Квантовые магнитометры с оптической накачкой для поиска взрывоопасных предметов.

Квантовый магнитометр Geometrics 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.

дисплей (а);

внешний вид (б);

комплект изделия (в)
Фото 3. Квантовый магнитометр G-859

Имеется 3 диапазона чувствительности (циклов измерений), самый быстрый цикл − 5 изм./с. соответствует пороговой 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 G-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 Geometrics G-882 c пороговой чувствительностью 0,01 нТл (цикл измерений 0,1 с) или 0,001 нТл (цикл 1 с).

Цезиевый ЧМ работоспособен при температуре  35…+500 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 Scintrex Ltd. (Торонто, Канада) как изготавливает законченные приборы, так и поставляет отдельные квантовые магнетометры (типа CS-3, CS-3L).

Квантовый магнитометр/градиентометр SmartMag (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 − ферромагнетиков) [25].

При разработке изделия за основу был взят металлообнаружитель V-92 Scintrex.

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 2×12 В (4 А×ч), которые закрепляются на поясе оператора сзади.

Опцией являются наушники, подключаемые к консоли при поиске ВОП.

Аккумуляторы поддерживают непрерывную работоспособность в течение 20 ч при +200 С; для питания изделия возможно подключение к консоли внешнего аккумулятора 12 В, например, автомобильного.

ЧМ − влагонепроницаем (IP67), остальные узлы − пыленепроницаемы.

Внутренней памяти достаточно для записи 310 тыс. измерений в режиме магнитометра и 190 тыс. − градиентометра, чтобы посредством RS-232 (RS-422 для SM-2) передать данные в компьютер для составления карты аномалий с помощью специализированного ПО «Envimap».

а − в работе;

б − консоль с ЖК-дисплеем и кнопками управления
Фото 4. Квантовый магнитометр SmartMag SM-4:

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 градиентометр 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 64×240 пикс., который отображает, в том числе, магнитуду, позволяя анализировать характеристики магнитных аномалий (изображение доступно при любых условия освещения).

а)

б)
Фото 5. Квантовый градиентометр SmartMag SM-4G:
а − вертикальный с базой 0,5 м;
б − горизонтальный с базой 1,0 м

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  300 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.

а)

б)
Фото 6. NavMag SM-5: в режиме магнитометра (а)
и горизонтального градиентометра c внутренней антенной GPS (б)

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, 640×480 пикселей (фото 8);
4. блок питания;
5. модуль GPS.

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 Windows-подобное меню, расширенный интерфейс позволяет импортировать данные сразу в персональный компьютер.

а)

б)
Фото 7. Составные части NavMag SM-5:
конструктив для вертикального градиентометра (а),
чувствительный модуль с электронным блоком (б)

Фото 8. Консоль NavMag SM-5

NavMag 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 NavMag в США − около 40 тыс. долл.

Таблица 1. Тактико-технические характеристики квантовых магнитометров с оптической накачкой паров цезия (Geometrics, Scintrex)