Криогенные магнитометры

Криогенные, или сверхпроводящие (сверхпроводниковые) магнитометры основаны на взаимодействии сверхпроводящего устройства с внешним (измеряемым) магнитным полем. По международной технической терминологии криогенные магнитометры называются СКВИДами (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр»).

Само явление сверхпроводимости состоит в том, что у большинства групп металлов, а также сплавов при определенной очень низкой температуре электрическое сопротивление скачком обращается в ноль. Такая температура (Т_к) называется критической, и имеет для металлов значение несколько градусов Кельвина, а для сплавов – до 20 Кельвинов.

В 1987 году появились высокотемпературные (до 120 К) сверхпроводники на основе металлоксидной керамики.

Перевести металл в нормальное состояние можно не только путем повышения температуры до T_к, но и воздействуя на него сильным магнитным полем не менее критического В_к или пропуская через него больший ток I_к.

Значение В_к=0 при Т_к и растет с понижением температуры.

Массивные образцы сверхпроводников являются идеальными диамагентиками, т.е. магнитное поле почти полностью вытесняется из их объема (эффект Мейсснера). Проникая только в очень тонкий (10^-5 см) поверхностный слой.

Т.к.сопротивление проводника равно нулю, замкнутый сверхпроводниковый контур сохраняет магнитный поток через поверхностный слой неизменным (захват потока).

Величина захваченного потока всегда кратна некоторому определенному значению - кванту потока.

В теории и практике сверхпроводников имеет большое значение эффект Джозефсона или туннельный эффект в сверхпроводнике.

В отличие от обычного туннельного эффекта, когда часть электронов из одного обычного проводника может попадать в другой, отделенный от первого очень тонким слоем изолятора.

Эффект Джозефсона (стационарный) состоит в том, что между двумя сверхпроводниками возможно туннелирование так называемыми Куперовскими парами электронов при нулевой разности потенциалов между сверхпроводниками.

Существует также нестационарный эффект Джозефсона, состоящий в том, что если через контакт пропускаешь ток больше критического, то на контакте возникает падение напряжения и контакт излучает электромагнитные волны.

Куперовскими парами называют те электроны в сверхпроводнике, которые связаны попарно вследствие особенностей их импульсов и спинов.

Куперовские пары являются носителями сверхпроводимости.

Величина сверхпроводящего тока (i_c) через туннельный переход определяется уравнением Джосефсона:

i_c=I_k sin(φ + )

где I_k – критический ток;

φ – разность фаз Куперовских пар по обе стороны наконтакте;

e=1,6021892*10^-9 Кл;

U – электрическое напряжение на контакте;

- постоянная Планка.

Как следует из уравнения i_с ограничен значением I_k при U=0.

Ток I_k сильно зависит от внешнего магнитного поля.

В качестве магниточувствительного устройства криогенного магнитометра используется либо сверхпроводящий полый цилиндр, либо сверхпроводящее кольцо, либо сверхпроводящий трансформатор потока.

При помещении такого устройства во внешнее магнитное поле возникает индукционный ток, который будет полностью компенсировать до нуля или до целого числа квантов поток внешнего магнитного поля.

Измеряя этот ток можно определить внешнее магнитное поле (В) или его приращение, исходя из следующей зависимости:

i_c= (для цилиндра и кольца)

i_c= (для трансформатора)

где А – площадь поперечного сечения отверстия полого цилиндра или кольца, или площадь приемной обмотки трансформатора;

L, L₁, L₂ – индуктивности цилиндра или кольца, приемной и вторичной обмоток трансформатора соответственно.

Один из наиболее простых способов измерения постоянного или медленно изменяющегося тока в цилиндре, кольце и трансформаторе состоит в преобразовании его в переменное напряжение с помощью сверхпроводящего модулятора.

Переменное напряжение усиливается обычным малошумящим усилителем.

Существуют и другие способы реализации сверхпроводящих явлений для постройки криогенных магнитометров:

1) На основе интерференции сверхпроводящих токов (СКИ – сверхпроводящий квантовый интерферометр)

2) Измерение магнитного потока (СКИМП – сверхпроводящий квантовый измеритель магнитного потока)

Порог чувствительности криогенных магнитометров может достигать 10^-14 Тесл. или 10^-5 нТесл.

В настоящее время криогенные магнитометры еще мало применяются в магниторазведочной практике, из-за большой массы криостаты и трудностей технического обслуживания (доставка и заправка криогенными жидкостями), поэтому криогенные магнитометры пока используются в основном в лабораторных условиях для измерения слабых магнитных полей образцов горных пород и в отдельных случаях для аэромагнитной съемки.

Более широкое применение криогенные магнитометры нашли в электроразведке для измерения магнитных составляющих электромагнитных полей.

Высокая чувствительность открывает большие перспективы их использования в магниторазведке. В частности для измерения магнитной вариации и изучения тонкой структуры магнитного поля, связанной с осадочными породами.

13. Содержание геологической интерпретации. Приближенный характер задания поля: понятия «полезный сигнал», «помеха»; состав и природа помех в магнитном поле. Информативная сущность задач, решаемых магниторазведкой (задачи обнаружения, локализации, детального описания).

Интерпретация геофизических данных – это истолкование результатов геофизических исследований путем решения обратных геофизических задач с целью установления формы и положения геологических границ, прогнозирования вещественного состава и физического состояния горных пород.

Векторный характер намагниченности приводит к зависимости магнитной аномалии не только от формы тела, но и от направления намагниченности. В этой связи необходимо как можно лучше знать всю априорную информацию о районе исследований и изучаемом объекте.

Целенаправленность геологической интерпретации – это решение конкретной задачи, сущность которой формулируется в проекте работ.

Понятие полезного сигнала определяется масштабом и видом исследуемого объекта. Это может быть региональная часть поля (при картопостроении), поле создаваемое месторождением и т.д. Часть поля, создаваемая целевым объектом – это полезная аномалия или полезный сигнал. Все остальное – помеха. Выделение полезного сигнала одна из основных задач не только обработки материалов, но и методики съемки.

Помехи бывают двух основных видов: случайные и систематические. Случайные помехи – это такие значения поля, величина и знак которых не закономерно (случайно) изменяются в пределах полезной аномалии. Систематические помехи – значения поля, которые плавно меняются в пределах полезной аномалии.

Природа помех: аппаратурно-методические и геологические. Аппаратурно-методические помехи могут быть как случайными, так и систематическими. Случайные – ошибка оператора, сбой прибора и т.д. Систематические – недоучет вариаций, неверное определение цены деления прибора, сползание ноль-пункта, девиация, неверная методика съемки и т.д.

Девиация – это влияние магнитного поля судна или самолета на показания магнитометра при гидро- и аэросъемке.

Помехи геологической природы – магнитные аномалии, вызванные неоднородным намагничиванием верхней части разреза. Такие помехи имеют обычно случайный характер. Систематические (фоновые) помехи связаны с эффектом от глубоких или удаленных структур.

Соотношение помех и полезного сигнала лежит в основе классификации задач по их информативной сущности:

1) Задача обнаружения – есть объект или нет объекта, при плохом соотношение сигнал/шум.

2) Локализация объекта – где находится объект исследования. При среднем соотношении сигнал/шум.

3) Детальное описание объекта – при хорошем соотношении сигнал/шум.

Интерпретация бывает качественная (диагностическая) и количественная (параметрическая). Эти два вида не противопоставляются, а взаимно дополняют и обогащают друг друга.

Первым этапом интерпретации является качественная, которая заключается в следующем:

1) на основании изучения магнитных свойств пород устанавливаются наиболее вероятные геологические факторы, обуславливающие характер магнитного поля в данном районе.

2) По морфологическим признакам определяется плановое положение тех или иных структурных элементов.

3) Выделяются участки, требующие постановки детализационных работ или исследований другими геофизическими методами.

4) Обосновываются возможности количественной интерпретации.

При установлении источников магнитных аномалий учитываются характер строения осадочного чехла (наличие прослоев вулканогенных пород или слоев с повышенной магнитной восприимчивостью, различный литофациальный состав горизонтов и их обогащенность магнитными фракциями, возможности отражения в магнитном поле резких структурных форм и т.п.), рельеф, ориентировочная глубина залегания и внутреннее строение кристаллических пород, чаще всего являющихся причинами магнитных аномалий, оценивается возможность отражения в магнитном поле особенностей строения земной коры.

При изучении рудных полей особое внимание должно быть уделено специфическим особенностям минерализованных зон (величина и направление намагниченности), их простиранию в массиве рудного тела, генезису магнитности и т.п.

Местоположение и простирание магнитных объектов устанавливается по виду и проктиранию магнитных аномалий по карте изолиний магнитного поля или по корреляции характерных особенностей графиков магнитного поля (по величине и форме экстремума).

Иногда качественная интерпретация определяет вещественный состав пород.

Следующий этап интерпретации – количественное истолкование полученных материалов, при котором путем математических расчетов определяются глубина залегания, форма, размеры, намагниченность геологических объектов, вызывающих данную аномалию.

Т.к. предпосылки, учитываемые при интерпретации, как количественной, так и качественной, всегда задаются с погрешностями, то и результаты интерпретации магнитных и любых геологических и геофизических данных носят не абсолютный, а условно вероятностный смысл. Практически это значит, что картина геологического строения района исследования, составленная по геофизицческим данным, представляет собой одно из возможных приближений в действительности, но не исключает с некоторой вероятностью возможности других решений.