیس سنج های Proton Precession برای ردیابی سیگنال حرکت تقدیمی پروتون آزاد در حضور میدان مغناطیسی محیط اطراف
نحوه طراحی سیستم مغناطیس سنج های Proton Precession بدین صورت است که در آنها با اندازه گیری فرکانس زاویه ای حرکت تقدیمی پروتون آزاد (یون هیدروژن مثبت: H+) در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی و نسبت دادن این فرکانس زاویه ای به شدت میدان، میدان مغناطیسی زمین اندازه گیری می شود.
بنا بر اصل فیزیکی رقص محوری لارمور، پروتون آزاد در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی شروع به چرخش حول این میدان می کند و هر چه شدت میدان مغناطیسی خارجی بیشتر باشد، فرکانس زاویه ای حرکت تقدیمی پروتون آزاد نیز بالاتر خواهد بود. در مغناطیس سنج های Proton Precession برای تولید سیگنال های حرکت تقدیمی پروتون آزاد، یک رشته سیم به دور یک سنسور سیلندری شکل پیچانده می شود. با عبور دادن یک جریان مستقیم از این سیم پیچ، یک میدان مغناطیسی القایی در جهت عمود بر میدان مغناطیسی خارجی )که در اینجا همان میدان مغناطیسی زمین است( تولید می شود. از آنجا که سیلندر سیم پیچ شده حاوی مایعی با مقادیر بالایی از هیدروژن (مثل آب یا الکل) است، میدان مغناطیسی القایی باعث پلاریزه شدن اتم های هیدروژن و در نتیجه، تولید پروتون های آزاد می گردد. در ادامه، جریان مستقیم قطع شده و به موجب آن میدان مغناطیسی القایی از بین می رود که در نتیجه آن، پروتون های آزاد به سمت تنها میدان مغناطیسی موجود در محیط یعنی میدان مغناطیسی زمین متمایل می شوند و شروع به چرخیدن حول آن می کنند. در این شرایط، حرکت تقدیمی پروتون های آزاد تنها ناشی از میدان مغناطیسی زمین خواهد بود که با اندازه گیری فرکانس این حرکت می توان شدت میدان ژئومغناطیس را اندازه گیری نمود.
سیلندر سیم پیچ شده برای تولید میدان مغناطیسی القایی در مغناطیس سنج های Proton Precession
فرکانس حرکت تقدیمی پروتون های آزاد را می توان با استفاده از یک ردیاب سیگنال اندازه گیری کرد. در ساده ترین حالت، فرکانس حرکت تقدیمی با شمردن تعداد سیکلها در یک دوره تناوب مشخص توسط ردیاب سیگنال اندازه گیری می شود. اگر پروتون های آزاد در درون یک میدان مغناطیسی با شدت ۵۰۰۰۰ نانو تسلا با فرکانسی معادل ۲ کیلو هرتز قرار گیرد، در این صورت برای انجام هر اندازه گیری به مدت زمانی معادل ۲۵ ثانیه نیاز است که این مدت زمان، یک مدت زمان بسیار طولانی محسوب می شود. یک راه حل قدیمی برای حل این مشکل، مقایسه سیگنال حرکت تقدیمی با فرکانس یک اسیلاتور (Oscillator) است که در مضرب صحیحی از فرکانس حرکت تقدیمی پروتون آزاد قفل شده باشد. این راه حل موجب دستیابی به دقتی در حد ۵۰۰۰۰/۱ در دوره تناوبی کمتر از یک ثانیه می شود.
در مغناطیس سنج های Proton Precession مدت زمانی کمتر از ۲ ثانیه طول می کشد تا پروتون ها پلاریزه شوند و پس از آن فرکانس های حرکت تقدیمی اندازه گیری می شوند. به همین دلیل، قرائت های فرکانس در این مغناطیس سنج ها به صورت گسسته انجام می گیرند. تفاوت اندازهگیری های گسسته و پیوسته در این است که در اندازهگیری های گسسته یک پلاریزاسیون اولیه صورت می گیرد و پس از آن فرکانس اندازه گیری می شود و سپس این سیکل تکرار می گردد، در حالی که در اندازه گیری های پیوسته، اندازه گیری های فرکانس هم زمان با پلاریزه شدن اتم ها انجام می شود.
فرکانس حرکت تقدیمی پروتون های آزاد را می توان با استفاده از یک ردیاب سیگنال اندازه گیری کرد. در ساده ترین حالت، فرکانس حرکت تقدیمی با شمردن تعداد سیکلها در یک دوره تناوب مشخص توسط ردیاب سیگنال اندازه گیری می شود.
اجزای اصلی تشکیل دهنده سیستم مغناطیس سنج های Proton Precession
در مغناطیس سنج های Proton Precession مدت زمانی کمتر از ۲ ثانیه طول می کشد تا پروتون ها پلاریزه شوند و پس از آن فرکانس های حرکت تقدیمی اندازه گیری می شوند. به همین دلیل، قرائت های فرکانس در این مغناطیس سنج ها به صورت گسسته انجام می گیرند.
مراجع:
