кандидатская

Пь пе, пр, па_ /^-соответственно концентрации ионов, электронов, протонов, а- частиц и малых ионных компонентов солнечного ветра на гелиоцентрическом расстоянии г, м" ;

го— среднее гелиоцентрическое расстояние до орбиты Земли, равное 1 а.е.;

про — концентрация		протонов солнечного ветра			на	гелиоцентрическом
расстоянии г0, м .
Значения	пр0	за	11-летний	цикл	солнечной		активности
приведены в таблице 1.4 [27].
		Талица 1.4. Значения п^ за 11-летний цикл солнечной активности.
Обозначение		Среднее		Минимальное		Максимальное
параметров
Про, м"		7.0*10"		10s			10s
V0, M*c"'		5.0*105		2*105			10b
1о, м-"*с-'		3.5*10"		2*10ш			1014

Наиболее вероятные среднесуточные значения пр0, для фаз минимума и максимума 11-летнего цикла приведены в таблице 1.5 [28].

Таблица 1.5.

Среднесуточные значения Про, для фаз минимума и максимума 11 -летнего цикла.

Фаза 11-летнего цикла	По, м"	Vo, м*с"'	1о, м-	*с"'
	р		2
Минимум	5*106	4*105	2.0*1012
Максимум	3*106	4*105	1.2*1012

31

О 1

Плотность потока протонов солнечного ветра /, м" *с" , вычисляют по формуле:

I=npV.

Угол \у вычисляется по формуле[25]:

sin if/=-sinfi*cosa]+cosfi*sinai *cosq>m,

где си=11.43°- угол между осью вращения Земли и осью геомагнитного диполя; р-склонение Солнца, ° (изменяется от -23.5° до +23.5°); (pm=(K*UT69°) — угол между плоскостью полученного меридиана меридиональной плоскостью, содержащей северный магнитный полюс, °;

t/Г-всемирное время, ч; К=\5°/ч; sin(3=sina2*cos(pSE; a2=23.5°- угол наклона плоскости экватора к плоскости эклиптики; ф8Е=360°*(172-п)/365 - угол между линией Земля-Солнце и проекцией оси вращения Земли на плоскость эклиптики °; n-порядковый номер дня в году (с 1 января).

Расчёт индукции магнитного поля магнитосферных токов осуществляется следующим образом [27].

BM=Bi+B2, нТл.

Вм- вектор индукции магнитного поля в магнитосфере Земли;

В] — вектор индукции геомагнитного поля внутреземных источников; вычисляемый по ГОСТ 25645.126-85 в сферической системе координат

В2— вектор индукции магнитного поля магнитосферных токов, вычисляемый в солнечно-магнитосферной системе координат.

Индукцию магнитного поля магнитосферных токов вычисляют в солнечномагнитосферной системе координат по формуле

В2=(В22Х+ В22у+ B22Z)1/2, НТЛ

где В2х~ проекция вектора Вг на ось X, направленную Солнце;

32

B2Y- проекция вектора Вг на ось Y, лежащую в плоскости,

проходящей через ось X и ось геомагнитного диполя;

B2Z —проекция вектора Вг на ось Z, дополняющую правостороннюю

систему координат.
Составляющую Вгх вычисляют по формуле
B2x=fo+fiX/r1+f2Y/rl+f3Z/r1+	(y/lOTfc+fsXyrrfeY/n+fjZ/n),	нТл
где	f0(y/)=q0*siny/;

fJ(y/):=qj*smy/* cosy/;

f2(v)=q2*sin\fj; f3(y/)=q3*cos y/+ q4*sin y/;

f4(y/)^q5*cosy/;

fs(w)=46*cos2y/+ q7*siny/;

/6(y)=q8*cosy/; fiiyi) =qc>*siny/*cosy/.

Составляющую B2Y вычисляют по формуле

B2Y-(4f/10o)(q1X/r1+q2Y/r1+q3Z/rl), нТл

где q1(y/)=s0*cos у/;

q2(v)=s1;

q3(y/)=s0*sin y/.

Составляющую B2z вычисляют по формуле

B2z=ho+h1X/r1+h2Y/r1+h3Z/r1+ (yf/lOTfa+hsX/n+heY/rj+hyZ/rJ, нТл

где h0(y/)= -qo*cosy/;

33

hi(y/)— -q3*sin \f/-q4cos ;

h2(y/)= -q2*cosy/;

h3(y/) = -qj*siny/* cosy/;

h4(y/)= q5*siny/;

h5(y/) =qg *siny/*cosy/;

h6(y/)=q8*smy/;

h7(y/)—q6*sin ц/+ q7*cos y/;

X, Y, Z— солнечно - магнитосферные координаты в единицах ^Ч* — угол наклона геомагнитного диполя,.

Значения коэффициентов so, s^qo... qg приведены в таблице 1.6.

						Таблица 1.6.	Значения коэффициентов so, siq0... q9-
So	Sl	Чо	qi	q2	qs	q4	qs	qe	qy	q»	q9
-0.2	-2.5	8.5	-39.6	1.2	21.8	-17.9	2.9	-3.0	5.5	0.2	-8.5

Очевидно, что основным и весьма существенным недостатком данного метода является отсутствие практических значений подкрепляющих теоретические расчеты, что является весьма существенным упущением при контроле параметров магнитосферы Земли.

Далее рассмотрим ряд подходов к оценке параметров МП Земли, основанных на непосредственной количественной оценке его основных силовых и частотных характеристик, с их последующим преобразованием в соответствующие электрические сигналы.

Магнитометры с оптической накачкой (МОН) разрабатывали как в связи с необходимостью точных измерений МП на поверхности Земли, так и на орбитах искусственных спутников Земли.

34

Датчик МОН представляет собой преобразователь модуля вектора индукции МП в изменение частоты или фазы в зависимости от схемы введения резонансного радиополя. При воздействии на поляризованный ансамбль атомов МП резонансной частоты на выходе фотоприемника возникает сигнал на той же резонансной частоте, при этом фаза сигнала в пределах ширины линии резонанса определяется соотношением

Ф = ±я/2± arctg Асо т2,

где Асо — расстройка относительно резонансной частоты со0, полагая, что фазовые набеги в фотоприемнике и усилителе близки к нулю.

При постоянной резонансной частоте, но изменяющемся МП в пределах ширины резонансной линии разность фаз между сигналами на входе радиочастотной катушки и выходе усилителя является мерой магнитного поля [46]:

Ф = ±7i/2± arctg уВт2 .

Автоколебательная схема датчика МОН является частотным преобразователем модуля вектора индукции МП. В области частот (индукции МП), где выполняются условия баланса фаз и амплитуд, датчик следит за изменениями МП с высокой точностью (к примеру калиевый МОН типа GSMP-30 имеет абсолютную точность ± ОЛнТл).

Теоретические расчеты потенциальной чувствительности МОН показывают, что она лежит в пределах около 10 фТл в полосе 1 Гц. На основе датчиков автоколебательного типа и с разомкнутой петлей обратной связи возможно построение градиентометра первой производной. Здесь производится измерение разности фаз между входным и выходным сигналами датчика с разомкнутой петлей обратной связи. При воздействии локального МП на датчик с разомкнутой петлей разность фаз изменяется пропорционально действующему локальному МП. Если воздействие производится на датчик автоколебательного типа, то это ведет к изменению

35

частоты генерации последнего и к преобразованию изменения частоты в изменение фазы за счет датчика с разомкнутой петлей. Схема градиентометра с двумя датчиками разного типа имеет тот недостаток, что их частотные характеристики и реакция на изменения МП различны, это не обеспечивает максимально возможного подавления магнитных помех больших амплитуд. Этот недостаток можно устранить, если градиентометр построить на трех датчиках, два из которых - с разомкнутой петлей, а третий - автоколебательного типа, обеспечивающий работу двух первых.

Измерение градиента можно производить между любой парой датчиков, но наибольшая помехоустойчивость будет у пары датчиков с разомкнутой петлей обратной связи .

Если на датчик с оптической накачкой действует ГМП В0 и под углом 9 к земному - поле биообъекта АВ, то измеряемое поле равно

В^ = (В20 + ЛВ2 - 2 ВоЛВ cos в) 1/2

При ЛВ<В0/№000 справедливо с точностью до 0,1% приближенное выражение

Визм = В0 + ABcos 6.

Таким образом, градиентометр на датчиках МОН при измерении поля биообъекта определяет приращение его поля на направление ГМП в точке измерения за счет вычисления Во- Для измерения составляющих поля биообъекта по различным направлениям необходим поворот .биообъекта относительно направления вектора индукции ГМП.

Таким образом, магнитометры МОН могут использоваться при оценке параметров магнитосферы Земли, но в силу сложной типовой морфологии ИИС построенных на данном принципе, что как следствие влечет за собой значительное повышение материальных и временных затрат при реализации системы делает данный метод не вполне целесообразным применительно к решению поставленных задач.

36

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — резонансное поглощение

электромагнитных волн атомными ядрами, происходящее при изменении ориентации векторов их собственных моментов количества движения (спинов). ЯМР возникает в образцах, помещённых в сильное постоянное магнитное поле, при одновременном воздействии на них слабого переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона (силовые линии переменного поля должны быть перпендикулярны силовым линиям постоянного поля). Для ядер водорода (протонов) в постоянном магнитном поле напряжённостью 79.58* 104А/м резонанс наступает при частоте радиоволн 42.58 МГц. Для других ядер в магнитных полях 103—104 эрстед

ЯМР наблюдается в диапазоне частот 1-10 МГц. ЯМР широко используется в физике, химии и биохимии для исследования структуры твёрдых тел и сложных молекул [10]. В медицине с помощью ЯМР с разрешением 0.5-1 мм получают пространственное изображение внутренних органов человека.

Недостатком приборов основанных на явлении ЯМР является большие массогабаритные показатели и как следствие сложность размещения и эксплуатации аппаратуры, а так же не выгодно отличающаяся цена изготовления и сервисного обслуживания. Кроме того, к недостаткам датчиков данного типа можно отнести существенную инерциальность преобразования информации.

Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов. Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот.

На рисунке 1.2 схематически показаны традиционные варианты конструкций феррозондов.

37

	U	Сердечник	Нп	Сердечник
			-Л	Но
ня		Щ
		Щ
н.
				Сердечник
	(а)		(б)	(в)

Рисунок 1.2 - Варианты конструкций феррозондов.

В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находящихся на нем двух катушек [49]:

•катушки возбуждения, питаемой переменным током;

•и измерительной (сигнальной) катушки.

Сердечник	феррозонда	выполняется	из	материалов

с высокой магнитной проницаемостью (т~105..10б).

На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 до 300 кГц (в зависимости от уровня параметров и назначения прибора).

В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля Н, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного поля, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону (в данном случае имеется ввиду средний участок петли гистерезиса).

38

Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле Но, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке. В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания.

Феррозонды подразделяются на:

•стержневые одноэлементные (рис. 1.2 (а) ) ;

•дифференциальные с разомкнутым сердечником (рис. 1.2 (б) ) ;

•дифференциальные с кольцевым сердечником (рис. 1.2 (в) ).

Дифференциальный феррозонд (рис. 1.2 (б), (в) ), как правило, состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность феррозонда.

Феррозонды отличаются высокими показателями чувствительности к магнитному полю. Они способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до 10"4- 10"5 А/м (~10"ш - 10"11 Тл) [2].

Конструктивные габариты феррозондовых датчиков относительно невелики: диаметр не превышает 1 см, длина находится в пределах от 0.5 до 8 см, кольцевые сердечники имеют диаметр в пределах 0.5 - 3 см. ФЗ на кольцевых сердечниках возможно использовать в биомагнитных исследованиях, в частности, для обнаружения ионных токов в теле или загрязнений в легких человека. Феррозондовые датчики помимо своих достоинств обладают рядом существенных недостатков.

ФЗ весьма чувствительны к воздействию вибраций, они должны размещаться на массивном прочном основании. Кроме того, ИИС

39

чувствительным элементом которых является ФЗ датчики, требуют автономных источников высокой частоты, также усложняющих систему в целом.

Датчики Холла — датчики магнитного поля, принцип работы которых основан на эффекте Холла.

Эффектом Холла называется появление в проводнике с током плотностью j , помещённом в магнитное поле Н, электрического поля Ех,

перпендикулярного Н и j (рисунок 1.3). При этом напряжённость электрического поля, называемого так же полем Холла, равна[40]:

Ех = RHj sin а,

где а угол между векторами Н и J(a<180°).

Рисунок -1.3. Проводник с током плотностью j помещён в магнитное

поле Н, электрическое поле Ех, перпендикулярного Н и j

Когда HJj, то величина поля Холла Ех максимальна: Ех = RHj. Ве­ личина R, называемая коэффициентом Холла, является основной характеристикой эффекта Холла. Эффект открыт Эдвином Гербертом Холлом в 1879 в тонких пластинках золота.

Для наблюдения Холла эффекта вдоль прямоугольных пластин из исследуемых веществ, длина которых / значительно больше ширины Ъ и

толщины d, пропускается ток:

40