hc-90d型日变站磁力仪选点的设计

hc-90d型日变站磁力仪选点的设计

1日变站布置点的环境、环境等因素影响地磁日变观测是地磁学研究的重要组成部分。它的精度直接影响结果数据的质量。除受仪器自身测量精度的影响外,日变观测精度还和日变站架设点的自然、人文环境有关,例如地磁场梯度、电力线、道路、管道等等。HC-90D型日变站系统采用的是跟踪式氦光泵磁力仪,本文将从氦光泵磁力仪的工作原理开始,结合实际工作对日变站的选点架设方法做一探讨。2用水泵磁力仪工作原理2.1亚稳态33s1的磁次扰动电子的绕核运动、电子自旋及原子核自旋使各自都具有一定的磁矩,原子的磁矩就是它们的矢量和。原子在外磁场中,由于受外磁场的作用,某一磁能级可分裂成为多个磁次能级(此过程叫做塞曼分裂),相邻磁次能级之间的能量差与外磁场成正比,当原子受到外界满足玻尔频率条件的电磁波作用,则会发生受激跃迁。由于HC-90D型日变站磁力仪是以氦(He4)作为工作物质,正常情况下,没有核磁矩,两个电子的自旋磁矩和轨道磁矩互相抵消,故原子没有磁性。如图1所示,He4的基态是1S0,为使氦原子产生磁矩,利用高频激发器使其过渡到亚稳态23S1,受地磁场作用,原子能级产生塞曼分裂。利用波长λ=10830.75A°(相当于23S1～23P1的辐射频率)的D1光线照射原子可使之发生跃迁,由于23S1中mj=+1的磁次能级上的原子不满足跃迁选择定则,不能吸收D1光线激发到23P1的任何能级上去,而mj=0,-1磁次能级上的原子将被激发跃迁到23P1的mj=+1,0的能级上。仅停留10-8s后,按选定原则又跃迁回23S1的各个磁次能级(含mj=+1),经过一段时间后,亚稳态23S1中的原子将可能全部集中到mj=+1的磁次能级上。实现了He4原子磁矩在光作用下的定向排列,即光学取向。这种利用光能,将原子的能态激发到同一个能级上的过程,就叫做光泵作用。2.2he4的光学取向与磁场分布光泵磁力仪的探头工作示意图如图2所示。氦灯内充有高气压的He4气体,吸收室内则充有低气压的He4气体,吸收室上绕有调制电磁线圈。工作前必须使用高频激发装置将吸收室内的He4激发到亚稳态正氦,在地磁场的作用下He4就具有了磁性。氦灯受高频电场激发后,发出10830.75A°的单色光(D1线),它透过凸透镜变成平行光,经圆偏振片变成波长λ=10830.75A°的偏振光,经1/4滤镜片后形成圆偏振光后通过吸收室,再经凸透镜聚焦照射到光敏元件上,形成光电流。在D1线射入吸收室前,之所以要将其转换成圆偏振光是为了使吸收室中处于亚稳态的He4在吸收光能从23S1激发到23P1时,必须满足跃迁选择定则Δmj=±1。其跃迁频率f与地磁场T有如下关系:f=γP2πT(1)f=γΡ2πΤ(1)其中,γP为原子磁矩比率。经过以上过程的光学取向,原子磁矩定向排列于同一空间方向上。在达到光学取向以前,由于圆偏振光被处于亚稳态的氦原子吸收,用于向23P1跃迁,所以透过吸收室的光就很弱,光敏元件感应产生的电流也很小。经过一定的时间,当亚稳态23S1的原子全部集中于mj=+1时,就不再吸收光能,透过吸收室的光最强,感应产生的电流就大。当达到光学取向后,垂直于地磁场方向加一调制电磁场,调制电磁场与已定向排列的原子磁矩的相互作用,产生去取向效应,从而打乱了吸收室内的原子磁矩的排列,使通过吸收室的光减弱。当外加调制电磁场频率等于原子跃迁频率时,即发生磁共振,此时的去取向作用最强,通过吸收室的光也就最弱,光敏元件上感应产生的电流就最小。由公式(1)可得:T=2πγPf(2)Τ=2πγΡf(2)对于氦原子来说,其原子磁矩比率是一定值;另外,在发生磁共振时原子跃迁频率与调制电磁场的频率相等,由公式(2)可以看出,只要测定出发生磁共振时调制电磁场的频率就可以计算出测点的地磁场强度。当外界磁场变化时,相应地改变调制电磁场的频率,使光电流始终保持最小,这就是跟踪式氦光泵磁力仪的工作方法。3测量点的布设日变观测精度的高低除受仪器自身测量精度的影响外,还和架设点的自然、人文环境(例如地磁场梯度、电力线、道路、管道等)有关,所以日变站的选点和架设方法必须有严格的要求。主要分两步进行:一是野外考察,二是架设仪器实地勘测。在进行考察工作以前,应尽量收集地质、航磁、地形图等技术资料,从航磁图上选择磁场分布均匀的地区。通过实地察看找寻几个符合地磁观测条件的架设点。在已圈定选点的地方进行野外实地勘察工作。内容包括:地形地貌状况、周围环境条件、特别要注意是否存在电磁干扰和有利于测点的长期保存,还应尽量避开各种人文干扰,如汽车、摩托车及其他大型机械设备,以及是否经常有人员或牲畜在待选点附近活动和停留。同时还应通水通电,满足基本的居住条件。通过对所收集的地学等基本资料与野外实地勘察得到的各种资料进行综合分析比较,确定环境良好、无电磁干扰的地点作为预选测点。表1给出了测点距各种干扰源的最小距离。预选测点确定以后,为确定该点是否满足测量要求,还必须架设仪器实地勘测。一般要求测点周围的地磁场梯度(包括水平梯度和垂直梯度)要分布均匀且小于2.0nT/m,以减少测量时因探头位置变动所引起的误差。例如,假定测点周围磁场梯度为5.0nT/m,探头位置变动0.1m,则由此产生的误差就达0.5nT。显然,测点周围磁场梯度越大,此误差就越大,从而影响地磁日变观测数据的精度。日变站点的实地勘测主要分水平梯度测量和垂直梯度测量两项。进行水平梯度测量和垂直梯度测量时,需要两台同精度的日变站系统,一台用于测点梯度测量,另一台架设在离测点30m左右的地方与梯度测量进行同步观测,以便消除梯度观测数据中的日变影响。磁场梯度测量方法如下:(1)水平梯度测量。以预选测点为中心,沿东西、南北方向布设成1m间距的田字测点阵(如图3)。测量时,首先将日变站探头放置到预选点上,待仪器稳定后,同时读取两台仪器的测量值并计算两者差值。然后将仪器分别放置在其他测量点上测量各自的磁力值并计算同一时刻与另一台仪器测量值之间的差值。(2)垂直梯度测量:在测点正上方的0.5m、1.0m、1.5m和2.0m高度上,测量垂直梯度。3.1测点周围的环境状况为取得可靠的地磁数据,野外测量应当在环境良好的测点上进行。由于地磁测量容易受到各种干扰的影响,因此,测量人员在到达测点之后,首先应当仔细考查测点周围的环境状况,包括可能引起电磁干扰的各种因素。例如,测点附近是否存在铁磁性杂物、干扰源、测桩是否完好等。表1列出的地磁台站(测点)离开各种电磁干扰源的最小距离,是实际考察测点环境状况的重要依据。如果测点环境有变化,应当立即进行处置,如消除测点附近的杂物、移去可移动的干扰源等,并进行检测,详细记录实际情况,注明无法排除的环境因素,为分析处理测量数据及其结果提供参考。3.2新研究点的定位应用GPS,测定各测点的经纬度与高程。3.3分段进行的原则野外测量,最好在地磁比较平静的日期与时段进行,尽量避开地磁变化较大、磁扰和磁暴的时间段。每天磁测之前,磁测人员应当校对时间,以使测量时间精度在±1s之内。3.4设备安装在每次野外测量中,应当尽量使磁力仪的探头在测桩上方的高度与位置保持一致,以减少由于各次测量中探头位置差异而带来的误差。3.5点志记的建立野外测量记录,要求完整、正确、清楚。每个测点都需绘制点位图,填写点志记。记录内容包括测点名称、点号、仪器型号、测量时间、地磁数据,以及天气、环境