UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

FACULTAD DE GEOLOGÍA GEOFÍSICAS Y MINAS

ESCUELA DE INGENIERIA GEOLOGÍCA

CursoPROSPECCIÓN GEOFÍSICA 1

Tema MAGNETÓMETRO DE POTASIO

Integrantes: GRUPO 10

MAMANI CARLOS NIKE ALDO

AREQUIPA – PERÚ

2012

MAGNETÓMETRO DE POTASIO

1. INTRODUCCIÓN

Un magnetómetro es un instrumento con un sensor que mide la densidad de flujo magnético (B) (en unidades de Tesla o As /m2 ).

La tierra genera un débil campo magnético que produce densidades de flujo (en aire) de alrededor de 18 micro Tesla en algunas partes de América del Sur y una máxima de más de 60 micro teslas en el Círculo Polar Ártico y la Antártida.

Figura1: intensidad del campo magnético total en nT

Dado que la densidad de flujo magnético en el aire es directamente proporcional a la fuerza del campo magnético H [A / m], un magnetómetro es capaz de detectar las fluctuaciones en el Campo de la Tierra.

Los valores registrados puede deberse a efectos dinámicos o estáticos. Las anomalías relacionadas a efectos dinámicos están relacionadas con la actividad en el núcleo fundido de la Tierra, por la actividad de la energía solar , por las corrientes en chorro iónicos y tormentas desde el espacio. Las Anomalías debido a efectos estáticos están relacionadas con los diferentes materiales presentes en la corteza terrestre. Materiales que distorsionan las líneas de flujo magnético que se conoce como campo magnético, e incluyen materiales tales como magnetita que poseen su propio campo magnético, con conductividad magnética muy alta. Los materiales de este tipo crean distorsiones

en el flujo magnético de la Tierra que fluye a su alrededor. Los magnetómetros detectan estas distorsiones.

Un magnetómetro mide la densidad de flujo magnético en el punto en el espacio donde el sensor está situado. Una distorsión generada por un objeto magnético (dipolo magnético) Generalmente cae en intensidad con el cubo de la distancia desde el objeto. Por lo tanto, la distancia máxima que un magnetómetro dado puede detectar el objeto es directamente proporcional a la raíz cúbica de a la sensibilidad magnetómetro.

La sensibilidad se mide en nanoTeslas, [10 -9  T] o gamma ( unidad que muchos geofísicos suelen utilizar), o en el pico Tesla [10 -12T] o femto Tesla [10-15   T].

En términos generales, todos los dispositivos magnetométricos se pueden agrupar en dos clases principales, que son dispositivos clásicos y cuánticos (EB Alexandrov , miembro de la Academia Rusa de Ciencias).

Los dispositivos clásicos son dispositivos mecánicos, como imanes suspendidos en el hilo delgado, bobinas de inducción, etc Hay dos tipos de dispositivos cuánticos: magnetómetros super-conductores basados en efecto Josephson, y magnetómetros que utilizan el efecto de resonancia magnética nuclear o atómica. Los magnetómetros de amplia difusión como los de protones y sus versiones Overhauser son los dispositivos más simples de este tipo. Los dispositivos más avanzados de la clase son los magnetómetros de bombeo óptico realizados sobre diferentes átomos y transiciones atómicas. Los más populares y de amplia difusión-se basan en Rubidio Cesio, y el helio, y el mas prospectivo de estos dispositivos es el magnetómetro de muy estrechas líneas de potasio, o magnetómetro de potasio

Figura 2: Clasificación de los dispositivos magnetométricos según el principio en que se basan

una gráfica muy aproximada (Fig. 3), dando una impresión sobre la distribución de los magnetómetros por los principales parámetros de medida precisión , sensibilidad y tiempo de respuesta. La flecha en diagonal indica la dirección general de la evolución de lo malo a lo bueno (dejando a un lado lo feo). Según este gráfico, el magnetómetro de potasio mantiene la pole position. (prof. EB Alexandrov , miembro de la Academia Rusa de Ciencias).

Figura 3: distribución de magnetómetros cuánticos por principales parámetros

Generalmente, se realiza otra clasificación de los magnetómetros lo cual los dividen en dos categorías que varían drásticamente tanto en funcionalidad como principio de funcionamiento:

Magnetómetros vectoriales :

Miden el valor de densidad de flujo en una determinada dirección en el espacio tridimensional (la densidad de flujo magnético es un vector, significando esto que tiene una dirección, así como una magnitud). Un ejemplo es el magnetómetro fluxgate que puede medir fuerza de cualquiera de los componentes del campo magnético de la Tierra orientado el sensor en la dirección deseada.

Magnetómetros escalares:

Miden sólo la magnitud del vector que pasa a través del el sensor sin considerar la dirección. Los magnetómetros cuánticos son un ejemplo de este tipo de magnetómetro (a excepción de los dispositivos SQUIDS).

2. MAGNETÓMETROS CUÁNTICOS

Los magnetómetros cuánticos se basan en la rotación de las partículas subatómicas:

Núcleos - generalmente protones o isotopos de helio electrones de valencia desapareados

El giro de los núcleos y electrones de valencia desapareados están asociados con el momento magnético y es característico de cada partícula en particular. El momento magnético de cada partícula con el campo aplicado está cuantificado o limitado a un conjunto discreto de valores según lo determinado por las reglas de la mecánica cuántica. Las ecuaciones siguientes se refieren al momento magnético constante de giro magnético y momento mecánico y cuántico:

μ = σn P

μ = σn Ih/2π

donde :μ : vector momento magnéticoσn : constante magnética de giro(característico de cada partícula)P : vector momento mecánicoh : constante de PlanckI: numero cuántico

En los campos magnéticos hay 2I+1 orientaciones para electrones y núcleos. Para cada uno de estos I= ½ hay sin embargo solo dos posibles orientaciones (paralelo o anti paralelo al campo magnético).

Dado que las poblaciones de cada una de las orientaciones son diferentes, un conjunto de los vectores momentos magnéticos producirán una pequeña red de magnetización macroscópica que estará alineado con el campo magnético.

La magnetización del núcleo o del spin del electrón es estático. Si los momentos magnéticos primarios son forzados fuera de alineación de la dirección del campo magnético, el movimiento de precesión de las partículas correspondiente (es decir, girar) es alrededor del campo en un plano perpendicular de precesión de la dirección del campo.La precesión asociada con una frecuencia angular, es llamada frecuencia de Larmor , ω0, tal como se define de acuerdo con la siguiente expresión:

Donde:B: densidad del flujo magnético, siendo este proporcional al campo magnético

Sin embargo, en campos magnéticos débiles, tales como la de la Tierra, las señales de todos los magnetómetros escalares son demasiado débiles como para permitir una medición simple de la frecuencia de Larmor . Se debe aumentar la intensidad o "polarización" para garantizar sensibilidad suficiente para la medición.

Debido a la distribución de los campos magnéticos locales, todas las partículas en el sensor de movimiento de precesión, con frecuencias diferentes, naturalmente, pierden sincronía con el tiempo.La señal asociada con la la precesión decae exponencialmente y el tiempo característico del decaimiento es llamado "transversal" tiempo de relajación T2.Del mismo modo, si aplicamos un campo magnético a un conjunto de giros, se necesitara tiempo para establecer magnetización macroscópica. El aumento es nuevamente exponencial con el tiempo constante, T1, llamado "longitudinal" tiempo de relajación. La intensidad de magnetización es proporcional a la intensidad del campo magnético aplicado.

La fuerza de la magnetización y por lo tanto, de la detección de la señal de precesión, depende de la diferencia en las poblaciones de las dos orientaciones demomentos magnéticos. El aumento de dicha diferencia se llama polarización y puede lograrse de tres maneras en magnetómetros cuántica:

Aplicación de un fuerte campo magnético auxiliar (densidad de flujo en realidad).

Transferencia de la polarización natural de electrones auxiliares a protones (Efecto Overhauser). Este fenómeno se basa en efectos nucleares.

la manipulación óptica o de bombeo "pumping" de electrones mediante la elevación a un mayor estado de forma selectiva. Este fenómeno se basa en los efectos de la resonancia nuclear y los efectos de resonancia de electrones.

En la práctica, T2 es muy corta en muestras sólidas. Todos magnetómetros cuánticos por lo tanto, utilizar sensores detectores de metales, líquidos o gaseosos. En los líquidos y gases T1 y T2 asumen valores entre una fracción de un segundo a varios segundos. Una excepción es helio 3, que tiene un valor T2 de varias horas o incluso días.

2.1. MAGNETÓMETRO DE BOMBEO ÓPTICO BASDO EN POTASIO

Los magnetómetros de bombeo óptico (Optically Pumped Magnetometers)

En el grupo de los magnetómetros de bombeo óptico se encuentran el magnetómetro nuclear (helio 3) y cuatro magnetómetros de electrones de resonancia (Helio 4, rubidio, cesio y potasio).

Siendo los magnetómetros más usados los de bombeo óptico de cesio y potasio.

Las aplicaciones de estos magnetómetros son similares a magnetómetros Overhauser con la excepción del magnetómetro de cesio que ofrece más altas velocidades de muestreo que su contraparte Overhauser .

El magnetómetro de potasio ofrece mayor sensibilidad y superior velocidad de lectura al basado en cesio sobre la base de la física de cada método.

Este magnetómetro emplea gas de potasio.

2.1.1. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN

El magnetómetro de potasio usa una célula conteniendo el gas alcalino de potasio. Esta célula debe ser calentada de manera continua entre 45 a 55ºC.

Estos operan de la siguiente manera:

En primer lugar, una celda de vidrio conteniendo el vapor del metal gaseoso potasio es expuesta (o por bombeo) a una luz de longitud de onda específica, un efecto llamado polarización de la luz. La frecuencia de la luz es específicamente seleccionada y polarizada circularmente para cada elemento (llamado línea espectral D1) para desplazar los electrones del nivel 2 al nivel 3 estos deben ser excitados

Los electrones en el nivel 3 no están estables, y estos electrones decaen espontáneamente a ambos niveles de energía 1 y 2 . Eventualmente el nivel 1 está totalmente lleno (es decir, el nivel 2 se ha agotado). Cuando esto sucede, la absorción de la luz polarizada se detiene y la célula de vapor se vuelve más transparente

Figura 4: magnetómetro cuántico con bombeo óptico

Es cuando la despolarización RF entra en juego. La potencia RF correspondiente a la diferencia de energía entre los niveles 1 y 2 se aplica a la célula para mover los

electrones desde el nivel 1 de nuevo al nivel 2 (y la célula se vuelve opaca de nuevo). La frecuencia del campo de RF necesaria para repoblar nivel 2 varía con el el campo

magnético y se denomina frecuencia de Larmor.

Figura 5: polarización y despolarización

La despolarización para un campo magnético circular en la frecuencia de Larmor reequilibra las poblaciones de los dos niveles y la célula de vapor comenzara a absorber más de la luz polarizada.

El efecto de la polarización y despolarización de la intensidad de la luz es modulada por la frecuencia RF. Mediante la detección de modulación de la luz y la medición de la frecuencia, se puede obtener un valor del campo magnético.

Las líneas espectrales del átomo de potasio son muy estrechas y no superponen. Como resultado, el diseño de un magnetómetro de potasio es algo más compleja que la de un magnetómetro de cesio.

El hecho de que las líneas espectrales de potasio no se superpongan significa que la utilización del potasio se traducirá en un magnetómetro con error de partida muy bajo. También significa que nunca un sistema de potasio requiere calibración. El único componente que se desgasta es la fuente de luz (la lámpara), que tiene una vida de miles de horas y es económico de reemplazar.

Otro de los beneficios de estrechas líneas espectrales es gran ancho de banda de potasio y sensibilidad. En laboratorio, el magnetómetro de potasio ha demostrado bajos niveles de ruido de menos de 0,05 PT y seguimiento de diferentes campos magnéticos de hasta 10.000 nT / seg.

3. APLICACIONES

Las aplicaciones son muy amplias siendo las importante de ellos son la física, la geofísica y la geología, pero las aplicaciones de la Magnetometría cuántica en la biología, la medicina, y los militares están creciendo rápidamente (prof. EB Alexandrov miembro de la Academia Rusa de Ciencias).

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Figura 6: aplicaciones de los magnetómetros cuánticos

4. Ventajas

Alta sensibilidad Velocidad de operación Alta precisión

5. MODELO GSMP-30

Figura 7: GSMP-30

Sensitivity:             0.001 NT/rootHzAbsolute accuracy:       ± 0.1 NTDynamic Range:           10,000 to 125,000 NTSample Rate:             1-20 readings per secondHeading Error:           less than 0.1 NT combined for sensor spins on all                        orientations from 10°to80°Mechanical:Sensor:               15.24cm X 8.26cm diam. 1.37 kgStaff Assembly:        1.72 meter length, 1.2 kg Electronics Box:      30.6 X 8.5 X 7.5cm, 1.6 kg Console:              22.3 X 6.9 X 24.0cm, 2.1 kgBattery Belt:         26.7 X 17.8 X 7.6cm, 5.8 kg Environmental: Storage Temperature:  -70°C to 55°C.Operating Temperature: -40°C to 55°C.Humidity:             0 to 100%, splashproof.Power Requirements:   Approx. 25 W at start updropping to approx. 8 W after warm up.

Power Consumption:    8 Watts typical at 20°C.Outputs:        Cycled measurements of the                       Total Magnetic Field supported                      by position and time as digital                      read out or graph form on the                      console or as ASCII format                       through a RS232 com port.

Electronics output:   consists of continuous signals                      at the Larmor frequency for                      potassium which is proportional                      to the magnetic field 7 Hz/NT

Figura 8: magnetómetro de potasio Portable

Magnetómetro de Bombeo Óptico o de Absorción

Mide la intensidad del campo magnético total. Consiste en un dispositivo conteniendo vapor de cesio, rubidio, helio o potasio en una celda de vidrio, que es bombeado con luz de frecuencia conocida para que los electrones de las orbitas externas se exciten y cambien de nivel al cargarse (polarización). Como las orbitas en las que se encuentran son muy inestables decaen a otros niveles más bajos liberando la energía que les sobra. Cuando los niveles más bajos están completos la polarización cesa y la celda de vidrio se vuelve transparente. La presencia de un campo magnético externo afecta estos cambios de orbita. En este estado, se aplica radio frecuencia para devolver electrones a la órbita superior, la energía que se aplica es la diferencia de energía entre un nivel y otro, al hacer esto la celda se vuelve opaca de nuevo. La frecuencia requerida varía con la intensidad del campo magnético presente (Frecuencia Larmor). De esta manera al despolarizar el proceso comienza de nuevo y la intensidad de luz de la celda es modulada por el circuito resonante. La frecuencia de resonancia del circuito es proporcional a la intensidad del campo magnético de la tierra.

Comparación de instrumentos Magnetómetro Tipo Overhauser

Es una evolución del magnetómetro de precesión, utiliza una mezcla de un líquido rico en electrones e hidrogeno. La mezcla es excitada por un campo magnético provocado por ondas de radio de alta frecuencia. La razón es que estas ondas son trasparentes al campo magnético de la Tierra y están fuera del ancho de banda de las ondas de precesión. De esta manera no

inducen ningún tipo de ruido. Los electrones libres de la mezcla transfieren la energía que les sobra cuando bajan de orbita a los protones de los átomos de hidrogeno. Esto polariza la

Una célula fotoeléctrica, también llamada célula, fotocélula o celula

fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (flujo de electrones libres) mediante el efecto fotoeléctrico.

Efecto fotoeléctrico. consiste en la emisión de electrones por un metal o fibra de

carbono cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:

6. BIBLIOGRAFIA

Ivan Hrvoic , Greg M. Hollyer , Brief Review of Quantum Magnetometers

http://www.ioffe.ru/atomic_radiospectroscopy_lab/atomic_radiospectroscopy_lab_files/quant_mags/magnetometers.html