Соберите магнитометр своими руками из пары баночек для специй

При проведении МРТ-сканирования используется явление под названием «ядерный магнитный резонанс» (ЯМР). Определённые виды атомных ядер, в том числе ядра атомов водорода в молекуле воды, могут колебаться в магнитном поле, и эти колебания можно обнаружить с помощью проволочных катушек. МРТ-сканеры используют интенсивные магнитные поля, которые создают резонанс с частотой от десятков до сотен мегагерц. Однако другой прибор, использующий на ЯМР, использует колебания с гораздо более низкой частотой: магнитометр протонной прецессии, который часто используется для измерения магнитного поля Земли.

Магнитометры протонной прецессии существуют уже несколько десятилетий и когда-то часто использовались в археологии и разведке полезных ископаемых. Высококлассные модели могут стоить тысячи долларов. Затем, в 2022 году, немецкий инженер Александр Мамм разработал очень простую схему для упрощённой модели. Недавно я собрал его по этой схеме и могу подтвердить, что с помощью менее полукилограмма магнитного провода AWG 22, двух обычных интегральных схем, полевого транзистора с металлооксидным полупроводником (MOSFET), нескольких дискретных компонентов и двух пустых 113-граммовых баночек из-под приправы Morton можно очень точно измерить магнитное поле Земли.

Как и МРТ-сканер, магнитометр протонной прецессии измеряет колебания ядер водорода, то есть протонов. Как и другие субатомные частицы, протоны обладают квантовым свойством, спином, сродни классическому угловому моменту. В магнитном поле протоны колеблются, как волчки, а их оси вращения образуют конус — явление, называемое прецессией. Протонный прецессионный магнитометр заставляет многие протоны колебаться синхронно, а затем измеряет частоту их колебаний, которая пропорциональна интенсивности окружающего магнитного поля.

Слабая сила магнитного поля Земли (по крайней мере, по сравнению с магнитным полем аппарата МРТ) означает, что протонные колебания под его воздействием происходят на аудиочастотах. При достаточном количестве синхронных колебаний вращающиеся протоны индуцируют напряжение в расположенной поблизости катушке-датчике. Усилив его и пропустив через наушники, можно получить звуковой сигнал. Таким образом, с помощью подходящей схемы можно буквально услышать протоны.

Первый шаг — изготовить катушки, для чего понадобятся банки из-под приправы Morton. Почему именно приправа Morton? По двум причинам. Во-первых, банки такого размера позволяют намотать на каждую из них около 500 витков проволоки диаметром AWG 22 и весом около 450 граммов. Во-вторых, банки имеют небольшие выступы на обоих концах, что делает их идеальными для изготовления катушек.

Почему две банки и две катушки? Это нужно для подавления электромагнитных помех, в основном исходящих от линий электропередач, которые неизменно улавливаются катушками. Когда две противоположно намотанные катушки соединены последовательно, такие внешние помехи, как правило, гасятся. Однако сигналы от прецессирующих протонов в двух катушках будут усиливать друг друга.

Протонный магнитометр имеет три режима работы. Первый режим предназначен для пропускания постоянного тока через катушки. Второй режим отключает источник тока и позволяет созданному им магнитному полю исчезнуть. Третий режим — режим прослушивания, в котором катушки подключаются к чувствительному аудиоусилителю. Заполнив каждую банку дистиллированной водой и пропустив через эти катушки постоянный ток (несколько ампер), вы выравниваете спины множества протонов в воде. Затем, переведя схему в режим прослушивания, вы используете катушки для обнаружения синхронных колебаний колеблющихся протонов.

Схема Мамма переключается с одного режима на другой самым простым способом: с помощью трёхпозиционного переключателя. Одно положение включает режим постоянной поляризации. Следующее положение позволяет разрушить магнитное поле, созданное во время поляризации, а третье положение предназначено для прослушивания.

Предотвращение повреждающих искр

Второй режим может показаться простым в реализации — достаточно просто отсоединить катушки, верно? Но если вы это сделаете, тот же принцип, который заставляет искрить свечи зажигания, приведёт к появлению повреждающего высокого напряжения на контактах переключателя, когда магнитные поля вокруг катушек разрушатся.

Чтобы этого избежать, в схеме Мамма используется MOSFET, подключённый так, чтобы работать как высокомощный диод Зенера, или полупроводниковый стабилитрон, который применяется во многих схемах регулирования мощности, чтобы пропускать только ток, превышающий заданное пороговое напряжение. Это ограничивает напряжение, которое возникает на катушках при отключении тока, настолько, что магнитометр может быстро перейти из режима поляризации в режим прослушивания, безо всяких повреждений.

Чтобы уловить сильный сигнал, схема прослушивания также должна быть настроена на резонанс с ожидаемой частотой прецессии протонов, которая будет зависеть от магнитного поля Земли в вашем местоположении. Вы можете приблизительно рассчитать его с помощью онлайн-калькулятора геомагнитного поля. Вы получите напряжённость поля, а затем умножите её на гиромагнитное отношение протонов (42,577 МГц на тесла). Для меня это составило около 2 килогерц. Оценив индуктивность катушек по их диаметру и количеству витков, я затем выбрал конденсатор подходящего значения, соединённый параллельно с катушками, чтобы создать резонансную цепь, резонирующую на этой частоте.

Вы можете настроить контур резонанса с помощью генератора частоты и осциллографа. Или, как предлагает Мамм, подключить небольшой динамик к выходу схемы. Затем поднесите динамик к катушкам датчика. Это создаст магнитную обратную связь, и схема начнёт самостоятельно колебаться — очень громко! Вам нужно просто измерить частоту этого тона, а затем отрегулировать конденсатор резонанса, чтобы привести эту самовозбуждающуюся колебания к частоте, на которую вы хотите настроиться.

Моя первая попытка прослушать протоны не полностью увенчалась успехом: иногда я слышал звук, иногда нет. Что помогло заставить это устройство работать стабильно, так это понимание того, что протонные магнитометры не переносят больших градиентов магнитного поля. Поэтому не пытайтесь делать это в помещении или вблизи предметов, содержащих железо: водопроводных труб, автомобилей или даже земли. Лучше всего подходит открытое пространство на улице, где катушки можно поднять над землёй. Что ещё помогло, так это применение большего усиления в режиме поляризации. Хотя 12-вольтовая батарея работает нормально, 36 В работает намного лучше.

После того, как я понял всё это, теперь я могу легко слышать протоны. Эти звуки явно издают протоны, потому что они исчезают, если я сливаю воду из банок. И с помощью бесплатного программного обеспечения для анализа звука под названием Spectrum Lab я подтвердил, что частота этих тонов соответствует магнитному полю в моём местоположении с точностью до 1 процента. Хотя это и не практичный полевой прибор, магнитометр протонной прецессии любого типа за менее чем 100 долларов США — это вам не ерунда какая-нибудь.