Современные протонные и оверхаузеровские магнитометры для полярных геофизических исследований Cапунов В.А., Денисов А.Ю., Савельев Д.В. Лаборатория квантовой. - презентация

1 Современные протонные и оверхаузеровские магнитометры для полярных геофизических исследований Cапунов В.А., Денисов А.Ю., Савельев Д.В. Лаборатория квантовой магнитометрии им. Г.В. Скроцкого Уральский Федеральный Университет им. Б.Н. Ельцина Екатеринбург Применение абсолютных скалярных магнитометров (протонные, протонные оверхаузеровские и магнитометры с оптической накачкой) используются и неизбежно будут использоваться для геофизических исследований в полярных условиях, т.к. приборы основаны на квантовых принципах, а их функции преобразования определяются мировыми константами. Данные приборы измеряют по принципу действия модуль поля, а не компоненты в отличие от феррозондов, магниторезисторов и т.п., и даже квантовых СКВИД магнитометров, что значительно облегчает применение скалярных магнитометров в реальных условиях, хотя и снижает их информативность.

2 Принцип Тип прибора Страна фирма Абсолютная точность СКО теор. предел и достигнутое Цикл Энерго- потребле- ние Ресурс рабочего тела, датчика Протонный Асинхронное единичное измерение Асинхронное единичное измерение Синхронная поляризация для непрерывных изм. Синхронная поляризация для непрерывных изм. G856 США Geometriks GSM-19T Канада GEM MMП-203 Геологоразведка PM-2 Польша ИЗМИРАН разработка на базе ММП-203 ? 0,3 - 3 нТл Зависит от намагничен- ности датчика, релаксации Т2 (ширина ЯМР) исходя из S/N и точности кварца и мн. др пикоТл В зависимости от: тока поляризации тока поляризации цикличности цикличности обработки сигнала обработки сигнала конструкции датчика конструкции датчика плотности S/J плотности S/J 0,5 - 5 сек Асинхронный 0,2 - 5 сек Синхронная поляризация Вт Пиковая 0, Вт При повторя- ющихся единичных изм. Не ограничен С дозаливом маловязкие протононасыщен- ные жидкости: Спирты,Керосин, Гептан –Гексан Оверхаузеровский протонный Асинхронный Асинхронный Синхронный Синхронный Непрерывный сигнал Непрерывный сигнал GSM-19 Канада GEM MИНИМАГ Геологоразведка POS НИЛ КМ УрФУ LETI Франция 0,1 - 1 нТл Зависит от намагничен- ности датчика, релаксации Т2 (ширина ЯМР) исходя из S/N и точности кварца и мн. др пикоТл В зависимости от: цикличности цикличности энергопотребления энергопотребления обработки сигнала обработки сигнала конструкции датчика конструкции датчика плотности S/J плотности S/J 0,5 - 5 сек Асинхронный 0,2 - 5 сек Синхронная поляризация 0, сек Непрерывный сигнал Вт Пиковая 0, Вт Средняя с режимом молчания До 10 лет В зависимости от: температуры температуры типа рабочего вещества типа рабочего вещества способов вакуумирования способов вакуумирования Оптическая накачка Непрерывный сигнал 0,1- 10 нТл Точность и стабильность констант линий спектра 0, пикоТл При межцикловом осреднении 0,01 – 1 сек Огранечена только частотой Лармора Вт Прогрев Вт работа стартовый часов Непрерывной работы Основные параметры скалярных магнитометров

3 Спецификации НИЛ КМ УрФУ, ФГУ НПП Геологоразведка GEM System Канада Дилер в РФ Scintrex Ltd Канада-США Дилер в РФ Geometriсs США Дилер в РФ Тип технологии датчика и тип магнитометра Оверхаузер. протонный ЯМР POS - 1, 2, 4 Оверхаузер. протонный ЯМР МСПГ-1Оверхаузер. GSM 19 Оптическая накачка паров Калия,GSMP-40 Протонный ЯМР ЯМРENVIPRO Оптическая накачка паров Цезия, SM-5 ПротонныйЯМРG-856 Оптическая накачка паров Цезия, G-859 Разрядность изм., пикоТл , СКО,пикоТл (3 сек.) (1 сек.) (0,5 сек.) (2 сек) (3 сек) 40 (1 сек) ? (0.5 сек) 2,5 пТл/Гц ? по циклам 100 (0,5 сек.) 30 (3 сек.) 6 (0,1 сек) (3 сек) Нет быстрых циклов 20 (0.2 сек.) 10 (0.5 сек.) 8 (1.0 сек.) Точность, нТл* ,5 датчик ±0,2 0, ,05 С Быстродействие до 0,25 сек. 2 сек. 0,2 сек. 0,05-1 0,5-1-3 сек 0,1 3 сек. 0.2 сек Масса (2 канала) 4 канала 8 кг 11 кг 7 кг Нет 6 кг 8-15 кг с батареями 4,5 кг нет 5 кг Без батарей 4.5 кг 6-9 кг опции Энергопотребле ние, max - Вт 3-4Вт/канал 3-4 Вт/канал 2,8Вт/канал 50 Вт старт 12 Вт 20 С 7-10 Вт 15 Вт старт 10 Вт 10 Вт старт 5 Вт при 20 С Контроль качества Есть QMC в абсолютных единицах поля Нет Есть грубая оценка 0-9 балл НетНет Есть по итоговым изм. Нет Есть только по итоговым изм. НетНет Градиентоустой -чивость, нТ/м форсаж Время жизни датчика 10 лет 5 лет 3-5 лет 2000 часов ресурс Не ограничен с дозаливом 5000 часов ресурс Не ограничен с дозаливом 3000 часов ресурс Цена: 1 канал 2 канала 2 канала 4 канала 4 канала Дилер РФ ÷ 40% 330 т. р. 413 т.р. 700 ÷ 1000 т.руб. 700 ÷ 1000 т.руб. зависит от опций 220 т.р. 270 т.руб. нет USD USD >> USD Sea оption USD USD USD USDнет USD USD нет USD нет 8500 USD USD Нет USD НетНет Технико-экономическое сравнение коммерчески доступных магнитометров

4 Лучшие коммерчески доступные скалярные магнитометры Лучшие по технологии рейтинг Тип технологии датчика Комментарии GSM-19 T G-856 Протонный по методу Паккарда Вариана с регистрацией частоты Лармора протона. Используется для низкоточной наземной магниторазведки или при низкой квалификации операторов благодаря минимальной цене и высокой стабильности вещества (керосин). В России производство прекращено. POSGSM-19МИНИМАГ Оверхаузеровский магнитометр является аналогом протонного с Оверхаузеровским усилением сигнала ЯМР. Оптимальное соотношение цены/качество для высокоточной наземной и морской магниторазведке благодаря достаточно высокой чувствительности и градиентоустойчивости при низком энергопотреблении и весе. Достаточно стабильные рабочие вещества. Рекордная стабильность для POS основе растворов радикалов R7. Ремонт только заменой датчиков. GSMP-40 SM-5 G-859 Оптическая накачка паров щелочных металлов с регистрацией электронного эффекта Зеемана по оптическому каналу. Используется для аэромагниторазведки и оперативной археологии или UXO – детектирования благодаря наилучшим параметрам по чувствительности и быстродействию, несмотря на высокую цену, большое энергопотреблением и вес с учетом батарей питания, а также необходимостью замены датчиков при интенсивной эксплуатации с непрерывным подогревом датчиков. Рекордные результаты для технологии датчика на парах Калия – GSMP-40. Датчик разработан в России и предан GEM System ГОИ им. Вавилова с эксклюзивом для РФ.

5 POS магнитометр OEM Разрядность нТл СКО до 0.01 нТл Абсолютная точность до 0.1 нТл С 2009 г. внесен в реестр средств измерений РФ. Производится с 1997 г.

6 GPS опция POS магнитометра Предназначена для точной синхронизации начала сигнала прецессии до 10 мкс по OEM GPS-приемнику Trimble Lassen iQ Транзитный резервный SD card накопитель Регистратор DLPOS предназначен для полевых (пикет-маршрутных, GPS) наземных работ и вариационных измерений. Используется на контрольных пунктах и при магнитной очистке территории обсерваторий MMPOS-1 & 2 & …

7 Требования к полярному протонному магнитометру Анализ и выбор по существующим скалярным магнитометрам в достаточной степени неоднозначен и даже субъективен, поскольку весовые коэффициенты свойств поддаются только экспертной оценке в зависимости от условий и методики применений. Важнейший для полярных условий работы параметр надежности, по- видимому, однозначно диктует выбор в пользу протонного магнитометра. Естественно, хочется иметь остальные параметры также высокими. По- видимому, из этих соображений было составлено ТЗ по ГБ тендеру ААНИИ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ ПО ЛОТУ 1 Оснащение станций наблюдательной сети современными системами ………..., магнитометрической аппаратурой и системами накопления, подготовки и передачи цифровых магнитных данных Технические требования к прецизионному протонному магнитометру (ППМ) Технические требования к прецизионному протонному магнитометру (ППМ) Состав технической продукции Состав технической продукции Прецизионный протонный магнитометр – прибор, осуществляющий непрерывную регистрацию (с максимально возможной частотой дискретизации) …… в различных условиях эксплуатации, в том числе на труднодоступных полярных станциях при отсутствии регулярного обслуживания и проверки. Прецизионный протонный магнитометр – прибор, осуществляющий непрерывную регистрацию (с максимально возможной частотой дискретизации) …… в различных условиях эксплуатации, в том числе на труднодоступных полярных станциях при отсутствии регулярного обслуживания и проверки Должен быть реализован непрерывный режим работы прибора с предустанавливаемым шагом дискретности измерений 1 секунда Должен быть реализован непрерывный режим работы прибора с предустанавливаемым шагом дискретности измерений 1 секунда Установка конфигурации прибора должна осуществляется через последовательный коммуникационный порт Установка конфигурации прибора должна осуществляется через последовательный коммуникационный порт После выключения питания прибор должен сохранять все конфигурационные установки в энергонезависимой памяти После выключения питания прибор должен сохранять все конфигурационные установки в энергонезависимой памяти При подаче напряжения питания прибор должен автоматически переходить в рабочий режим непрерывных измерений При подаче напряжения питания прибор должен автоматически переходить в рабочий режим непрерывных измерений Для управления, конфигурации и регистрации данных должна быть реализована программа, работающая в операционной среде Windows Для управления, конфигурации и регистрации данных должна быть реализована программа, работающая в операционной среде Windows Программа должна обладать возможностью непрерывного сохранения данных на жесткий диск, и визуализации результатов измерений Программа должна обладать возможностью непрерывного сохранения данных на жесткий диск, и визуализации результатов измерений.

8 1 Диапазон измерения магнитного поля нТл Зачем 20000нТл? Величина протонного сигнала пропорциональна полю, значит требования ужесточаются более 2-х раз. 2Чувствительность 0,01 нТл СКО или P-to-P или подразумевалась отсутствующее требование по разрядности измерений? СКО не реализуемо при учете всех пунктов ТЗ. 3 Систематическая погрешность измерений не более 0,3 нТл Кто обеспечивает? ВНИИМ на Гос. Эталоне калибрует до 0,1нТл с утверждением до 0,5 нТл 4 Рабочий агент Керосин, Спирт Очевидно из соображений доступности, но они вязкие при -40°С и не обеспечат 3-сек цикл при необходимой длительности прецессии и для столь высокого СКО. 5 Частота непрерывных измерений 3-60сек. Очевидно, единичное изм. 3 сек., почему? Имеется резерв СКО как степень 3/2 длительности прецессии при обеспечении Т2. Ограничивает использование синхронной поляризации, улучшающей СКО. 7 Время установления рабочего режима, не более 3 сек Куда спешим? ТЗ исключает использование термостабилизированных прецизионных кварцев. 8 Установка рабочего диапазона измерений Автомати- ческая Реализуемо, но нет требований по динамическому и статическому параметрам и стартовым условиям. 9 Возможность поверки и регулировки частоты кварцевого генератора по сигналам приемника GPS с точностью, не хуже сек Каковы условия поверки, неужели без остановки измерений? Разумнее требовать синхронизации по 1-сек. импульсу GPS и поверку на эталонном генераторе. 12 Потребляемая мощность, не более 1Вт Наверное, скопировано с оверхаузеровского GSM-90L или без учета цикла – скважинности измерений, или мечта? 13 Диапазон рабочих температур -40 / +50°С Радует, что не -60°С, которые в принципе доступны. 14 Масса прибора (с датчиком), не более 5кг Почему? Написано под конкретный прибор без учета резервного аккумулятора? Повышение массы датчика дает резерв СКО. Нобеля получили за ЯМР с ведерным датчика на воде!......

9 Теоретическая проработка (инициативный НИОКР) на основе экспериментально проверенных методов показала ограниченную реализуемость ТЗ в рамках серийного POS-1 и возможность модернизации (НИОКР) на базе универсальным протонного и Оверхаузеровского датчика: Параметры Оверхаузер POS-1 Протонный POS-1 1 Диапазон измерения магнитного поля, нТл нТл нТл 2 Разрядность измерений, нТл 0,0010,001 3 Чувствительность, СКО, нТл 0,01 0,01 -0,02 4 Систематическая погрешность 0,3 нТл 0,5 нТл 5 Рабочий агент Сверхстабильный раствор нитроксильного радикала Керосин, гептан, гексан 6 Частота непрерывных измерений 0,5 - 60сек сек. 7 Поддержка обмена по последовательным портам RS-232,RS-232, 8 Время установления рабочего режима 3 сек 9 Установка рабочего диапазона измерений АвтоматическаяАвтоматическая 10 Возможность поверки и регулировки частоты кварцевого генератора по сигналам приемника GPS с точностью Синхронизация измерений по GPS- OEM приемнику с выдачей координат и UTC сек 12 Напряжение питания 12В, -1В / +3В 12В, -1В / +5В 13 Потребляемая мощность цикл измерений 3 сек. Потребляемая мощность цикл измерений 10 сек. 1-2 Вт 0,2-0,3 вТ 3-4Вт 0,6-1 вТ 14 Диапазон рабочих температур -10°С - +60°С -40°С - +50°С 15 Масса прибора (с датчиком) 2 кг 5кг 16 Режимы работы 1.Непрерывный, 2. По запросу с RS232 порта 1.Непрерывный,

10 Приполярные работы, вариации по MMPOS при – 35 град. С ПАНГЕЯ заказчик, ВСЕГЕИ - В. Кузнецов, 74 км. От МО ШАИМ Цена деления 0.5 нТл Цикл 3 и 1 сек. СКО = степень 3/2 цикла

11 Расчёт сигнала датчика S 0 = χω p LI ηθ Расчёт и обработка сигнала прецессии Оценка чувствительности T и, с SP LS IP SP – простой периодомер IP – внутрицикловый периодомер LS – метод наименьших квадратов dd

12 Расчет и Оптимизация Сигнала и СКО протонного датчика совмещенного с Оверхаузеровским датчиком Pполяризации = 10 Вт Т2relax = 1.5 сек для 3 сек. цикла с синхронной поляризацией Длина b полукатушки 50 мм Каркасы 2 мм Индуктивность 500 мГн А2 мм R Ом Q U S мкВ S/N СКО Протонник 4 Вт (ср. мощь.) СКО = нТл > Military Оверхаузер 1 Вт (ср. мощь.) СКО = 1.5 пикоТл >> Military

13 Что такое оптимальная оцифровка? Периодомер : Запуск таймера с фиксацией времени последнего периода и фиксацией или подсчетом числа периодов. Средний период рассчитывается по крайним точкам пересечения через «0». Если последний период утонул в шумах, то …«Швах». СКО определяется S/N первой и последней точек периодов прецессии – «голубой раструб» на рисунке. N интегральный шум, который уменьшается при сужении полосы регистрации, НО, это ограничено переходными процессами и точностью настройки на резонанс с появлением дополнительных погрешностей! ФАПЧ - попытка подстраивать резонанс усилителя или ГУН (упр. генератор) в процессе обработки. Лучший прибор этого типа – протонный ММП-203, где ФАПЧ с «быстрым – грубым» и «уточняющим» периодами настройки делали мастера НПО «Геологоразведка». Внутрицикловый МНК-периодомер: Запуск таймера с фиксацией времени части или всех периодов прецессии с вычислением среднего периода по МНК - метод наименьших квадратов, в соответствии с корреляционными свойствами шумов. СКО определяется S/J, т.е плотностью шума. Фактически работает множество простых МНК периодомеров параллельно по всем выборкам периодов прецессии – «красный пунктир» МНК на рисунке. «Почти» не требует, и даже «наоборот», сужения полосы – эффект широкополостности. Так работают GSM и POS. Так работают GSM и POS. Чем красивей сигнал прецессии на осциллографе, тем лучше? Умножить добротность? Сузить полосу до 0-ля? Применить супер-АЦП и Фурье процессор? ДА! Красиво, но НЕТ, т.к. есть оптимальная мат. обработка!

14 Cерийный POS-1 (Т 1 1 сек. при н.у.) задается концентрацией радикала в вакуумном объеме) показывает < 0.05 нТл при температурах до -30°С. Хорошая перспектива до -60°С при чувствительности до ,003 нТл. Вакуумирование и маловязкие жидкости с Т 10 = 7-10 сек при н.у. улучшают протонный датчик, но перспектива развития требует значительных усилий Вязкость жидкости η определяет время релаксации Т 10 η Т 10 /Т C (const) При низких температурах короткое Т 10 керосина на порядки ухудшает СКО протонных датчиков. Растущая растворимость парамагнитного кислорода также уменьшает Т 10 Полярная опция POS-1 магнитометра

15 Векторные абсолютные магнитометры на базе скалярного POS-1 GEM System dDdI+T GSM19 вариометр Расчёт соленоида Гаррета Обс. КЛЮЧИ г. Новосибирск Авт. С.Хомутов Метод коммутации подмагничивающего поля Чувствительность по Z Макет ZHT оверхаузеровского магнитометра с установкой вертикали соленоида Гаррета по жидкостным уровням.