Practical Electronics Oct. 1970. Copuringht @ Wirnbourne Publishing

Протонный магнитомер Лесли Хуггарда.

Археологи, частные искатели кладов и сокровищ, водолазы - искатели затонувших ценностей - все они имеют одну и ту же общую проблему. А заключается эта проблема в том, что всем им необходимо знать, где начать свои поиски, чтобы обнаружить искомое с большой степенью вероятности. Для решения этой проблемы был создан представленный в данной статье протонный магнитометр. В основе данной конструкции лежат открытия в области ядерно-магнитного резонанса, которые впервые были опубликованы в 1946 году. В данной конструкции особенное внимание следует уделить настройке усилителя с высоким коэффициентом усиления, но эти мучения с лихвой окупятся возможностью использования в приборе общедоступных радиокомпонентов и, позволят применить в конструкции экзотический для ядерной физики материал - дистиллированную воду. Если говорить в общем, то магнитометр измеряет напряжённость магнитного поля земли в двух разных точках, и эти измерения должны давать одинаковый результат. При наличии некоторых отличий в показаниях напряженности магнитного поля, прибор тут же подаёт звуковой сигнал, а стрелка встроенного микроамперметра отклоняется на угол, пропорциональный величине этой разницы. Напряженность магнитного поля земли обычно одинакова во всех точках измерения, но она легко может измениться под влиянием наличия в земле залежей металлов, или кучи металлолома. Отсюда следует, что магнитометр может применяться только для поиска залежей металлов или металл содержащих структур. Предлагаемая Вашему вниманию конструкция, способна обнаружить металлический предмет массой в один фунт на расстоянии 4 - 5 футов от одного из датчиков. Естественно, если масса металла будет больше, то и обнаружена она будет на гораздо большем расстоянии от датчика прибора. К примеру, двенадцатифутовая водопроводная труба диаметром три дюйма, была обнаружена прибором на глубине 12 футов. Однако, довольно затруднительно представлять реальные эксплуатационные показатели прибора, поскольку очень многое зависит от сплава металла, ориентации металлосодержащего предмета относительно датчика, минерального состава почвы, её плотности. Эксперимент - вот что даст Вам ответы на все Ваши вопросы. Высокая чувствительность к малейшему изменению магнитного поля земли, подразумевает ещё и то, что Вы не сможете использовать прибор в местности, где напряжённость этого поля постоянно меняется - например, в городе, вблизи линий электропередач, вблизи зданий. ПРИНЦИПЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ, ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ РАБОТЫ ПРИБОРА. Вспомним те знания об атомах, которые мы получили в школе на примере атома водорода. Он состоит из одного протона, вокруг которого вращается один орбитальный электрон. При вращении, орбитальный электрон создает магнитное поле, направление которого определяется так же как в проводе, по которому течет электрический ток (правило буравчика). Для более полного понимания смотри рисунок 1. Протон, дающий основную массу атому водорода, так же вращается в центре орбиты электрона, действует подобно своеобразному магнитному гироскопу, магнитные полюса которого находятся на осях его вращения. Такие гироскопы, будут срабатывать не от механического воздействия, а от изменения внешнего магнитного поля. В случае рассматриваемого нами атома водорода, ось вращения его протона будет колебаться под действием магнитного поля земли (разумеется в том случае, если оно окажется единственным магнитным полем, действующем на него).

Посмотрите на рисунок 2. Частота колебаний будет пропорциональна силе магнитного поля и равняется v = kB где v-частота колебаний k=4,26х10 3 Hz константа для водорода B-интенсивность магнитного поля. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИСТИЛЛИРОВАННОЙ ВОДЫ. Допустим, на небольшие пластиковые бутылочки, в которые налита дистиллированная вода, намотана катушка. Через эту катушку пропущен такой электрический ток, который создает такую напряженность магнитного поля внутри бутылочки, какая во много раз превышает любое магнитное поле вне бутылочки. При этом, множество вращающихся протонов водородных атомов, входящих в состав молекулы воды, H2O, ориентируют ось своего вращения параллельно линии приложенного магнитного поля. Если внешнее поле будет внезапно отключено, то протоны тут же попытаются сориентировать оси своего вращения в соответствии с магнитным полем земли. Во время этой перестройки, в бутылочке появляется слабое магнитное поле, а в катушке появляется слабый переменный ток. Как только перестройка в соответствии с магнитным полем земли закончена, ток в катушке падает до нуля. На рисунке 3 изображена осциллограмма описанного процесса. МАГНИТОМЕТР. Описанные выше принципы легли в основу металлодетектора (для поиска чёрных металлов), под названием протонный магнитомер. Две пластиковые бутылочки с дистилированной водой должны располагаться на расстоянии шесть футов друг от друга. Их оси должны быть направлены с востока на запад (или с запада на восток). Вокруг этих бутылочек намотаны катушки, соединённые последовательно. Через эти катушки, в течении 3 секунд пропускается электрический ток, после чего ток резко отключается, и , параллельно катушкам подключается усилитель с высоким коэффициентом усиления. Если напряжённость магнитного поля земли будет одинакова в области расположения обеих бутылок, частота тока в каждой из катушек будет одинакова. Если же напряженность магнитного поля земли в области расположения одной из бутылок отличается от другой области, то и частоты тока в катушках так же будут отличаться. Это отличие обнаруживается электронной схемой прибора. Таким образом, на вход усилителя прибора поступает сигнал, состоящий из суммы двух сигналов немного различных частот, а выходной сигнал будет сигналом третьей частоты, которая будет является половиной суммы двух входных частот, промодулированный по амплитуде сигналом четвёртой частоты, равной разнице между двумя оригинальными входными частотами. Этот сложный сигнал может быть услышан через наушники и он представляет собой звук с частотой примерно 2 килогерца, сопровождающейся некоторым эффектом дрожания звука. Теперь остается только достать лопату, и откопать то, что вызвало изменение магнитного поля земли. БЛОКИ ЭЛЕКТРОСХЕМЫ. Взглянем на схемную реализацию магнитометра, изображенную на рисунке 5.

         Он состоит из шести основных блоков, включающих две бутылочки детектора, схему реле, мультивибратор, основной усилитель, усилитель микроамперметра, блок питания. Собранные вместе, эти блоки и образуют схему протонного магнитометра. Причем, возможно реализовать и бюджетную версию прибора, в которой можно обойтись без реле и без микроамперметра, и, соответственно, без усилителя микроамперметра. Реле используется для переключения катушек L1 и L2 из режима поляризации в режим измерения. В режиме поляризации ток поступает на катушки от стабилизатора блока питания через коннектор В1. В режиме детектирования, реле подключает катушки к коннекторам А1 и А2, которые являются входом главного усилителя прибора. Наличие металла вызывает появление в наушниках Х1 звукового сигнала, и отклонение стрелки микроамперметра М1. Переключив выключатель S2, можно перевести прибор в ручной режим, когда работа в режимах поляризация-детекция будет осуществляться по нажатию кнопки S1. Штатно же прибор работает в автоматическом режиме, когда управление осуществляется мультивибратором. Мультивибратор включает реле в течение приблизительно трех секунд, переводя прибор в режим поляризации, и отключает реле на такое же время, переводя прибор в режим детектирования. Эти непрерывно повторяющиеся операции особенно полезны, в режиме поиска. Ручной режим используется, когда необходимо обнаружение очень маленького различия частот. РЕЛЕ И МУЛЬТИВИБРАТОР Коммутационная схема драйвера реле и мультивибратора представлена на рисунке 6.

Транзисторы TR1 и TR2, включенные по схеме с общим коллектором, управляют работой реле. Контакты реле показаны в состоянии отсутствия тока на его обмотке. Резистор Rl, мощностью 1Вт, может быть включен в состав схемы прибора и подключаться последовательно катушкам в режиме поляризации. Включение резистора уменьшит электроток, протекающий через катушки, что увеличит время жизни батареи питания. Но нельзя забывать о том, что чем больше номинал этого резистора, тем меньшим будет сигнал, поступающий на вход главного усилителя в режиме детектирования, таким образом выбор величины этого сопротивления должен быть сделан, когда прибор закончен и проверен мне кажется, что 4.7 ома - подходящая величина с которой стоит начать свои эксперименты. Надо обеспечить баланс между терпимым сигналом и экономией ёмкости батареи. Мультивибратор построен на транзисторах TR3 и TR4, обеспечивает на коллекторе транзистора TR3 выходной сигнал продолжительностью три секунды. Этот сигнал, в режиме авто, через S2, идёт на базу транзистора TR2. Размещение элементов этой схемы на плате и взаиморасположение элементов показаны на рисунке 7.

ГЛАВНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Главный усилитель, показан на рисунке 8, служит, для увеличения уровня напряжения в режиме детектирования. Вращением ферритового сердечника трансформатора T1 и, подборкой конденсаторов C4 и C5, настраиваем входную часть усилителя. Первый этап, настройки заключается настройке трансформатора T1 в резонанс с частотой входного сигнала. Тогда сигнал на коллекторе TR5 будет иметь ту же самую частоту, что и входной сигнал. Соответственно, в резонанс должен быть настроен и трансформатор T2. Выходной сигнал с вторичной обмотки трансформатора T2 поступает на усилитель постоянного тока на транзисторах TR6-TR7. В действительности, они работают как предусилитель в схеме микроамперметра, который подключается к точке M1. Ширина полосы пропускания настроенной схемы - около 300Hz. Она оказалась адекватной на полевых испытаниях прибора. VR1 - регулятор громкости для усилителя наушника, с этого сопротивления сигнал поступает на базу TR8 и, далее, на TR9, выходной сигнал, поступает на наушники через JK1. Используемые наушники должны иметь высокий импеданс (пьезоэлектрические), так как магнитные, если будут расположены слишком близко к бутылке детектора, могут стать источником обратной связи, и так причиной самовозбуждения усилителя. (В полевых испытаниях я использовал магнитные телефоны, и, если они были вдали от бутылок детектора, проблем не возникало). ИЗГОТОВЛЕНИЕ УСИЛИТЕЛЯ Так как усилитель обеспечивает высокий коэффициент усиления, необходимо придерживаться монтажной схемы и конструктивных деталей, представленных на рисунке 9, это позволит предотвратить неустойчивость и самовозбуждение усилителя. Оба трансформатора намотаны на ферритовых горшках с регулируемым сердечником от фирмы Vinkor. T1 намотан эмалированным проводом 40 s.w.g. (0,079 мм). На начало провода надо надеть изоляцию подходящего диаметра, снятую с любого изолированного провода. Далее, наматываем 750 витков провода, на конец снова надеваем изоляцию подходящего диаметра, снятую с любого изолированного провода и обматываем намотку скотчем. Таким же образом надо намотать еще две обмотки по 375 витков каждая. В этих намотках надо отметить начало и конец изоляцией разного цвета. Вокруг последней обмотки намотайте слой, или два изоленты и очень тщательно вставляют катушку ферритовый горшок, и затем вставляем сердечник. Убедитесь, между двумя половинами горшка ничего не попало. Если имеется под рукой, измеритель индуктивности, её надо измерить. Катушка из 750 витков должна иметь индуктивность 0.196 генри, и ее сопротивление приблизительно 56 ом. Сопротивление каждой других обмоток будет по 28 ом, а соединённые параллельно, они должны иметь индуктивность 0.196 генри. СОГЛАСУЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР. Согласующий трансформатор T2 изготовлен таким же образом. Его первичная обмотка имеет 1 076 витков эмалированного провода 40 s.w.g. (0,079 мм), а вторичная 258 витков эмалированного провода 40 s.w.g. (0,079 мм). Индуктивность первичной обмотки должна быть 0.4 генри и ее сопротивление приблизительно 88 ом. Сопротивление вторичной обмотки будет приблизительно 26 ом. Так как заключительная настройка усилителя происходит во время полевых испытаний, конденсаторы, C4, C5 и C9 должны быть временно подключены зажимами типа крокодил. УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ МИКРОАМПЕРМЕТРА Схема усилителя для микроамперметра представлена на рисунке 10.

Здесь переменное сопротивление VR2 регулирует чувствительность путём изменения напряжения на транзисторах TR10 и TR11. Эта схема может использоваться как совместно с наушниками, так и без них. Стрелка микроамперметра повторяет колебания амплитуды выходного сигнала усилителя, которая изменяется в соответствии с изменением частоты, которая равна разнице между двумя входными частотами. Это особенно полезно при незначительных разностях значений частот. Конструкция и взаиморасположение деталей на плате этого модуля приведены на рисунке 11. Катушка индуктивности L3 расположена внутри ферритового горшка, снабженного подстроечным сердечником типа LA2301, точно такие же трансформаторы были использованы в основном усилителе. Катушка трансформатора содержит 1 076 витков эмалированного провода 40 s.w.g. (0,079 мм).

После намотки, концы катушки зачищают, ферритовый горшок собирают и его половинки склеивают клеем типа Araldite, и этим же клеем прикрепляют к плате. БЛОК ПИТАНИЯ Схема стабилизатора блока питания показана на рисунке 12. Диод D5 предохраняет схему от случайного подключения положительного источника батареи к отрицательному полюсу прибора. Питание главного усилителя и мультивибратора осуществляется от полупроводникового стабилитрона D4, а для питания схемы усилителя микроамперметра, напряжение со стабилитрона делится делителем на R33 и C21. Для предотвращения возможности самовозбуждения, и увеличения надёжности экранирования, к общему проводу между главным усилителем и стабилизатором идет несколько проводов общей шины блока питания G1-G3. Прибор питается от батареи ёмкостью 12 вольт. Положительная клемма батареи подключается к разъёму SK5, отрицательная к SK6. Конструкция и взаиморасположение деталей на плате этого модуля приведены на рисунке 13. Врежиме поляризации магнитометр потребляет около 750mA, поэтому используемая ьатарея должна обеспечивать возможность работы прибора при таком потреблении тока. ПРИБОР В СБОРЕ Прибор в сборе изображён на рисунке 14. Следует особо отметить, что корпус прибора должен быть изготовлен из алюминия. При окончательной сборк, следует использовать как можно меньше стальных деталей и, по возможности, заменять их на алюминиевые.

БУТЫЛКИ ДЕТЕКТОРА Бутылки детектора - изготовлены из пластмассы или пластика, имеют диаметр 1-5/8 дюйма и длину 4 дюйма. Крышечки бутылок должны быть так же из пластмассы или пластика. КАРКАС ПОИСКОВЫХ КАТУШЕК Каркас поисковых катушек имеет ту отличительную особенность, при которой внутри этого каркаса должна во первых находиться пластиковая бутылка с водой, во вторых, каркас с катушкой должен свободно сниматься с этой бутылки (или бутылка выниматься из каркаса - тут уж кому как удобнее). И в третьих, каркас должен иметь достаточную механическую прочность. Для изготовления такого каркаса, на бутылочку наматывают несколько слоев бумаги, а поверх неё упаковочный целлофан. Поверх этого, в соответствии с рисунком 15, наматывается несколько слоев пропитанной эпоксидной смолой стеклоткани. Толщина стенки должна получиться 5/64 дюйма. После окончания полимеризации, приклеивают, как показано на рисунке 15, боковые щёчки.

После окончания полимеризации в одной щёчке, сверлят два отверстия. Одно - как можно ближе к основанию, второе - как можно ближе к внешней границе. В эти отверстия будут выходить концы катушек. Далее, изнутри, каркас желательно покрыть слоем изоленты. НАМОТКА КАТУШЕК ДЕТЕКТОРА Перед началом намотки берут многожильный провод в пластиковой изоляции длиной 8 дюймов и припаивают его к началу провода, которым будут наматывать катушку. Изолируют место пайки тонким слоем изоляции. Три дюйма этого провода пропускают через нижнее отверстие в щёчке катушки. Теперь наматывают катушку. Катушка состоит из 750 витков эмалированного провода 24 s.w.g. (0,574мм). Старайтесь производить намотку виток к витку, чтобы внешняя сторона готовой катушки была достаточно гладкой. По окончании намотки, снова берут многожильный провод в пластиковой изоляции длиной 8 дюймов и припаивают его к концу провода, изолируют место пайки тонким слоем изоляции и этот изолированный провод пропускают через верхнее отверстие в щёчке катушки. Готовая катушка сверху покрывается несколькими слоями пластмассовой изоленты. Для лучшей изоляции, сверху на готовую катушку рекомендуется натянуть кусок резиновой или пластмассовой трубки подходящего диаметра. Вторая катушка детектора аналогична первой и имеет те же параметры. Индуктивность каждой катушки должна быть 0,021 генри, а сопротивление приблизительно 7,9 ом. НЕСУЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ ПРИБОРА Несущая конструкция прибора изображена на рисунке 16. Всё изготовлено из древесины и скреплено медными или деревянными деталями и винтами. ПРОВЕРКА После завершения сборки, необходимо произвести проверку всех соединений схемы. Удостоверяются, что все полупроводниковые приборы правильно подключены. Рукоятки всех переменных сопротивлений надо установить на минимум и подать напряжение 12 вольт от источника питания. Когда выключатель S2 - находится в положении ручное управление (manual),

переключателем S1 должно быть возможно переключение реле из режима поляризация, в режим измерение и обратно в режим поляризация. Когда выключатель S2 - находится в положении авто (auto) реле должно автоматически переключаться с интервалом 3 секунды из режима поляризации в режим поиска и обратно в режим поляризации. Если интервалы переключения не равны друг другу, попытайтесь добиться их равенства подбором электролитических конденсаторов C2 или C3 в мультивибраторе. Эти конденсаторы имеют очень широкий диапазон погрешности, который может затронуть интервал колебаний мультивибратора. Как только мы добились правильной работы схемы мультивибратора, можно присоединить тестер к гнездам входа детектора SK1 и SK4. Тестер должен показывать значение 12 вольт, когда реле закрыто, и 0 вольт, когда оно открыто. Выключите питание. Проверьте это, тестер показывает сопротивление примерно 43 ом при подключении его к входным гнездам SK1 и SK3. Это говорит о том, что реле гарантированно, переключает два входа именно на входной трансформатор. ИЗМЕРЕНИЯ И ПОЛЕВАЯ ПРОВЕРКА Присоединяют катушки бутылок к схеме детектора и включают питание снова. Если у вас есть генератор испытательных импульсов, подключите к его выходу петлю и поместите эту петлю рядом с одной из катушек. Генератор должен работать в диапазоне 2,000Hz - 2,500Hz. Включите генератор. Вращая переменное сопротивление VR1 магнитометра, медленно увеличивайте усиление его основного усилителя до тех пор, пока в наушниках не появится достаточно громкий звук, теперь, вращая другое переменное сопротивление VR2 магнитометра, увеличиваем усиление усилителя микроамперметра до тех пор, пока стрелка не отклониться на середину его шкалы. Выключите генератор после чего, звук должен исчезнуть, а стрелка микроамперметра вернётся к нулю. Переключите S2 в положение "Авто", теперь, каждый раз когда реле закрыто, катушки будут возбуждены. Проверяем это поднося, компас к катушкам. Мы должны увидеть, что стрелка компаса меняет своё положение каждые три секунды.. Дальнейшие испытания не могут быть выполнены в закрытом помещении. Прибор должен быть транспортирован в место от которого все провода, здания, и возможные источники электрических или магнитных полей, а так же железный лом, находились бы не ближе чем в четверти мили. НАСТРОЙКА Схема настраивается на резонансную частоту, которая лежит в диапазоне 2kHz - 2.5kHz, следует однако понимать, что такая настройка будет действовать только на том участке, где она производилась. Но, принято считать, что магнитомер будет нормально работать не только в точке настройки, но и в радиусе ста миль или от неё. На больших расстояниях настройка должна быть проверена, и исправлена в случае необходимости. Перед началом измерений, бутылки должны быть установлены своей длиной стороной в направлении восток - запад, и, длинные стороны бутылок должны быть параллельны друг другу (см. рис. 4). Обратите внимание на подключение концов катушек. Вто же время, основание, на коотором крепятся бутылки, должно быть сориентировано в направлении север - юг. В положении переключателя S2, в режиме "Manual" (ручное управление), поверните рукоятку переменного сопротивления VR2 в положение, соответствующее максимальному усилению. В наушниках должен появиться некоторый слабый фоновый шум, но ни в коем случае не должно быть никаких признаков возбуждения. Теперь поверните рукоятку переменного сопротивления VR2 в положение, соответствующее среднему усилению (приблизительно половина хода ручки переменного сопротивления). Поместите утюг, или какой либо другой металлический предмет массой не менее одного фунта, на расстоянии двух футов ниже одной из бутылок и преведите переключатель S2 в положение "Auto" (авто). Обратите внимание на то, что сигнал в наушниках слышен только тогда, когда реле находится в режиме измерения. Если реле в режиме поиска - сигнала не должно быть. Настройте усиление таким образом, чтобы выходной сигнал в наушниках был оптимален для Вашего слуха. Изменяйте расстояние между железной массой и бутылкой, указанная масса металла должна обнаруживаться даже при увеличении расстояния в пять раз.Увеличивая или уменьшая ёмкости батареи конденсаторов, попытайтесь получить максимально громкий сигнал. Теперь, вращая подстроечные сердечники трансформатотов, добиваемся дополнительного увеличения сигнала в наушниках. Если схема усилителя микроамперметра собрана правильно, то стрелка микроамперметра должна колебаться повторяя амплитуду сигнала, в наушниках - при увеличении громкости - увеличивать угол отклонения, при уменьшении громкости - угол отклонения должен так же уменьшаться. Все. Теперь магнитометр готов к работе. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТОМЕТРА Перемещаться по местности во время ведения поиска надо таким образом, чтовы длинные части бутылок, а, значит и оси катушек всегда были сориентированы в направлении восток - запад, это дает максимальную чувствительность. Двигаться надо довольно медленно, помните, что требуется шесть секунд для, каждого цикла поляризация - обнаружение, поэтому, если вы двигаетесь быстро, то можете пропустить металлические объекты небольших размеров. Например, сделайте пару шагов, позвольте завершиться циклу поляризация - обнаружение, и затем делайте ещё пару шагов, снова ждите завершения цикла и так далее. Как только что нибудь обнаружено, двигайтесь по кругу, добиваясь получения сигнала наибольшей амплитуды. В месте, где получен сигнал наибольшей амплитуды и надо копать. СПОСОБЫ ВЕДЕНИЯ ПОИСКА Размер металлического предмета и глубина его залегания могут быть достоверно определены только после проведения земляных работ. Но, для грубой оценки этих параметров, надо представлять, что масса металла в один фунт обнаруживается приблизительно на глубине пять футов ниже одной из бутылок, а масса металла в одну тонну приблизительно на глубине сорока футов ниже одной из бутылок. Размер, распределение металла и расположение металлического объектаотносительно земли - все эти параметры влияют на способность магнитометра обнаруживать металл. Лучший способ оценить его эксплуатационные показатели прибора - эксперименты с множеством различных объектов. На рисунке 17 показан типовой, своеобразный эталоный план проведения поиска на местности, который нужно использовать для проведения сухопутных исследований.

При работе на воде, с лодки, проще всего держать бутылки около поверхности воды, нежели изготавливать сложное водонепронициаемое подводное оборудование для размещения внутри него магнитометра. Да еще и обзаводиться оборудованием, позволяющим транспортировать мгнитомер во время поиска вблизи дна водоёма. Один из вариантов, позволяющий производить поиск на воде и при этом минимализировать влияние металлических предметов корпуса судна на показания прибора, показан на рисунке 18. ДЕТАЛИ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ СБОРКИ ПРИБОРА.

С ув. Белецкий А. И.       06.07.2014г.     Кубань Краснодар.