Квантовый протонный магнетометр представляет из себя датчик-ампулу с диамагнитной жидкостью, молекулы которой содержат атомы водорода (например, воду или бензол). Магнитные моменты молекул обусловлены только магнитными моментами ядер атомов водорода – протонами. Принцип работы основан на явлении прецессии протона в магнитном поле. Если протон помещен во внешнее магнитное поле, из-за своего собственного магнитного момента он испытает магнитный вращающий момент. Поскольку он также имеет угловой момент, этот магнитный вращающий момент приведет протон к прецессии – она называется «ларморовской прецессией», и ее уровень зависит от величины внешнего магнитного поля. По частоте  прецессии определяется измеряемое магнитное поле Н из соотношения

Магнитное поле Земли имеет величину индукции примерно 50 мкТ. Наименьшее значение магнитной индукции на экваторе, наибольшее на полюсах. Кроме этого, величина магнитной индукции земного поля зависит от солнечной активности, времени суток, залежей полезных ископаемых и многих других факторов.

В датчике ядерно-прецессионного магнитометра, протоны намагничивают (то есть, выстраивают их магнитные моменты в одном направлении) с помощью внешнего магнитного поля возбуждения, формируемого, например, соленоидом, а затем максимально быстро отключают внешнее поле. Протоны перестраиваются в направлении магнитного поля Земли и при этом все синфазно «прецессируют», вызывая напряжение с частотой Ларморовой прецессии, которая может быть измерена и использоваться для вычисления величины окружающего магнитного поля. Тот же самый соленоид, после отключения возбуждающего поля, действует как катушка датчика и подключен к чувствительному усилителю для усиления напряжения прецессии. Вызванное напряжение протонной прецессии имеет порядок микровольт.

Поскольку прецессия протонов будет впоследствии рандомизироваться тепловыми столкновениями протонов, то полезный сигнал уменьшается по экспоненте со временем. Время зависит от специфики используемого вещества и может изменятся от одной до нескольких секунд. Для другого измерения процесс необходимо повторить.

Наиболее простая конфигурация датчика – многовитковый соленоид, содержащий внутри вещество, богатое протонами – дистиллированная вода, керосин, бензин, дизельное топливо, органические спирты. Большинство протонных магнитометров имеют соленоидальные датчики . Эта конфигурация имеет одно преимущество и несколько больших недостатков. Преимущество – датчик легко изготовить. Первый недостаток - датчик является чувствительным к внешним переменным магнитным полям. Поле промышленной частоты 50 гц вызовет напряжение, которое может быть намного больше, чем полезное напряжение прецессии. Во-вторых, соленоидальный датчик чувствителен к ориентации в магнитном поле Земли. Если поле поляризации (по оси соленоида), сонаправлено с измеряемым внешним полем, то полезное напряжение будет равно нулю. Это означает, что пользователь должен всегда убедиться в правильной ориентации соленоида для корректного измерения.

Для устранения этих недостатков применяют тороидальные датчики. Первое - тороидальная катушка – не чувствительна к внешним переменным 'шумовым' магнитным полям. Во-вторых, тороидальная конфигурация почти не чувствительна к ориентации. Если внешнее измеряемое магнитное поле ориентируется в наименее чувствительном направлении (в плоскости тороида), вызванное полезное напряжение только в два раза меньше, чем полезное напряжение при самой чувствительной ориентации (внешнее поле направлено по оси тороида). Сигнал никогда не уменьшается до нуля. Единственное неудобство тороида – это трудоемкая намотка.

Протонный магнитометр работает в двух основных режимах:

* первый из них - режим поляризации, при котором рабочее вещество подвергается воздействию сильного магнитного поля, чтобы намагнитить (то есть, выстроить в линию) протоны.

* Второй режим - фактическое измерение частоты прецессии для определения величины магнитного поля.

В обоих режимах используется та же самую обмотка, как для поляризации электромагнита так и для датчика напряжения прецессии.

Основная величина, которая будет измерена - частота прецессии протонов. Это переменное напряжение диапазона звуковых частот на выходе датчика. Это напряжение составляет от долей до единиц микровольт и должно быть усилено. Очевидно, что усилитель должен иметь низко шумовой фактор. Частота прецессии должна быть измерена настолько точно - насколько возможно. Чем точнее измерена частота прецессии, тем точнее будет определена величина магнитного поля. Так как сигнал распадается по экспоненте со временем - период измерения ограничен. При уменьшении амплитуды сигнала отношение сигнал-шум ухудшается. При постройке магнитометра необходимо учитывать все эти факторы. В магнитометре, мы хотим измерить абсолютную величину магнитного поля. При использовании современных микроконтроллеров преобразование частоты прецессии протонов в величину индукции магнитного поля по вышеприведенной формуле легко решается.

 

Протонные квантовые магнитометры применяют для геофизических исследований (в обсерваториях, на море, при аэромагнитных и спутниковых измерениях, для решения задач вулканологии и археологии и др.). Их достоинства: абсолютность измерений, высокая стабильность коэффициента преобразования поле – частота и независимость его от внешних условий: высокая точность измерения частоты, превосходящая точность измерения др. физических величин. Недостатки: малая величина сигнала, невозможность непрерывного режима работы, значительная погрешность при поворотах прибора.

Блок-схема одного из возможных вариантов реализации квантового протонного магнитометра приведена на рис.1.

Рассмотрим принцип работы данного устройства.
Цикл одного измерения магнитного поля состоит из следующих этапов:
1. Поляризация.
С Модуля микроконтроллера формируется Управляющий импульс 1 и приводит к замыканию Коммутатора К1 (далее просто К1), при этом Коммутатор К2 (далее К2) находится в разомкнутом состоянии. Через Датчик начинает протекать постоянный ток поляризации. Величина этого тока зависит от активного сопротивления датчика и составляет обычно от нескольких сот мА до нескольких А. Под воздействием созданного этим током электромагнитного поля в рабочем веществе Датчика (Подробнее строение Датчика рассмотрим позднее, а в общем он представляет собой катушку индуктивности соленоидального, тороидального или смешанного типа, в качестве "сердечника" которой выступает "рабочее вещество" - жидкость или газ, содержащее свободные протоны; часто используют дистиллированную воду, бензин, керосин или, что может быть особенно полезно в полевых условиях, спирт :) свободные протоны "выстраиваются" согласно линиям напряженности поля.
2. Подавление переходного процесса.
К1 размыкается, К2, как и ранее находится в разомкнутом состоянии. Этот этап при ряде условий можно было бы и не выделять отдельно, но индуктивность Датчика может быть достаточно высокой (от нескольких десятков до нескольких сотен мГн) и момент размыкания К1 может представлять опасность для высокочувствительного Малошумящего входного усилителя.
3. Усиление сигнала с Датчика, фильтрация, преобразование в "удобочитаемую" для микроконтроллера форму, измерение частоты и перевод в нанотеслы с последующим отображением на дисплее.
4. К1 разомкнут, К2 замкнут. При отключении поляризационного тока свободные протоны начинают перестраиваться под воздействием магнитного поля Земли и при этом совершают колебательные движения, вызывая появление на датчике напряжения с частотой, прямо пропорциональной напряженности магнитного поля. Коэффициент пропорциональности равен 23,4872 нТл/Гц, т.е. при возникновении на Датчике напряжения с частотой 2000 Гц напряженность магнитного поля равна 2000*23,4872=46974 нТл.
Сложность заключается в том, что величина напряжения лежит в диапазоне 0,5-2 мкВ (при разумных размере датчика, его индуктивности, токе поляризации и объеме рабочего вещества) и стремительно падает по экспоненциальному закону до нуля за очень небольшой промежуток времени (примерно 0,7с для керосина, 2,5-3с для дисциллированной воды).
Для получения приемлемого соотношения сигнал/шум мы должны за время около 0,3-0,4с измерить частоту напряжения (грубо для наших целей лежащую в диапазоне 1000-3000Гц) с точностью до сотых долей Гц (разрешение прибора при этом составит примерно 1 нТл).
Методы расчета и построения датчика, а также возможный метод измерения частоты с заданной точностью мы рассмотрим далее. Фильтр нужен для подавления шумовых составляющих сигнала, лежащих вне рабочего диапазона, Компаратор или триггер Шмитта - для увеличения крутизны фронтов сигнала и преобразования его в "удобочитаемую" для микроконтроллера форму (можно, конечно, использовать для этих целей и встроенный компаратор микроконтроллера).