CC BY
753
ЗВЕЖИНСКИИ1 Станислав Сигизмундович, профессор, доктор технических наук ПАРФЕНЦЕВ2 Игорь Валерьевич, кандидат технических наук
КВАНТОВЫЕ МАГНИТОМЕТРЫ С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ ДЛЯ ПОИСКА ВЗРЫВООПАСНЫХ ПРЕДМЕТОВ
В обзоре проанализированы, основные технические характеристики и применение современных квантовых магнитометров с оптической накачкой для поиска взрывоопасных предметов.
Ключевые слова: магнитометры, поиск взрывоопасных предметов
In review had been analyzed main technical characteristics and application of modern quantum, optically pumped magnetometers for UXO detection.
Keywords: magnetometers, UXO detection
Достоверный и эффективный поиск взрывоопасных предметов (ВОП) в укрывающих средах - проблема мирового значения, ее актуальность не снижается вследствие неутихающих локальных военных конфликтов, остаточных явлений времен Второй мировой войны, неприсоединением к Конвенции ООН по запрету противопехотных мин и наращиванием производства ведущих стран - производителей боеприпасов и мин. Одним из наиболее эффективных является пассивный метод поиска ВОП, основанный на регистрации магнитных аномалий, вызванных ферромагнитными оболочками таких предметов, приобретающими намагниченность в магнитном поле Земли (МПЗ) [1].
Метод реализуется с помощью магнитометрических преобразователей (МП) или магнитометров, в том числе включаемых дифференциально на «жесткой» базе величиной 0,25...
1,7 м, образуя градиентометр. Из них наибольшее распространение получили феррозондовые, поскольку в большинстве случаев именно они в наибольшей степени соответствуют критерию «цена - качество». Под качеством понимается совокупность основных тактико-технических характеристик (ТТХ) - пороговая чувствительность (на уровне удвоенного собственного пикового шума) и связанные с ней ширина зоны обнаружения (ЗО) и глубина обнаружения ферромагнитных предметов, массо-габариты (поиск осуществляется че-ловеком-оператором), темп поиска, время непрерывной работы, рабочая температура [1, 2]. Однако если доминирующей ТТХ является достижимая чувствительность или глубина поиска ВОП, то оказывается, что феррозондовые МП уступают другому классу специальной техники - квантовым магнитометрам (КМ) с оптической
накачкой, принцип действия которых основан на эффекте Зеемана.
При этом изначально непрозрачный пар рабочего вещества - щелочного металла (нерадиоактивный цезий, калий, раньше - рубидий), находящийся в герметичной ячейке - электроннооптическом чувствительном модуле (ЧМ), подвергается облучению (накачке) поляризованным монохроматическим светом, длина волны которого соответствует спектральной линии вещества. Свет поглощается, и атомы, возбуждаясь, переходят со 2-го на 3-й энергетический уровень - пар становится прозрачным. Через короткое время (~1 мкс) атомы спонтанно переходят на уровни 1 (полностью его заполняя) и 2 (не заполненный). ВЧ-маг-нитное деполяризующее поле с частотой f (обеспечивается соленоидом), соответствующей разнице энергий этих уровней, перемещает электроны с 1-го уровня ко 2-му, при этом пар
1 — ОАО НПК «Дедал», ведущий научный сотрудник.
2 — ФГУП «15 ЦНИИИ МО РФ им.Д.М. Карбышева», начальник отдела.
опять становится менее прозрачным. Происходящая прецессия электронов на частоте Лармора f пропорциональна величине окружающего магнитного поля (определяется МПЗ и аномалией). С этой же частотой изменяется интенсивность света, регистрируемая фотодетектором. Сигнал с фотоэлемента усиливается и подается на соленоид, реализуя автоподстраиваемый ВЧ-ос-циллятор, резонансная частота которого пропорциональна модулю индукции магнитного поля, а ее изменение - полезному сигналу от аномалии. Измерительная часть КМ по сути представляет собой фотоприемник и высокоточный частотометр, работающий в режиме периодического счета, - чем больше период, тем выше разрешение [3].
В руководящем материале инженерных войск США отмечается, что в современной практике поиска ВОП нашли применение только следующие два типа МП [4]:
♦ феррозонды - относительно дешевые, надежные, прочные, с низким энергопотреблением, работающие в широком диапазоне температур, позволяющие вести поиск ВОП на глубинах до 5 м «с ходу» на скорости до 1,5 м/с (например, изделия фирм Forester, Ebinger, Vallon, CST) [2, 5];
♦ квантовые магнитометры с оптической накачкой - более чувствительные и дорогие, потребляющие на порядок больше электроэнергии, менее прочные, требующие определенной осторожности в обращении, работающие в более узком диапазоне температур, используемые преимущественно для снятия карты магнитных аномалий, последующего обнаружения и идентификации ВОП (например, изделия фирм Geometrics, Scintrex, GEM Systems) [4, 6, 20].
Действительно, как показывает анализ [5 - 9], другие типы МП не нашли своего применения при поиске ВОП ввиду причин технологического, стоимостного и эксплуатационного характера:
♦ низкой пороговой чувствительности (магнитотранзистор, датчик Холла, магниторезистор [10, 11]);
♦ невозможности реализации двух преобразователей, близких по параметрам (на основе тонкой магнитной пленки [12]);
♦ невозможности измерения постоянного или крайне низкочастотного
магнитного поля (индукционный вариометр [13, 14]);
♦ больших массогабаритов, энергопотребления и очень высокой стоимости вследствие криогенной технологии (СКВИД [15 -17]).
КМ с оптической накачкой иногда используется в связке с магнитометром на основе прецессии протонов, выполняющего роль базовой станции, регистрирующей флуктуации МПЗ в целях исключения их из результатов измерений. Протонные МП по сравнению с КМ имеют на 1 - 2 порядка меньшую чувствительность (~0,1 нТл) быстродействие (частота преобразования <1 Гц), обладают нестабильностью и даже пропаданием функционирования при больших градиентах измеряемого поля, однако они менее дорогие, не боятся тряски и вибраций. Магнитометр на эффекте Оверхаузера, сохраняя положительные качества протонного, имеет лучшее быстродействие (частота преобразования <5 Гц), чувствительность близкую к КМ (~0,02...0,03 нТл), однако ему свойственно меньшее время жизни рабочего вещества, повышенная систематическая погрешность за счет влияния блока СВЧ [18].
КМ - скалярные, не имеют оси чувствительности, не могут давать информацию о направлении вектора индукции магнитной аномалии В. Однако это качество позволяет конструировать более точные градиентометры (чем в случае феррозондов), лишенные угловой погрешности [1, 2]. КМ свойственны очень высокая стоимость на мировом рынке (десятки тысяч долларов), чувствительность к механическим воздействиям, наличие обязательного угла между осью ЧМ и вектором МПЗ не менее заданного («мертвая зона»), причем оптимальным (по минимуму шумов) является угол около 45°. Если сравнивать МП по применяющемуся в ЧМ рабочему веществу, то калиевые имеют определенные преимущества перед цезиевыми, обеспечивая [6, 23]:
♦ наивысшую (из всех оптически накачиваемых КМ) пороговую чувствительность на уровне 1 пТл (5.10 пТл - у цезиевых);
♦ большую абсолютную точность измерений (не более 1 нТл), необходимую при реализации градиентометра (у цезиевого в 2..3 раза больше);
♦ большее (в 2.3 раза) быстродействие - до 20 изм./с;
♦ практически нулевую курсовую погрешность (~0,1 нТл), возникающую при вращении модуля в МПЗ (у цезиевого ~1 нТл);
♦ отсутствие периодической градуировки (в цезиевом имеется паразитная чувствительность к положению деполяризующего соленоида), меньшую трудоемкость обслуживания (меньшая чувствительность к тряске).
Преимущества калиевых КМ обусловлены самой узкой (менее 1,0 нТл, у цезиевого — 20 нТл) спектральной линией поглощения и высоким коэффициентом преобразования ларморовой частоты 7 Гц/нТл (у цезиевого в 2 раза меньше). Однако калиевые КМ в целом более дорогие, их работа в большей степени ограничена в полях с высоким градиентом, вызванных, например, наличием близкорасположенных металлических конструкций, заграждений, трубопроводов. Градиентометр, устраняя влияние постоянного МПЗ на результаты измерений, обеспечивая больший «контраст» цели по отношению к окружающему шуму. Для поиска ВОП используется, как правило, горизонтальный градиентометр, где оба ЧМ располагаются на одинаковой высоте перпендикулярно маршруту поиска. Это позволяет обеспечить большую глубину поиска ВОП и ширину ЗО по сравнению с магнитометром или вертикальным градиентометром, у которого ЧМ расположены на разной высоте от поверхности.
Современные КМ имеют, кроме основных функций, множество дополнительных, облегчающих или дополняющих магнитную съемку. У большинства моделей реализована непрерывная запись в движении («walking»), которая дополнена синхронными данными с внешней или встроенной системы GPS (DGPS). Высокая частота измерений (типично не менее 5 изм./с) позволяет накапливать данные с лучшим пространственным разрешением за счет некоторого увеличения собственного шума. Все изделия имеют точные встроенные часы, значительную внутреннюю память, интерфейс RS-232 для пересылки данных в компьютер, специализированное программное обес-
печение (ПО) для обработки результатов. Графический дисплей позволяет во время поиска наблюдать магнитуду и другую служебную информацию. Большинство моделей имеют возможность работать в режиме градиентометра (при установке второго ЧМ), при этом к названию обычно добавляется индекс «С».
Далее проанализированы возможности квантовых магнитометров с оптической накачкой различных производителей для поиска ВОП. При этом следует различать 2 основных режима работы: 1) в случае разминирования «с ходу» (например, саперами); 2) при гуманитарном разминировании (составление карты магнитных аномалий), когда важно обеспечить максимальную точность и чувствительность, а темп поиска не столь важен. Квантовые магнитометры, весьма дорогие и чувствительные, преимущественно используются во втором режиме.
Квантовые магнитометры/ градиентометры фирмы Geometries
Квантовый магнитометр G-858 с оптической накачкой паров нерадиоактивный Csl33 (производитель - компания Geometries, г. Сан-Хосе, США, существует с 1969 г.) прочно вошел в перечень изделий, применяемых для поиска ВОП [19 -21]. Со времени появле-
ния в 1996 г., компанией продано более 5GG изделий G-858, его коммерческий успех связан с археологией, поиском кладов и старых ценных предметов, обеспечивая существенно большую глубину поиска, чем феррозондовые. Изделие находится на снабжении инженерных войск США (Army Corps of Engineers), используется Сандийской национальной лабораторией (Sandia Labs) - ведущим научным военно-техническим центром США. G-858 может работать в режиме магнитометра или градиентометра (фото 1), его чувствительность, разрешение и скорость записи данных выбираются оператором. В нем достигается высокая пороговая чувствительность (4 диапазона), которая зависит от цикла измерений (выборки): G,G1 нТл при частоте измерений 1хс-1 и G,G5 нТл при частоте Юхс-1. Темп поиска в режиме магнитометра достигает 8*1G3 м2/ч (в режиме горизонтального градиентометра - в 2 раза больше), сигнал о наличии ВОП визуализируется на ЖК-дисплее и звучит в наушниках оператора. Для градуировки изделия типично используется ферромагнитный куб массой
1,8 кг на удалении 3,7 м.
G-858 состоит из чувствительного модуля (ЧМ), блока электронного (БЭ) с ЖК-дисплеем, конструктива и блока питания. ЧМ - цилиндр диаметром 64 мм, длиной 152 мм и массой G,34 кг. БЭ, установленный на немагнитном
ранце, предоставляет оператору информацию в реальном времени, позво-ляяпроизводитьмагнитныеизмерения по предварительно заданной координатной сетке без маркеров. В БЭ встроен приемник AG114 GPS (масса 0,76 кг) с дифференциальной коррекцией местоположения и точностью до 1,5 м (фото 1). Могут использоваться и радиомаяки для обеспечения большей точности. Общая масса изделия вместе с GPS-модулем составляет ~16 кг, электропитание 24 В постоянного тока обеспечивается аккумулятором (массой 4,5 кг); его хватает на 6.8 ч непрерывной работы в режиме магнитометра (потребляемый ток - 0,5 А) и 3 ч - в режиме градиентометра с GPS. Возможен и перевозной вариант градиентометра G-858, когда два ЧМ располагаются на расстоянии 1 м друг от друга на жесткой конструкционной базе типа колесной «тележки», выполненной из немагнитных материалов, общей массой 32 кг. Оператор (автотранспорт) перемещает ее за собой, при этом обеспечивается ЗО шириной не менее 2,5 м и высокий темп поиска -свыше 104 м2 /ч (фото 2).
Звуковой сигнал может быть одним из трех вариантов:
1) тон, отражающий величину вариации магнитного поля;
2) пульсовой метроном скорости передвижения с интервалом 1 с;
Фото І. G-S5S с антенной GPS в режиме единственного магнитометра
а б
Фото 2. Градиентометр G-S5S на колесной базе
Фото 3. Квантовый магнитометр 0-859: дисплей (а); в действии (б); комплект изделия (в)
3) оповещение о разрядке батарей или сбое установленных параметров измерений.
Графический ЖК-дисплей 320x200 пикселей отражает:
1) до 5 магнитуд модуля магнитного поля с разрешением 0,1 нТл (градиента - 0,1 нТл/м);
2) задание параметров поиска;
3) значения полного магнитного поля, уровня шума, координат маршрута;
4) диагностику изделия.
Данные измерений (с присоединенными СРЯ-координатами) накапливаются в БЭ, его внутренней памяти хватает на 8 ч записи в режиме магнитометра или 3 ч - градиентометра при максимальной частоте дискретизации (10 изм./с), которая позволяет вести съемку быстрым шагом. Далее они передаются (ЯЯ-232) в компьютер для дальнейшего анализа, при этом используется специализированное ПО «МадМар2000», имеющее графический интерфейс для визуализации карты магнитных аномалий. Данные с «МадМар2000» могут экспортироваться для дополнительного анализа, осуществляемого, например, с помощью известных про-
грамм «Surfer», «Geosoft». При поиске используются номера маршрутов, ориентиры для определения параметров карты или задается вся сетка, а оператор на дисплее может видеть свое местоположение и текущий профиль (магнитуду). Если требуется точность лучше, чем 1 м, а измерения производятся под деревьями или на местности со сложным рельефом, то система GPS неэффективна и могут применяться другие системы позиционирования. Для функционирования G-858 продольная ось ЧМ должна составлять угол 15.75° относительно вектора ВМПЗ индукции МПЗ. Кроме того, изделие не работоспособно при градиентах индукции свыше 20 мкТл/м, поэтому на местности не допускается присутствие больших металлических конструкций (например, автомобиль, сеточный забор) на расстоянии ближе 4 м от маршрута. Ограничением функциональной способности изделия G-858 является также температурный диапазон
25. + 50° С и величина индукции окружающего поля не более 105 нТл, в 2 раза превышая типичное МПЗ [21]. Так что в районах с глобальными магнитными
аномалиями изделие может оказаться неработоспособным. Температурный дрейф 0,05 нТл/°С, ограничивающий точность измерений, при поиске ВОП не так важен. Механические вибрации могут изменять относительное положение высокочастотной катушки и оптической оси ЧМ, которое для цезиевых КМ должно быть очень стабильным. Это вызывает необходимость его регулярной балансировки, - если этого не делать, то разница в курсовой погрешности между двумя ЧМ градиентометра может приводить к ошибкам, сопоставимым со значением измеряемой магнитуды.
Изделие G-858 в статическом состоянии обнаруживает предметы ферромагнитной массой 110 кг на глубине 15 м; 13 кг — 7 м; 2 кг — 3 м [20]; по другим данным, железная бочка обнаруживается на глубине 6 м,
0,9 кг - 2,5 м; 0,5 кг — 2 м [21]. Несмотря на имеющиеся недостатки, G-858 обладает высокими ТТХ (для полевого переносного изделия); по сравнению с лучшим в мире феррозондовым градиентометром FEREX 4.032 глубина поиска ВОП увеличена в ~2,5 раза [2]. Стоимость магнитометра G-858 (с GPS) в США составляет ~25.30 тыс. долл., градиентометр G-858G вместе с ПО «MagMap2000» стоит 44 тыс. долл. (на 2007 г.) [2].
Квантовый магнитометр Geometries G-859 появился на рынке 2005 г., он является упрощенной и удешевленной (приблизительно на 40%) модернизацией изделия G-858. Цезиевый ЧМ практически идентичен раннему образцу (масса 0,34 кг, диаметр 6 см, длина 15 см), чувствительность также не претерпела изменений. В 2 раза уменьшена собственная масса, снижено энергопотребление, время непрерывной работы составляет 6 ч совместно с новым GPS-модулем Novatel Smart (WAAS/ EGNOS). GPS-модуль потребляет 1,4 Вт, точность определения местоположения - 0,75 м. Конструкция предполагает ранцевое размещение БЭ и источника питания (гелевый аккумулятор), ЧМ и GPS-антенна вынесены на немагнитных штангах (фото 3). Градиентометрическое включение двух ЧМ не предусматривается.
Имеется 3 диапазона чувствительности (циклов измерений), самый быстрый цикл - 5 изм./с. соответствует порого-
Фото 5. Квантовый градиентометр БшаЛМад БМ-40: а - вертикальный с базой 0,5 м; б - горизонтальный с базой 1,0 м
а
б
Фото 4. Квантовый магнитометр Бша^Мад БМ-4: а - в работе; б - консоль с ЖК-дисплеем и кнопками управления
вой чувствительности 30 пТл, медленный цикл (1 изм./с) — 10 пТл. Чувствительность G-859 по с.к.о. составляет 8 пТл/Гц0,5, изделие устойчиво к градиенту внешнего магнитного поля до 20 мкТл/м. В нем предусматривается подавление помех 50/60 Гц, ему уже не требуется периодическая калибровка или настройка, ЧМ характеризуется повышенной механической прочностью. Диапазон рабочих температур оставлен прежним, что ограничивает его применение для поиска ВОП.
Как и в предыдущей модели, для функционирования С-859 необходимо обеспечить угол 10...800 между оптической осью ЧМ и вектором МПЗ, для лучшего отношения сигнал/шум угол должен быть в пределах 15.750. Диапазон измерения индукции магнитного поля составляет (1,7...10)*104 нТл. Цифровые
данные при измерениях могут накапливаться в БЭ в течение 8 ч непрерывной работы (до 250 тыс. измерений с GPS-координатами); через порт RS-232 они переносятся на компьютер с ПО «MagMap2000». Карта магнитных аномалий создается в полевых условиях при помощи ПО «MagMap2000».
В изделиях G-858, G-859 предусмотрено 4 основных режима работы:
♦ измерение магнитного поля и запись результатов совместно с данными GPS, которые воспринимаются, как правило, раз в 1 с;
♦ поиск аномалий, при этом на монохромном ЖК-дисплее отражается магнитуда (измерительные данные не записываются), звук появляется при значимом сигнале;
♦ запись данных без привязки к GPS с помощью троса, маркеров;
♦ базовая станция, регистрирующая флуктуации МПЗ на месте измерений.
Для мелководного и глубинного поиска магнитных аномалий (в том числе ВОП) имеется изделие Geometries G-882 с пороговой чувствительностью 0,01 нТл (цикл измерений 0,1 с) или 0,001 нТл (цикл 1 с). Цезиевый ЧМ работоспособен при температуре 35. + 50° С, потребляемый ток от источника 24.32 В составляет 0,5 А.
Курсовая ошибка не более 1,0 нТл, абсолютная точность измерений - не менее 3,0 нТл. Изделие имеет массу около 16 кг, энергопотребление составляет 12 Вт в рабочем режиме и 24 Вт при включении (нагреве ЧМ). G-859 в большей степени, чем G-858 (прежде всего, из-за сниженной цены и повышенной прочности) подходит для целей поиска ВОП. Однако суженный температурный диапазон и отсутствие градиентометра (в целях расширения ЗО и увеличения темпа поиска) ограничивают его возможности.
Квантовые магнитометры фирмы Scintrex
Компания Scintгex Ltd. (Торонто, Канада) как изготавливает законченные приборы, так и поставляет отдельные квантовые магнетометры (типа CS-3, CS-3L).
Квантовый магнитометр/градиентометр Бшаг1Мад (аббревиатура НАТО V-90) с оптической накачкой паров цезия был выпущен на рынок в конце 80-х гг. (модификации SM-1, SM-3 - с упрощенным блоком электронным, SM-2 - по сути магнитометрический преобразователь), он предназначался для геофизических исследований, поиска ВОП (и других предметов - фер-
Фото б. NaviMag SM-5: в режиме магнитометра (а) и горизонтального градиентометра e внутренней антенной GPS (б)
Ж
а б
Фото 7. Составные части МауіМад БМ-5: конструктив для вертикального градиентометра (а), чувствительный модуль с электронным блоком (б)
ромагнетиков) [25]. При разработке изделия за основу был взят металло-обнаружитель У-92 Ясіпігех. В первой половине 90-х гг. выпущены последние модификации - SM-4 (фото 4а, б) и SM-4G - градиентометр (фото 5). Высокая чувствительность и быстродействие SmartMag, а также широкий диапазон рабочих температур были причиной запрета экспорта изделия из Канады (ограничения КОКОМ). SmartMag SM-4 - компактный и относительно легкий прибор (фото 4), он включает:
1) ЧМ на алюминиевой штанге, подключенный к БЭ - предусилителю;
2) ранец - несущий конструктив;
3) консоль с ЖК-дисплеем;
4) отсек с гелевыми аккумуляторами 2x12 В (4 Ахч), которые закрепляются на поясе оператора сзади.
Опцией являются наушники, подклю-
чаемые к консоли при поиске ВОП. Аккумуляторы поддерживают непрерывную работоспособность в течение 20 ч при +200 С; ддя питания изделия возможно подключение к консоли внешнего аккумулятора 12 В, например, автомобильного. ЧМ - влагонепроницаем (1Р67), остальные узлы - пыленепроницаемы. Внутренней памяти достаточно для записи 310 тыс. измерений в режиме магнитометра и 190 тыс. -градиентометра, чтобы посредством ЯЯ-232 (ЯЯ-422 для SM-2) передать данные в компьютер для составления карты аномалий с помощью специализированного ПО «Епштар».
ЧМ (диаметр 63 мм, длина 16 см) весит вместе со штангой и электронным блоком 2,1 кг, габарит (длина) — 120 см. Конструктив позволяет реализовать вертикальный градиентометр с базой 0,5 м и горизонтальный градиенто-
метр с базой 0,5; 1,0; 1,5 м. Выбор режимов работы и управление изделием осуществляется с консоли (19 кнопок управления) с использованием монохромного ЖК-дисплея разрешением 64x240 пикселей, который отображает, в том числе, магнитуду, позволяя анализировать характеристики магнитных аномалий (изображение доступно при любых условия освещения).
В изделии можно выбирать не только цикл измерений (1, 2, 5, 10 изм./с), но и диапазон регистрируемых частот (0,5; 1; 2; 4; 8 Гц), уменьшая чувствительность к помехам. Имеются 3 базовые установки режима работы:
1) поиск ВОП;
2) обнаружение труб и металлических коммуникаций;
3) археология.
Технические характеристики изделия SmartMag представлены в табл. 1. На настоящий момент изделие устарело (например, отсутствует внутренняя функция GPS), образцы продаются в России и странах третьего мира по сниженным ценам. Судя по публикациям, SmartMag SM-4 до сих пор широко используется в археологических и геофизических исследованиях за рубежом. Цезиевый магнитометр/градиентометр NavMag SM-5 - новое, современное изделие Scintrex (на рынке с 2004 г.), его ТТХ приведены в табл. 1. NavMag обеспечивает наибольшую (для цезиевых приборов) чувствительность - не хуже 0,01 нТл для любого из 4-х устанавливаемых диапазонов циклов измерений - от 1 до 10 изм./с, работоспособен в расширенном диапазоне температур от 30° С. По сравнению с SM-4 новое изделие имеет новации, главной из которых является встроенная функция GPS с точностью не хуже 5 м (фото 6); имеется возможность подключения внешней DGPS с точностью до 1 м.
Изделие NavMag SM-4 включает в себя:
1) ЧМ типа CS-3 (фото 7) с электронным блоком, размещенные по разным концам алюминиевой штанги (для градиентометра - 2 шт.);
2) ранец-конструктив (фото 7);
3) консоль с кнопками управления и цветным дисплеем VGA, 640x480 пикселей (фото 8);
4) блок питания;
5) модуль GPS.
Таблица 1. Тактико-технические характеристики квантовых магнитометров с оптической накачкой паров цезия (Geometries, Scintrex)
Техническая характеристика Фирма, изделие
Geometries Scintrex
G-858 G-859 SmartMag SM-4 NaviMag SM-5
Пороговая чувствительность, пТл, при цикле измерений: 1 с (1 изм./с) 0,5 с (2 изм./с) 0,2 с (5 изм./с) 0,1 с (10 изм./с) 10 20 30 50 10 20 30 <10 <10 <10 10 <10 <10 <10 10
Чувствительность (с.к.о.), пТл/Гц0,5 4 8 3 3
Абсолютная точность, ± нТл, не менее 2,0 1,0 1,0
Курсовая погрешность, ± нТл, не более (при вращении ЧМ на 360°) 0,5 0,5 1,0 1,0
Температурный дрейф, нТл/°С, не более 0,05 0,05 0,01
Работоспособность при угле между вектором МПЗ и осью ЧМ, град 6.84 94.174 6.84 94.174 10.85 95.170 10.85 95.170
Оптимальный угол между МПЗ и осью ЧМ, град (для минимизации шума) 45 ± 30 45 ± 30 40.80 40.80
Динамический диапазон измерений, мкТл 17.100 18.95 15.100 20.100
Ограничение на допустимый градиент поля, мкТл/м, не более 20 20 40 40
Класс защиты изделия IP65 IP66 IP66 (ЧМ), IP56 IP65
GPS внешняя внутр. нет внутр./ внеш.
Функция градиентометра да нет нет да
Диапазон рабочих температур, °С -25.+50 -20.+50 -30.+50 -30. + 50
ЖК-дисплей монохром монохром монохром цветной VGA
Напряжение питания постоянного тока, В 24.30 (ном. 24) 12.34 (ном. 24) 2х(10.14) (ном. 2x12) 4x12 (ном. 24) внеш. 21.28 В
Потребляемая мощность, Вт, не более при запуске в рабочем режиме (при 20° С) 18 12 12 8 5 30
Время непрерывной работы от аккумулятора, ч магнитометр градиентометр 8 3 5.7 (GPS) 20 7.8
Память измерений (с GPS), тыс. (магнитометр) 6 250 310 8000
Масса, кг ЧМ конструктив для переноса БЭ, консоль аккумулятор Итого 0,34 2,4 1,6 ~16 (с GPS) 0,34 1,6 1,6 1,6 ~8,5 2,2 4,4 ~8,7 1,7 2,2 2,0 4x0,75 ~7,9
Время достижения рабочего режима после включения (нагрев ЧМ), мин, не более (при -20° С) 10 5.10 20 15
Специализированное ПО MagMap 2000 MagMap 2000 Scintrex Map Registrat
а б
Рис. 9. Изделия: а - GSMP-35 (магнитометр); б - GSMP-40 (градиентометр)
Простой и легкий конструктив обеспечивает реализацию вертикального и горизонтального градиентометра. Время разогрева (цезиевого ЧМ) до подходящих условий составляет 15 мин. Блок питания состоит из 4-х аккумуляторов 12 В (5,0 А*ч). Дисплей имеет Шіп^^Б-подобное меню, расширенный интерфейс позволяет импортировать данные сразу в персональный компьютер. ЫауМад в наибольшей степени, чем рассмотренные выше КМ, соответствует требованиям к изделиям, предназначенным для поиска ВОП, и, прежде всего, по максимальной чувствительности, температурному диапазону, а также возможности работать в режиме горизонтального градиентометра (с базой 0,5 или 1,0 м). В последнем
случае ширина ЗО может достигать 3 м, а глубина поиска ВОП - до 10.12 м. Стоимость градиентометра ЫауМад в США - около 40 тыс. долл.
Магнитометры/ градиентометры фирмы GEM Systems
Компания GEM Systems (Канада, существует с 1980 г.) разрабатывает калиевые КМ, которые имеют известные преимущества по сравнению с цезиевыми.
GSMP-30 (разработка конца 80-х гг.) -сверхвысокочувствительный калиевый квантовый магнитометр/градиентометр [23]. GSMP-30 не требует периодической градуировки, так как относительное по-
ложение компонент не влияет на функционирование ЧМ. Механическая устойчивость, высокая чувствительность и быстродействие (до 10 изм./с) позволило использовать его в режиме поиска ВОП и гуманитарного разминирования. Изделие включает:
1) ЧМ, установленный на штанге и встроенный высокочастотный предусилитель;
2) БЭ с ЖК-дисплеем;
3) пояс для аккумуляторов (24 В) с наплечными ремнями.
ЧМ заключен в крепкий пластмассовый корпус (диаметр 89 мм, длина 152 мм), в сборе он включает калиевую лампу, ячейку поглощения с паром калия и фотодетектор. Корпус его хорошо термоизолирован, чтобы уменьшить время на подогрев и расход энергии во время работы. БЭ оснащен 16-клавишной алфавитно-цифровой клавиатурой и монохроматическим ЖК-дисплеем (30x8 символов). БЭ содержит узлы частотомера, модуль записи/хранения данных, устройство управления графическим просмотром данных в реальном времени. Все действия с GSMP-30, включая навигационные, доступны через интерактивное меню. Изделие комплектуется навигационным модулем OEM GPS, встраиваемым в БЭ. Сбор данных с GSMP-30 предлагает интеграцию с координатами, получаемыми с помощью GPS, которые записываются вместе с каждым отсчетом магнитометра/градиентометра.
Универсальная штанга GSMP-30 имеет конструкцию, позволяющую проводить измерения вертикальных и горизонтальных магнитных градиентов, обеспечивая постоянный угол между вектором МПЗ и оптической осью ЧМ (в пределах 10.80° независимо от подъема над землей. Это устраняет потери информации при возможном попадании в «мертвую зону» 0.10°. Опция «Walking» позволяет осуществлять поиск ВОП вдоль определенного маршрута, на каждой точке маршрута при съемке оператор касается соответствующей клавиши, изделие определяет интерполяционную координату для всех промежуточных измерений, при этом большая плотность измерений улучшает определение местоположения ВОП. Технические данные GSMP-30 представлены в
Техническая характеристика Изделие
GSMP-ЗО GSMP^S GSMP-40 (V.7.0)
Пороговая чувствительность, пТл, при цикле измерений: 1 с (1 изм./с) 0,5 с (2 изм./с) 0,2 с 0,1 с 0,05 с (20 изм./с) 2 + + 10 + 3 7 12 20 2 5 9 14
Чувствительность (с.к.о.), пТл/Гц0,5 (на частоте измерений, Гц) 3,5 (20) 2,5 (1) 3,7 (5) 2,5 (1) 4,7 (20)
Абсолютная точность, ± нТл, не менее 0,1 0,1 0,1
Курсовая погрешность, ± нТл, не более (при вращении ЧM) 0,1 0,025 0,05
Работоспособность при угле между MTO и осью ЧM, град. 10.B0, 100.170
Оптимальный угол между вектором MTO и осью ЧM, град. 30
Динамический диапазон измерений, мкТл 20.120
Ограничение на допустимый градиент поля, мкТл/м, не более 3 30 13
Класс защиты изделия IP65
Функция градиентометра да
Диапазон рабочих температур, “С -40.+55
Напряжение питания постоянного тока, В 1B.35 (ном. 24) 22.32 22.32 (ном. 24)
Потребляемая мощность, Вт, не более при запуске в дежурном режиме ( + 20° С) 25 B 50 12 50 12
Память точек измерений, тыс. (с GPS) 262 (градиент.) 34B (магнит.)
Mасса, кг ЧM 1,3 1,5 1,5
конструктив с поясом БЭ 1,2 1,6 1,6 0,B 1,6
аккумулятор Итого (в режиме градиентометра) 5,B 12,3
Время вхождения в рабочий режим после включения (нагрев ЧM), мин, не более (-30° С ) 15 10 10
Специализированное ПО GEM Link 6.0 GEM LinkW GEM LinkW
табл. 2, в настоящее время выпускается только авиа-вариант GSMP-30A, в России продаются старые приборы из «запасников» НАТО и прочих структур.
GSMP-35, GSMP-40 (фото 9) являются новыми модификациями GEM Systems изделия GSMP-30, обладающими улучшенными параметрами. GSMP-35 и GSMP-40 выпущены в продажу соответственно в 2006 и 2003 г. Внутренней памяти БЭ хватает на 8 ч непрерывной
записи результатов измерений (32 МВ или более 260 тысяч измерений в режиме градиентометра). В табл. 2представлены их основные ТТХ, в изделиях применен новый калиевый ЧМ диаметром 64 и длиной 141 мм. GSMP-35 и GSMP-40, в отличие от СЯМР-30, в России пока не поставляются [24], возможно это связано с ограничениями на двойные технологии. Стандартным диапазоном рабочих температур является -20... + 55°С, по отдельному заказу нижняя граница
расширяется до оптимума (для российских условий) 40°С.
GSMP-35 является менее чувствительным, чем GSMP-40, зато позволяет работать на местности с высоким уровнем градиента поля. В целом современные квантовые магнитометры/градиентометры GEM Systems с оптической накачкой паров калия являются лучшими по чувствительности и механической прочности, однако их стоимость достигает в США 40.45 тыс. долл.
Отечественные квантовые магнитометры с оптической накачкой
В России фактически существуют лишь образцы (лабораторные, опытные и пр.) магнитометров или чувствительных модулей, которые при определенных условиях могут использоваться в приборах для поиска ВОП.
ГОУ «НПЦ им. С.И. Вавилова» (Москва) производит квантовые магнитометры с оптической накачкой паров калия, обладающие уникально высокой разрешающей способностью ~1 пТл/Гц0,5 при временном разрешении до 10 изм./с [27, 28]. Магнитометр имеет высокую долговременную стабильность лучше 0,1 нТл и способен функционировать во внешнем поле с индукцией 15.100 мкТл, обладая точностью 0,1 нТл и ориентационной ошибкой не более 0,03 нТл. Как уверяют разработчики, у данного магнитометра нет «мертвых зон», связанных с ориентацией оптической оси ЧМ вдоль вектора МПЗ. В Институте разработаны также различные программы интерпретации карты измерений.
ФГУ НПП «Геологоразведка» (С.-Петербург, бывшее НПО или ВИРГ «Руд-геофизика») в настоящее время серийно выпускает переносной квантовый магнитометр ПКМ-1 (фото 10), предназначенный, в основном, для ведения наземных магниторазведочных работ и геологических исследований в районах с повышенным уровнем магнитных помех или большой неоднородностью геомагнитного поля [29]. Его можно
также применить и для поиска ВОП, различных трубопроводов, однако без конструктивной доработки магнитометр не может быть использован при работах в условиях вибрации и ударов (не обладает требуемой механической прочностью).
Диапазон измерения модуля магнитной индукции 20.100 мкТл с погрешностью отсчитывания 1 пТл, систематическая погрешность в нем не превышает ±2 нТл, максимальное быстродействие составляет 10 изм/с. измерений (с.к.о.) - не более 15 пТл, стабильность показаний КМ за 8 ч непрерывной работы - более ±1,5 нТл. Оптимальная угловая рабочая зона ПКМ-1 составляет 20.60° относительно вектора МПЗ, при этом дополнительная погрешность измерения, не превышает ±1,0 нТл. КМ имеет два режима работы: 1) ручной с запуском от кнопки; 2) автоматический с запуском от внутреннего таймера (погрешность хода - не более
1 с за 8 ч непрерывной работы). Данные измерений фиксируется в памяти
2 Мб.
Диапазон рабочих температур квантового магнитометра 10.+50° С, питание осуществляется от аккумуляторной батареи напряжением 11. 15 В; среднее энергопотребление в установившемся режиме не превышает 10 Вт (при температуре +20° С). Время установки рабочего режима после включения питания не превышает 15 мин. в нормальных условиях и 30 мин. при температуре 10 °С. Масса рабочего комплекта магнитометра составляет
5 кг. Как видно из приведенных данных, ПКМ-1 практически по всем параметрам уступает зарубежным образцам, выигрывая в цене (в 2.3 раза).
В 90-е гг. НПО «Рудгеофизика» серийно выпускало квантовый магнитометр ММ-60 (модификации ММ-60М, ММ-60М1) с цезиевым ЧМ, используемый до сих пор в отечественной геофизике. Его чувствительность 10 пТл (цикл измерений 0,1 с) позволяла при определенных условиях (например, в теплую погоду, при определенной осторожности) использовать изделие для поиска ВОП. Стоимость его была в несколько раз меньше, чем G-858.
Выводы
1. Современные зарубежные квантовые магнитометры/градиентометры, которые могут использоваться для поиска ВОП, выпускаются двумя канадскими и одной американской фирмами. Они характеризуются в целом очень высокой обнару-жительной способностью (глубина поиска до 15 м при пороговой чувствительности 2.10 пТл), высокой стоимостью (десятки тысяч долларов США) и расширенным интерфейсом возможностей, из которых главными являются встроенная GPS и обработка данных (посредством специализированного ПО) в целях построения карты магнитных аномалий. Широкая зона обнаружения, особенно у горизонтальных градиентометров, позволяет реализовать высокий темп поиска - в несколько раз больше, чем при использовании феррозондовых вертикальных градиентометров типа FEREX, имеющих к тому же в 2.2,5 раза меньшую предельную глубину поиска.
2. Калиевые чувствительные модули (производимые Scintrex) имеют важные преимущества перед цезиевыми, прежде всего, даже не более высокую чувствительность (которую в условиях поиска «с ходу» реализовать трудно), а большую устойчивость к вибрациям и механическим воздействиям, более широкий диапазон рабочих температур по минусу.
3. В России в настоящее время не существует серийного изделия - квантового магнитометра с оптической
накачкой, которое может использоваться для поиска ВОП в условиях, приближенным к требованиям войскового разминирования. При теплой погоде таковым изделием может являться ПКМ-1 производства «НПП «Геологоразведка», однако оно предназначено, прежде всего, для целей
геофизики. Некоторые нужные опции (звуковой канал, встроенная GPS) отсутствуют, интерфейс управления и визуализации слабый, конструкция недостаточно жесткая, режим градиентометра не реализуется. На базе имеющихся научных заделов, по-видимому, возможно
создание отечественного аналога изделия Geometrics G-8S8 с близкими характеристиками. Однако реализация требований по работе в полевых условиях воздействия широкого спектра природно-климатических воздействий и вибраций представляется затруднительной
Литература
1. Звежинский С.С., Парфенцев И.В. Метод магнитометрического обнаружения взрывоопасных предметов/ Спецтехника и связь, 2008. - № 2. - С. 8 - 17.
2. Звежинский С.С., Парфенцев И.В. Магнитометрические феррозондовые градиентометры для поиска взрывоопасных предметов/ Спецтехника и связь, 2009. - № 1. - С. 16 — 29, № 2. - С. 16 - 23.
3. Stanley J.M., Cattach M.K. Magnetometer systems for UXO detection on land. - Geophysical Technology Lim., Australia (www.g-tek. biz).
4. Military munitions response actions. Engineering manual. - USA army Corps of Engineers. - EM 1110-1-4009. - 15 June 2007. — 346 p.
5. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. — 187 с.
6. Александров Е.Б. Атомно-резонансные магнитометры с оптической накачкой (обзор). Исследования в области магнитных измерений/ под ред. Е.Н. Чечуриной. - Л.: ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева, 1978. - Вып. 215 (275). - С. 3 - 10.
7. Панин В.В., Степанов Б.М. Практическая магнитометрия. - М.: Машиностроение, 1978. — 112 с.
8. Forner S. Review of magnetometry/ IEEE Trans. on Magnetics, 1981. - V. 17. - № 6. - P. 3358 - 3363.
9. Белый Е.М. Магнитные измерительные преобразователи: новые разработки и перспективы/ Зарубежная радиоэлектроника, 1985. - № 4. - С. 80 - 90.
10. Hoffman G.R., Birtwistle J.K. Factors affecting the performance of a thin film magnetoresistive vector magnetometer/ J. Appl. Phys., 1982. - V. 53. - № 11. - P. 8266 - 8268.
11. Kwiatkowski W., Tumanski S. The permalloy magnetoresistive sensors - properties and application/ J. Phys. E: Sci. Instruments, 1986. - V. 19. - P. 502 - 516.
12. Hoffman G.R. Some factors affecting the performance of a thin film inductance variation magnetometer/ IEEE Trans. on Magnetics, 1981. - V. 17. - № 6. - P. 3367 - 3369.
13. Пануровский В.Н. Оптимизация параметров первичного преобразователя магнитостатического вариометра/ Измерения параметров магнитных полей. - Сб. науч. тр. - Л.: 1981. - С. 62 - 66.
14. Климович Е.Н. Методы уменьшения погрешностей и снижения порога чувствительности одновиткового инфранизкочастотного индукционного магнитоприемника/ Тез. докл. 7-й всесоюз. науч.-тех. конф. «Проблемы магнитных измерений». - Л.: 1989. - С. 72.
15. Васильев Б.В., Полушкин В.Н. Магнитометр на основе одноиндуктивного высокотемпературного СКВИДа. - Дубна: Препринт ОИЯИ Р13-89-85, 1989. — 6 с.
16. Drung D. et al. Integrated dc SQUID magnetometer with high dV/dB/ IEEE Trans. on Magnetics, 1991. - V. 27. — № 2. — P. 3001 — 3004.
17. Бондаренко С.И. и др. Чувствительный сверхпроводниковый магнито-градиентометр с высоким астатизмом/
Тез. докл. 7-й всесоюз. науч.-тех. конф. «Проблемы магнитных измерений. — Л.: 1989. — С. 116.
18. http://www.ironcross-cma.com.
19. Metal detectors and PPE Catalogue 2005. — Geneva International Centre for Humanitarian Demining. — Geneva, Feb. 2005. — ISBN 2-88487-024-5. — 174 p.
20. Metal detectors and PPE Catalogue 2007. — Geneva International Centre for Humanitarian Demining. — Geneva, Feb. 2007. — ISBN 2-940369-01-1. — 203 p.
21. http://www.geometrics.com.
22. http://www.mikon-online.com/catalog/product_info.php/cPath/82/ products_id/227318/
23. http://www.gemsys.on.ca.
24. http://www.agtsys.ru.
25. http://www.scintrexltd.com.
26. Smartmag. Models SM-4/4G. Operation manual. — Canada. — Scintrex Limited, 1996. — Doc. P/N 759704 (v. 1.0). — 216 p.
27. http://www.ns1.npkgoi.ru.
28. http://www.ironcross-cma.com.
29. http://www.geolraz.com.
