Как собрать протонный магнитометр из подручных средств: наука в банках для специй
В основе современной магнитно-резонансной томографии (МРТ) лежит фундаментальное физическое явление — ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Ядра определенных атомов, например, водорода в молекулах воды, начинают колебаться при воздействии магнитного поля. Эти микроскопические сигналы можно зафиксировать с помощью обычных индуктивных катушек. В то время как медицинские МРТ-сканеры генерируют мощнейшие поля с частотами в десятки мегагерц, существует прибор, работающий на гораздо более скромных частотах — протонный прецессионный магнитометр. Он идеально подходит для измерения магнитного поля нашей планеты.
Такие устройства десятилетиями применяются в геологии и археологии, а стоимость профессиональных моделей исчисляется тысячами долларов. Однако в 2022 году немецкий инженер Александр Мумм предложил элегантную и простую схему бюджетного аналога. Построив этот прибор, я убедился: для высокоточного измерения земного магнетизма достаточно полкилограмма медной проволоки AWG 22, пары микросхем, одного MOSFET-транзистора и двух пустых баночек из-под специй.
Принцип работы устройства схож с МРТ: мы измеряем колебания протонов (ядер водорода). Протоны обладают спином — квантовым свойством, напоминающим момент импульса. В магнитном поле они ведут себя как волчки, описывая конус вокруг силовых линий. Это движение называется прецессией. Задача магнитометра — синхронизировать вращение множества протонов, а затем измерить частоту их прецессии, которая строго пропорциональна напряженности окружающего поля.
Поскольку магнитное поле Земли относительно слабое, частота этих колебаний оказывается в звуковом диапазоне. Синхронно вращающиеся протоны индуцируют в катушке напряжение, которое после усиления можно подать на наушники. Вы буквально слышите голос элементарных частиц.
Конструкция начинается с изготовления датчиков. Использование двух катушек, намотанных в противоположных направлениях и соединенных последовательно, критически важно для помехоустойчивости. Такая конфигурация (дифференциальная схема) эффективно подавляет внешние наводки от электросети, при этом полезный сигнал от прецессирующих протонов суммируется и усиливается.
Работа магнитометра делится на три фазы:
- Поляризация: через катушки пропускается постоянный ток, создавая сильное поле, которое выстраивает спины протонов в воде.
- Релаксация: ток резко отключается, позволяя внешнему полю начать процесс прецессии.
- Детектирование: катушки переключаются на вход чувствительного аудиоусилителя для «прослушивания» сигнала.
Защита от импульсных перенапряжений
На втором этапе кроется техническая сложность: при резком разрыве цепи катушки индуктивности возникает ЭДС самоиндукции — высоковольтный скачок, способный сжечь контакты или электронику.
Чтобы обуздать этот импульс, Александр Мумм применил MOSFET в режиме мощного стабилитрона. Это ограничивает напряжение на безопасном уровне и позволяет устройству мгновенно переходить в режим приема. Для максимальной чувствительности контур настраивается в резонанс с ожидаемой частотой прецессии (частотой Лармора), которая для большинства регионов составляет около 2 кГц. Точное значение можно рассчитать, зная местную напряженность геомагнитного поля и гиромагнитное отношение протона.
Настройка выполняется подбором резонансного конденсатора. Проверить работоспособность можно методом обратной связи: поднесите динамик, подключенный к выходу, к катушкам — возникнет автогенерация звука. Измерив частоту этого тона, вы поймете, на какой диапазон настроен ваш прибор.
Главный враг протонного магнитометра — градиенты магнитного поля. В помещении, рядом с трубами, арматурой или электроникой, прибор работать не будет. Идеальные условия — открытое пространство вдали от металла. Кроме того, для стабильного результата я рекомендую использовать для поляризации источник напряжением 36 В вместо стандартных 12 В.
Эксперимент подтвердил: устройство стоимостью менее 100 долларов действительно работает. При сливе воды сигнал исчезает, а спектральный анализ через ПО Spectrum Lab показывает точность измерений в пределах 1%. Это не просто научная игрушка, а доступный инструмент для изучения невидимых сил нашей планеты.
