Протонный магнитометр впервые был разработан в 1953 г. М. Паккардом и Р. Варианом (США). В СССР первый магниторазведочный протон­ный магнитометр разработан  в 1957 г. А. Я. Ротштейном и В. С. Цирелем, которые опирались на работы советского ученого Ф. Н. Скрипова.

Эти магнитометры основаны на принципе свободной ядерной прецессии протонов - ядер атома водорода. Протон как движущаяся вращающаяся заряженная частица обладает определенным моментом количества движения (спином) р и магнитным моментом m. Магнитное поле протона аналогично полю стержневого магнита, ориентированного вдоль оси вращения частицы.

Протон как магнит стремится установиться своей магнитной осью в направлении магнитного поля Земли (как магнитная стрелка компаса), а свойство гироскопа (волчка) препятствует этому. Поэтому ось вращения (и магнитный  момент) протона начинает описывать конические поверхности вокруг направления вектора внешнего магнитного поля Т_ВН. (рис.3.4,а). Такое движение называется прецессией. Прецессия называется свободной, если она происходит без воздействия на систему протонов внешних сил.

Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что частота f свободной прецессии протонов в магнитном поле прямо пропорциональна модулю вектора напряженности Т_ВН. внешнего магнитного поля и связана с ним простым соотношением, которое называется равенством Лармора:

f = ( γ /2π)× Т_ВН. , (3.1)

где γ = р/ μ - гиромагнитное отношение протона, т.е. отношение его механического момента вращения р к магнитному моменту μ. Поскольку постоянная величина γ определена с очень высокой точностью (относительная погрешность порядка 10^-6) и не зависит от любых внешних факторов (температура, давление и др.), результаты измерений этим способом характеризуются очень высокой точностью и стабильностью.

Зная частоту прецессии, легко определить абсолютную величину напряженности магнитного поля:

Т = (2p/γ)×f (3.2.)

Однако наблюдение прецессии одного протона практически невозможно. Кроме того, магнитные моменты различных протонов ориентированы антипараллельно, поэтому в обычном состоянии вследствие тепловых соударений частиц магнитные моменты отдельных протонов ориентированы хаотично и их суммарный магнитный момент близок к нулю. Поэтому используются  специальные способы поляризации рабочего вещества,  т.е. ориентировки магнитных моментов элементарных частиц - протонов.

 

Для измерения магнитного поля удобнее всего использовать простей­шие атомные ядра — протоны, так как они в жидкостях дают наибо­лее острый и интенсивный резонанс.

Магнитоизмерительный преобразователь (МИП) представляет собой сосуд с протонсодержащей жидкостью (обычно это был очищенный керосин), помещенный в катушке с проводом (рис.3.4,б). Если через обмотку МИП пропустить сильный электрический ток, создающий в направлении оси катушки магнитное поле Н_К напряженностью порядка 100 Э (переключатель К подключен к блоку питания), то под действием поля Н_К происходит магнитная поляризация рабочего вещества - множество содержащихся в нем протонов приобретут ориентировку магнитных моментов в направлении  вектора напряженности магнитного поля Нк.

После резкого отключения тока (переключатель К подключается к частотомеру) протоны начнут согласованно прецессировать вокруг вектора напряженности внешнего магнитного поля Т, наводя в той же обмотке катушке Э.Д.С. с частотой прецессии. Через несколько секунд прецессия затухает из-за теплового соударения частиц и потери синфазности прецессии протонов, но этого времени вполне достаточно, чтобы преобразовать сигнал и определить его частоту. Частотный выход прибора обеспечивает возможность регистрации результатов измерений в цифровом виде.

Основ­ным методом измерений частоты сигнала свободной прецессии в протонных магнитометрах является метод подсчета числа периодов (сигналов) прецессии в течение фиксированного интервала времени, определяемого по периодам эталон­ной частоты специального кварце­вого генератора. Регистрации пока­заний может осуществляться раз­личными устройствами: аналоговым самописцем (или фотоосциллогра­фом); цифропечатающим устройст­вом; цифровым перфораторным или магнитным регистратором и т. д.