Слушайте протоны с помощью самодельного магнитометра

Когда вы получите МРТ сканирования, машина использует явление, называемое ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Некоторые виды атомных ядер, в том числе ядра водород атомы в молекуле воды — cзаставить колебаться в магнитном поле, и эти колебания можно обнаружить с помощью катушек проволоки. МРТ сканеры использовать интенсивные магнитные поля которые создают резонансы в десятки и сотни мегагерц. Однако другой прибор, основанный на ЯМР, включает гораздо более низкочастотные колебания: протон-прецессионный магнитометрчасто используемый для измерения магнитного поля Земли.

Протонно-прецессионные магнитометры существуют уже несколько десятилетий и когда-то часто использовались в археология и разведка полезных ископаемых. Модели высокого класса могут стоить тысячи долларов. Затем, в 2022 году немецкий инженер Александр Мумм разработал очень простая схема за урезанный. Недавно я построил его схему и могу подтвердить это, используя менее полкилограмма магнитного провода 22-го калибра; два общих интегральные схемы; а полевой транзистор металл-оксид-полупроводник или MOSFET; несколько дискретных компонентов; и две пустые 113-граммовые бутылки Смесь приправ Мортонмагнитное поле Земли можно измерить очень точно.

Частота сигнала, излучаемого протонами, прецессирующими в магнитном поле Земли, лежит в звуковом диапазоне, поэтому с парой наушники и две интегральные схемы усилителя [middle right]вы можете обнаружить сигнал от воды в бутылках с приправами, завернутых в катушки [bottom left and right]. А МОП-транзистор [middle left] позволяет быстро управлять катушками. Схема усиления питается от 9-вольтовой батареи, а 36-вольтовая батарея заряжает катушки.Джеймс Провост

Как МРТ сканерпрецессия протона магнитометр измеряет колебания ядра водорода— то есть протоны. Как и другие субатомные частицы, протоны обладают квантовым свойством, называемым вращатьсяаналог классического углового момента. В магнитном поле протоны колеблются, как волчки, при этом их оси вращения образуют конус — явление, называемое прецессией. Магнитометр протонной прецессии заставляет множество протонов колебаться синхронно, а затем измеряет частоту их колебаний, которая пропорциональна интенсивности окружающего магнитного поля.

Слабая сила Магнитное поле Земли (по крайней мере, по сравнению с аппаратом МРТ) означает, что протоны, раскачивающиеся под его воздействием, делают это на звуковых частотах. Двигайтесь достаточно синхронно, и вращающиеся протоны индуцируют напряжение в ближайшей катушке датчика. Усильте это и пропустите через некоторые наушникии вы получите звуковой сигнал. Итак, с помощью подходящей схемы вы можете буквально услышать протоны.

Первым шагом является изготовление катушек звукоснимателя, для чего нужны бутылки со смесью приправ Morton. Почему смесь приправ Morton? Две причины. Во-первых, бутылка такого размера позволит вам обернуть около 500 витков проволоки вокруг каждого примерно 450 граммами проволоки 22 калибра. Во-вторых, на каждом конце бутылки имеются небольшие выступы, что обеспечивает отличную форму змеевика.

Почему две бутылки и две катушки? Это необходимо для подавления электромагнитных помех, исходящих в основном от линий электропередачи, которые неизменно улавливаются катушками. Когда две катушки с встречной обмоткой соединены последовательно, такой внешний шум имеет тенденцию нейтрализоваться. Однако сигналы от прецессирующих протонов в двух катушках будут усиливать друг друга.

Не пытайтесь делать это в помещении или рядом с предметами, содержащими железо.

Протонный магнитометр имеет три режима. Первый предназначен для подачи постоянного тока через катушки. Второй режим отключает источник тока и позволяет созданному им магнитному полю разрушиться. Третий — режим прослушивания, при котором катушки подключаются к чувствительному аудиоусилителю. Наполняя каждую бутылку дистиллированной водой и пропуская через эти катушки постоянный ток (несколько ампер), вы выстраиваете спины многих протонов в воде. Затем, переведя схему в режим прослушивания, вы используете катушки для обнаружения синхронных колебаний колеблющихся протонов.

Схема Мумма переключается из одного режима в другой самым простым способом: с помощью трехпозиционного переключателя. Одно положение включает режим поляризации постоянного тока. Следующий позволяет магнитному полю, созданному во время поляризация для развала, а третье положение — для прослушивания.

Как избежать вредных искр

Второй вариант может показаться простым — просто отсоединить катушки, верно? Но если ты это сделаешь, тот же принцип, который заставляет свечи зажигания искрить нанесет ущерб высокое напряжение через контакты переключателя, когда магнитные поля вокруг катушек разрушаются.

Протон-прецессионный магнитометр — это прежде всего многокаскадный аналоговый усилитель.Джеймс Провост

Чтобы избежать этого, в схеме Мумма используется МОП-транзистор, работающий как мощный транзистор. Стабилитрониспользуемый во многих схемах регулирования мощности, чтобы пропускать только ток выше заданного значения. пороговое напряжение течь. Это ограничивает напряжение, которое возникает на катушках при отключении тока, ровно настолько, чтобы магнитометр мог быстро переключиться из режима поляризации в режим прослушивания, не вызывая повреждений.

Чтобы уловить сильный сигнал, схема прослушивания также должна быть настроена на резонанс на ожидаемой частоте прецессии протонов, которая будет зависеть от магнитного поля Земли в вашем местоположении. Вы можете примерно определить, что это такое, используя онлайн-версию калькулятор геомагнитного поля. Вы получите напряженность поля, а затем умножите ее на гиромагнитное соотношение протонов (42,577 МГц на Тесла). Для меня это получилось около 2 килогерц. Оценив индуктивность катушек по их диаметру и количеству витков, я затем выбрал конденсатор подходящей емкости параллельно катушкам, чтобы сделать контур бака который резонирует на этой частоте.

Вы можете настроить контур вашего резервуара, используя генератор частоты и осциллограф. Или, как предлагает Мумм, прикрепите небольшой динамик к выходу схемы. Затем поднесите динамик к звукоснимающим катушкам. Это создаст магнитную обратную связь и схема будет колебаться сама по себе —громко! Вам просто нужно измерить частоту этого тона, а затем отрегулируйте резервуарный конденсатор, чтобы принести эту самостоятельную ОСгенерация на той частоте, которую вы хотите настроиться.

Моя первая попытка услышать протоны имела неоднозначный успех: иногда я слышал звуки, иногда нет. Заставить эту штуковину работать стабильно помогло понимание того, что протонные магнитометры не переносят больших градиентов магнитного поля. Поэтому не пытайтесь делать это в помещении или где-либо рядом с железосодержащими объектами: водопроводными трубами, автомобилями или даже землей. Лучше всего использовать широкое открытое пространство снаружи, с поднятыми над землей катушками. Второе, что помогло, — это добавить больше мощности в режиме поляризации. Хотя 12-вольтовая батарея работает нормально, 36-вольтовая батарея работает гораздо лучше.

Разобравшись во всем этом, я теперь легко слышу протоны. Эти звуки явно являются звуками протонов, потому что они исчезают, если я сливаю воду из бутылок. И, используя бесплатное программное обеспечение аудиоанализатора под названием Спектр ЛабораторияЯ подтвердил, что частота этих тонов соответствует магнитному полю в моем месте примерно на 1 процент. Хотя это и не практичный полевой прибор, любой вид магнитометра протонной прецессии стоимостью менее 100 долларов США не вызывает насмешек.