Квантовые магнитометры с оптической накачкой для поиска взрывоопасных предметов.

Квантовые магнитометры с оптической накачкой для поиска взрывоопасных предметов.

ЗВЕЖИНСКИЙ Станислав Сигизмундович, профессор, доктор технических наук
ОАО НПК «Дедал», ведущий научный сотрудник

ПАРФЕНЦЕВ Игорь Валерьевич, кандидат технических наук
ФГУП «15 ЦНИИИ МО РФ им.Д.М. Карбышева», начальник отдела.

Источник: журнал «Спецтехника и связь» №3 2009 год

В обзоре проанализированы основные технические характеристики и применение современных квантовых магнитометров с оптической накачкой для поиска взрывоопасных предметов.

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, массогабариты (поиск осуществляется человеком-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 − электронно-оптическом 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-магнитное деполяризующее поле с частотой f (обеспечивается соленоидом), соответствующей разнице энергий этих уровней, перемещает электроны с 1-го уровня ко 2-му, при этом пар 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-осциллятор, 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 частотомер, 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 450.

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, обеспечивает 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 обеспечение (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 «G».

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 Geometrics

Квантовый магнитометр G-858 с оптической накачкой паров нерадиоактивный Cs133 (производитель − компания Geometrics, г. Сан-Хосе, США, существует с 1969 г.) прочно вошел в перечень изделий, применяемых для поиска ВОП [19 − 21].

Со времени появления в 1996 г., компанией продано более 500 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): 0,01 нТл при частоте измерений 1×с-1 и 0,05 нТл при частоте 10×с-1.

Темп поиска в режиме магнитометра достигает 8×103 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 0,34 кг.

БЭ, установленный на немагнитном ранце, предоставляет оператору информацию в реальном времени, позволяя производить магнитные измерения 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.

Фото 1. G-858 с антенной GPS в режиме единственного магнитометра

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).

Фото 2. Градиентометр G-858 на колесной базе

Звуковой сигнал может быть одним из трех вариантов:

1. тон, отражающий величину вариации магнитного поля;
2. пульсовой метроном скорости передвижения с интервалом 1 с;
3. оповещение о разрядке батарей или сбое установленных параметров измерений.

Графический ЖК-дисплей 320×200 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 GPS-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 (RS-232) в компьютер для дальнейшего анализа, при этом используется специализированное ПО «MagMap2000», имеющее графический интерфейс для визуализации карты магнитных аномалий.

Данные с «MagMap2000» могут экспортироваться для дополнительного анализа, осуществляемого, например, с помощью известных программ «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…750 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…+500 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/0С, 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].