质子磁力仪测地磁场强度分析.ppt

质子磁力仪 测定地磁强度 吉林大学物理学院 公共物理教学与研究中心 王志军 质子磁化 如果对氢质子外加一个远远大于地磁场（100倍以上）的强磁场Bp，则合磁场方向与强磁场方向一致。经过一段时间，质子将在强场中获得新的平衡。打破原有质子在只存在地磁场状态下的平衡。 图1 外部强场作用下质子的极化 质子的进动（拉莫尔旋进） 当以极快的速度将外加的强磁场撤走，此时质子磁矩的状态还没有来得及改变。而外场只有地磁场。因此质子为了回复到原来的只有地磁场下的平衡，而产生质子进动现象，又称拉莫尔旋进。质子磁矩M将绕着地磁场的方向做旋进运动，它好像地面上倾斜旋转的陀螺，在重力作用下并不立刻倒下，而绕着铅垂方向作旋进运动的情景一样。 图2 质子绕地磁场做 拉莫尔旋进运动示意图 地磁场T 质子磁矩 磁矩方向 质子进动的自由衰减 外场消失后，质子由非平衡状态恢复到平衡状态的过程称为弛豫过程。该过程遵循指数衰减。同时，质子的拉莫尔旋进运动，使线圈内磁通量周期性变化，进而在线圈两端产生周期性电压信号。此电压信号称为质子旋进电压信号。由于质子旋进运动遵循指数衰减，因此质子旋进电压信号同样也遵循指数衰减规律。质子旋进磁力仪正是利用这个原理，检测并放大质子旋进电压信号。 图3 质子旋进衰减信号示意图 T(驰豫时间)：指系统从原有平衡部位变化到其平衡值的1/e(e为自然对数的底:2.718 )所需的时间。 质子旋进磁力仪测量原理 理论物理分析研究表明，氢质子旋进的角频率ω与地磁场T大小成正比 式中： 为质子的自旋磁矩与角动量之比，叫做质子旋磁比（或回旋磁比率）。它是一个常数。根据我国国家标准局1982年颁布的质子磁旋比数值是 2.6751987±0.0000075（S-1T-1） 而又 由此可见，只要能够准确测量出质子旋进频率，乘以常数，就能得到地磁场T的值。 磁化电路 采集与计算 信号处理 探头部分 富含氢质子溶液 线圈 数据采集 图4 质子旋进磁力仪结构图 打开磁力仪开关，磁力仪初始化成功后，按采集按键进行采集数据，在磁力仪屏幕上显示采集到的质子旋进的衰减图像，如数据异常则检查附件是否有金属（或测量人员人身上是否有钥匙、手机等物品），如数据正常则按存储键进行数据存储。 图 5 质子旋进磁力仪面板 开关 SD卡 质子旋进磁力仪实测信号 图6 质子旋进电压衰减信号 实验内容 1. 用指南针找到地磁场磁南、北极方向，首先将质子磁力仪探头与磁南北极方向垂直（夹角900探头东西朝向），保持磁力仪探头方向不变，打开磁力仪开关，磁力仪初始化后，按采集按键进行采集数据，在磁力仪屏幕上显示出质子放进的指数衰减图像，如数据异常则检查附件是否有金属（或测量人员人身上是否有钥匙、手机等物品），如数据正常则按存储键进行数据存储。重复测量20次。注意记录存储数据文件名。 2.保持磁力探头与磁南北极方向相同，使磁力仪探杆沿探杆与探头所在平面向南旋转找到磁信号最大位置，估算出此时的θ （探杆所指方向即为地磁场真正方向，与地面夹角约为60 o），此时磁力探头与地磁方向夹角θ为90 o，测量地磁场一次并存储。使磁力仪探头与地磁场方向平行（夹角0o，此时磁信号最小）测量地磁场一次并存储。注意记录存储数据文件名。 数据读取程序是基于matlab平台下的可执行程序。 数据读取与处理 图 7 M A T L A B 命令窗口 放大 在Command Window(命令窗口)下调用程序读取数据在命令提示符“”下输入 PPM_test(’E:\DATA\’) 回车。程序会自动按顺序读取文件夹内的数据。结果如下： 数据所在文件夹绝对路径\ 图 6 | 1 数据 结 果 1 各 参 数 统 计 结 果 图 6 | 2 数据 结 果 2 最 后 一 组 数 据 实测质子进动在线圈中的感应电压 图 6 | 3 数据结果 3 放大图 数据存储 文件 图12 | 4 数据结果 4 数据 数据处理 平均值： 算术平均值标准偏差： 点击显示图像的放大图标，放大程序自动获得的图像，直至屏幕上横作标能显示0.01S间隔为止，数出0.01S数据的周期数算出旋进频率，计算地磁场大小并与程序计算出的地磁场大小进行比较，求百分比误差。并存储此图像为JPG格式。