В.В. Любимов

ФГБУН Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн

им. Н.В. Пушкова РАН

 

К 75-ЛЕТИЮ ИЗМИРАН: ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ  ПРОТОННЫХ  МАГНИТОМЕТРОВ  НА РУБЕЖЕ ВЕКОВ  (ОБЗОР)

 

             На протяжении многих лет различными коллективами сотрудников ИЗМИРАН [1] велась и в настоящее время ведётся активная работа по созданию новых современных геофизических приборов для решения научных и специальных задач. Одним из традиционных направлений деятельности для создателей магнитометрической аппаратуры в институте постоянно является  разработка аппаратуры нового поколения, в том числе на базе протонных датчиков. Основные результаты этих разработок за последние 25 лет, начиная с 1990 г. и по настоящее время, а также коллективы немногочисленных авторов-создателей приборов, -   отражены в публикациях [1-36]. Разработанные в условиях ИЗМИРАН в этот период времени протонные магнитометры (ПМ) и представленные на рис.1…рис.4, создавались для проведения научных исследований, как в лабораториях, так и для проведения полевых и экспедиционных работ в различных условиях и средах [2, 3, 9-12, 15-19, 29, 31, 34-36]. ПМ в настоящее время все в большей степени применяются для проведения научно-исследовательских работ в стационарных условиях, в магнитных обсерваториях (МО) и для решения различного рода прикладных и поисковых задач [15, 27, 28, 30].

         Началом нового этапа в развитии протонного приборостроения в институте послужило в середине 80-х годов прошлого века проведение работ по техническому заданию (ТЗ) ИЗМИРАН по созданию СКБ ФП РАН автономной протонной вариационной станции (АПС) и переносного ПМ для их применения при проведении полевых экспедиционных работ. В процессе проведения работ был максимально использован опыт отечественного и зарубежного научно-производственного приборостроения такого класса магнитометров. В то время протонное магнитометрическое  приборостроение развивалось в основном по двум основным путям, - конструкции магнитных измерительных преобразователей (МИП) ПМ создавались на основе частотомеров или периодомеров (на базе только что появившихся недорогих и общедоступных микроконтроллеров).

         Инженеры СКБ ФП ездили к коллегам на завод «НПО Рудгеофизика» на консультации по вопросам создания конструкции наиболее технологичного датчика для прибора и обеспечения малого потребления энергии и микроминиатюризации аппаратуры в плане использования доступной на тот момент времени элементной базы. Были проведены многочисленные расчёты различных узлов ПМ и созданы для испытаний макеты магниточувствительных датчиков (МЧД) различных конструкций. В результате в  начале 1984 года был создан первый макет переносного ПМ под названием ПМП1-02.

        ПМ был построен по схеме дискретного частотомера с непосредственным преобразованием измеряемой частоты в единицы магнитной индукции, при этом коэффициент умножения встроенной системы ФАПЧ составлял 1024. Для обеспечения необходимой стабильности измерений в качестве задающего генератора в ПМП1-02 был применён (на то время - новейшее достижение техники!) резонатор-термостат типа РК256ДГ с опорной частотой 2 МГц, имеющий рекордно малую нестабильность частоты в широком диапазоне температур. В процессе работ был создан технологичный МЧД оригинальной тороидальной конструкции, достоинством которого была простота в изготовлении и повторяемость при последующих реализациях. В качестве рабочего вещества в этом датчике впервые в практике применён гептан (С7 H16), который имеет времена продольной и поперечной релаксации соответственно 2,1 и 1,2 с и позволяет использовать ПМ при низком (до минус 50ºС) значении температуры окружающей среды, что важно при проведении полевых и аэростатных работ.

             ПМП1-02 имел диапазон измерения модуля магнитной индукции в пределах 30…70 мкТл с разрешающей способностью по цифровому табло 0,1 нТл и СКО основной погрешности

измерения не более 0,5 нТл. Прибор питался от восьми сухих батарей типа А373 напряжением 12…15 В и в непрерывном автоматическом режиме работы потреблял не более 5 Вт. При габаритных размерах устройства измерительного (УИ) 214х225х94 мм и МЧД (Ø142х120 мм) общая масса прибора (вместе с треногой и кабелем длиной 10 м) составила не более 8 кг.     

             Общий вид прибора и различные конструкции изготовленных для него датчиков представлены на рис.1. Прибор прошёл многочисленные метрологические испытания в мере магнитной индукции УП-1 в СКБ ФП и в МО «Москва», использовался сотрудниками ИЗМИРАН в период с 1990 по 1995 гг. при проведении научно-исследовательских работ в районе Крайнего Севера (МО «Лопарская») и при проведении работ в районе Крыма и на обсерватории «Ялта».

             В последующем, когда СКБ ФП провело разработку рабочей документации для серийной реализации ПМ, оказалось, что технологически невозможно было серийно реализовать достигнутые в макете ПМП1-02 показатели по стабильности и разрешающей способности прибора. Было принято решение о выпуске серии магнитометров с разрешением 0,2 нТл при увеличении значения СКО основной погрешности измерения до 1,5 нТл. При этом в качестве рабочего вещества в МЧД, для улучшения энергетических показателей, был применён керосин. В 1985 году были выпущены три опытных образца прибора под названием МПП-102 (см. рис.1).  В период с 1986 по 1990 гг. выпущена малая серия модифицированных приборов под тем же наименованием в количестве 10 экземпляров, которые разошлись по различным отделам ИЗМИРАН и по различным МО («Москва», «Калининград» и др.).

 

Рис.1. Полевые протонные магнитометры ПМП1-02 и МПП-102.

 

       В начале 90-х годов в связи резким сокращением финансирования науки и фактическим прекращением всех финансируемых приборостроительных и экспедиционных геофизических работ внутри ИЗМИРАН инициативно организовался коллектив из наиболее творческих и дееспособных инженеров-разработчиков аппаратуры из разных отделов института, который продолжительное время просуществовал и творил под названием НПК «МИРФА». Этим коллективом был разработан и создан в условиях и на производственных мощностях ИЗМИРАН ряд магнитометрических приборов, в том числе и ПМ. Разработанные ПМ под коммерческим названием ГПМ использовались в МО и при проведении морских экспедиционных работ различными коллективами и организациями РФ (МО «Москва», «Калининград» и др.) и за рубежом (Вьетнам). Была выпущена серия морских и обсерваторских приборов, которые различались между собой длиной кабеля и конструкцией УИ и МЧД, который имел секционный катушечный вид. В качестве рабочего вещества применялся керосин. Особенностью этой разработки явилось применение цифрового накопителя данных на твердотельной памяти (прообраз нынешней «флэшки») с применением модемного канала записи данных. Общий вид одного из блоков ГПМ показан на рис.2. Под руководством А.Н. Козлова был также осуществлён проект по созданию протонного магнитометра для Армении. Отличием этой разработки стало то, что в результате создания особой конструкции МЧД, были достигнуты высокая стабильность ПМ и разрешение по измерению магнитной индукции порядка 0,01…0,02 нТл. Следует отметить, что никаких публикаций по количеству созданных в НПК «МИРФА» ПМ и их основным техническим характеристикам не обнаружено.

 

Рис.2. Полевые и обсерваторские ПМ созданные в условиях ИЗМИРАН.

 

       В 1993 году группой сотрудников ИЗМИРАН и Независимого морского исследовательского центра GEONT были начаты работы по проведению морских исследований на шельфе Вьетнама (по заказу Геофизического департамента и Морского геофизического центра СРВ). Была проведена экспедиция с использованием изготовленного НПК «МИРФА» в ИЗМИРАН морского ПМ серии ГПМ. Эти работы не увенчались успехом ввиду невозможности надёжной работы применяемой в морском варианте ГПМ конструкции МЧД  в условиях экваториальных широт. В 1994 году работы были продолжены и в процессе проведения работ по созданию новой конструкции ПМ, удалось удачно использовать наработки и отдельные элементы МИП хорошо зарекомендовавшие себя в работе узлов магнитометра ПМП1-02 применительно к морскому варианту исполнения ПМ. В отличие от ПМП1-02 в созданном магнитометре УИ было построено на основе периодомера, выполненного на базе микропроцессора типа К80С188ЕС. Регистрация измеренных данных осуществлялась на персональном компьютере (ПК), установленном (как и УИ) на борту судна-буксировщика. В отличие от всех ранее созданных в институте ПМ для морских исследований МИП этого магнитометра, получившего наименование GEONT [3-5], был сконструирован в виде двух (разнесённых между собой на расстоянии 3 м) буксируемых гондол (БГ). В одной из БГ (дальней) находился погружного типа МЧД тороидальной конструкции, а в другой (ближней от борта судна),- электронные схемы усиления сигнала, питания и управления. В качестве кабеля-буксира используется  кабель типа П296, длиной 150 м. Схемное построение ПМ предусматривало возможность его работы в асинхронном режиме с управлением от ПК с минимальным циклом измерения 5 с и возможностью программной установки времен циклов поляризации и отсчета, а также синхронизацию работы совместно с другими забортными буксируемыми приборами. Цена единицы счета наименьшего разряда отсчетного устройства магнитометра GEONT (по табло) - 0,1 нТл, а основная абсолютная погрешность измерений была достигнута в пределах ± 0,5 нТл. Общий вид магнитометра показан на рис.3.

 

Рис.3. Морские буксируемые магнитометры и градиентометры.

 

 Магнитометр GEONT прошёл натурные испытания в Южно-Китайском море (на акватории в районе городков Винь, Куало, Самсунг) на научном судне BD-123 и в дальнейшем продолжительное время использовался при проведении поисковых работ на шельфе на юге Вьетнама. Всего было сделано и передано  Морскому геофизическому центру (г. Ханой, СРВ) два комплекта ПМ GEONT.

 В 1995-1997 гг. по заказу Национального центра науки и технологий и Института океанологии Вьетнама сотрудниками ИЗМИРАН, совместно с коллегами из других организаций, были проведены работы по созданию двух комплектов береговой вариационной станции (МР-03) и двух комплектов морского буксируемого ПМ (МР-02) [5, 7, 13]. Эти приборы были предназначены для проведения экспедиционных работ и для оснащения одного из научно-исследовательских судов СРВ. Испытания созданных ПМ проводились сотрудниками в конце 1995 г. в МО «Москва», а в феврале 1996 г. на территории Вьетнама в МО «Фу-Тый» (расположенной в 20 км от города Ханой). Испытания магнитометров МР-02 в морских условиях были проведены в Южно-Китайском море на акватории в районе городка Вунг-Тау на юге Вьетнама в апреле 1997 г.

 Схема построения магнитометра МР-02 практически не отличалась от ПМ GEONT, кроме того, что корпус УИ прибора был менее габаритным (150х132х342 мм) и весил всего 5 кг, а также тем, что УИ было оснащено энергонезависимой памятью Flesh-типа для хранения данных и программ. Объём этой памяти позволял (в зависимости от установленного цикла измерений) накапливать данные в течение 10…150 суток [7]. Прибор позволял проводить работы на море при скорости буксировки до 10 узлов при максимальном погружении буксируемой (забортной) части до 20 м и использовать недорогие буксировочные кабели любого типа. При этом масса забортной части ПМ была не более 60 кг (включая кабель-буксир длиной 150 м.). Общий вид магнитометра МР-02 показан на рис.3.

  Отличительной особенностью вариационной станции МР-03 явилось то, что в этом приборе

был реализован оригинальный алгоритм работы, позволяющий проводить измерения в высоко градиентных полях и в условиях с большим уровнем техногенных электромагнитных помех. В станции применено новое решение – автоматический поиск и настройка на необходимый диапазон работы МИП. УИ также был построен на основе процессора Intel 80C188EC и оснащен энергонезависимой памятью объёмом 4 Мб, что позволяло накапливать данные в течение 13…154 суток [7]. В качестве МЧД был разработан датчик аналогичный конструкции МЧД магнитометра ПМП1-02 с применением гептана, позволявший проводить измерения в диапазоне от 30 до 60 мкТл. Его габариты были Ø135х130 мм, а длина соединительного с УИ кабеля - 20 м. Вариационная станция МР-03 имела дополнительный вход для подключения приёмника  GPS. Общий вид прибора представлен на рис.2.

        Уже более 20 лет и по настоящее время в институте коллективом сотрудников под руководством Ю.П. Цветкова ведутся работы связанные с применением ПМ на дрейфующих аэростатах, разработана методика измерений [2, 16-18, 30] в том числе и для измерения вертикального градиента поля. Первоначально для полётов на дрейфующем аэростате использовался только один ПМ, а в последние годы в проведении экспериментов используется градиентометрическая система, включающая в себя три ПМ (измерительных канала), МЧД которых разнесены по вертикали на расстояние в 3 км друг от друга. Для реализации измерений использовались как созданные «НПК Рудгеофизика» ПМ серии ММП-203, так и созданные в ИЗМИРАН на их основе применительно к условиям измерений магнитометры с МЧД тороидальной конструкции от МПП-102 с различной (от 10 до 30 м) длиной кабеля. Для обеспечения стабильной работы ПМ в условиях большого диапазона изменения температуры окружающей среды была разработана схема кварцевого генератора повышенной стабильности на основе резонатора-термостата РК257ДГ, разработаны специальные термостатируемые контейнеры для установки источников питания, УИ и МЧД. Общий вид магнитометра, контейнеров с ПМ и приборной подвески на раме стратосферного аэростата с датчиками показан на рис.4.  В качестве регистратора данных в первых вариантах прибора при первых запусках применялся лентопротяжный механизм с записью данных на фотобумаге в двоичном коде при цикле регистрации от 1 до 10 мин. Этот способ регистрации данных был выгодным, так как устройство регистрации было экономичным в смысле энергосбережения источников питания (аккумуляторов) прибора. Однако дешифровка полученных данных и их перевод в цифровую форму был достаточно неудобен и продолжителен во времени.

        Начиная с 2006 года к совместным с ИЗМИРАН работам по этому проекту была привлечена группа сотрудников МЭИ [17, 18], в результате чего комплекс с ПМ был дополнен системой сбора, пакетирования, кодирования и передачи данных через Интернет с использованием быстродействующего модема и приемопередающей системы «Глобалстар». Это позволило осуществлять дистанционно передачу данных в полёте, координирование измерительной системы в пространстве и дистанционное управление аэростатом при завершении миссии. В этом же году в ИЗМИРАН был разработан блок (плата) накопления данных (НД) [27] для использования совместно с ПМ реализованными на базе частотомера. НД был создан с применением энергонезависимой памяти (1 Мб), имел малое потребление энергии (не более 6 мА) и габариты (70х50х15 мм), что позволяло легко интегрироваться в конструктив ММП-203. Эта плата НД (см. рис.4 и рис.5) устанавливалась перед полётом в каждый из ПМ, что позволяло накапливать привязанные ко времени измеренные данные в течение 150 суток.

 

Рис.4. Протонные магнитометры для аэростатных исследований.

 

       В 2007 году сотрудниками научно-производственной лаборатории (НПЛ) геомагнитных приборов и измерений ИЗМИРАН были начаты работы по созданию нового современного автоматического ПМ для аэростатного комплекса взамен ММП-203. В результате этой работы была проведена разработка и изготовлено 6 комплектов ПМ под наименованием МААП. В этом приборе была применена облегчённая конструкция УИ (0,4 кг), корпус которого был изготовлен из ударопрочного пластика. МИП прибора был реализован на основе тороидальных погружных МЧД (Ø145х100 мм) с различными длинами (от 15 до 30 м) подключаемых к УИ кабелей. Программным обеспечением (ПО) МААП предусматривалась возможность работы ПМ в условиях лаборатории с применением различных протоносодержащих рабочих веществ, однако в условиях аэростата в качестве рабочего вещества в МЧД (для экономии энергии источников питания) был выбран керосин. Основные технические характеристики МААП указаны в публикациях [31-35]. Общий вид конструкции МААП показан на рис.4.

        В начале 90-х годов произошёл переход сотрудников отдела морских электромагнитных исследований из ИЗМИРАН под юрисдикцию ИФЗ РАН. В результате этого в институте прекратились финансирование научно-исследовательских и экспедиционных работ связанных с проведением исследований в водной среде, в том числе перестали выделяться и средства для создания необходимого для проведения такого рода работ инструментария. Однако в ИЗМИРАН остались специалисты и энтузиасты из других отделов, которые на протяжении последующих лет продолжили в инициативном порядке работы в этом направлении, в частности по созданию морской магнитометрической аппаратуры для научных исследований. Эти работы проводились в кооперации с коллегами из различных заинтересованных организаций и институтов РАН. О результатах работ и созданным в этот период времени в условиях ИЗМИРАН морским ПМ, о которых речь пойдёт ниже, можно узнать из публикаций [8-13, 19, 20, 23-25, 33-35].

        В период с 1997 по 1998 г. сотрудниками ИЗМИРАН совместно с коллегами из Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН проводились работы по созданию регистратора данных (РД) «ГРАДИЕНТ», предназначенного для фиксации, накопления и статистической обработки сигналов прецессии, поступающих от 3-х буксируемых протонных МИП. Первый вариант РД разработан под наименованием IDL-06 [5, 6, 9, 10]. В этом приборе было предусмотрено три основных режима работы, в которых количество МЧД  одновременно подключаемых к РД могло быть от одного до трех. Кроме того, РД выполнял  функции многоканальной автоматизированной системы сбора информации путем одновременного комплексирования,  регистрации,  накопления и визуализации поступающих данных об  измеряемом  магнитном  поле (значения по трем измерительным каналам и разность между ними), глубине погружения БГ с МЧД, текущем времени измерений и данных от навигационной системы определения координат GPS. Основными отличительными особенностями РД являлись  возможность  программной установки времен циклов поляризации МЧД и измерения, оптимальный подбор количества импульсов сигнала прецессии, необходимых для их статистической обработки, возможность сдвига времени измерений по временной оси циклограммы работы прибора. Разработчиками этого прибора и ПО была предусмотрена возможность: выбора (в темпе эксперимента) оптимальной из встроенных программ статистической обработки данных, проведения цифровой фильтрации получаемых данных в процессе их получения, а также получения надежного результата измерений при малом соотношении сигнал/помеха (2…2,5) на входе аналоговых каналов МИП. Диапазон  измерений  модуля магнитной индукции РД по каждому из измерительных каналов МИП - 25...70 мкТл. Диапазон измерений разности полей между измерительными каналами в пределах 0... ± 1000 нТл, а разрешение отсчетного устройства РД (магнитометрических каналов) 0,1 нТл при цикле автоматических измерений  -  3, 5, 10, 20 и 60 с. Основные технические характеристики и общий вид РД «ГРАДИЕНТ» представлены в работах [6, 8]. В течение нескольких последующих лет сотрудниками ИО РАН проводились натурные испытания РД «ГРАДИЕНТ» на различных судах и в различных районах Мирового океана [37], по результатам которых возникла необходимость в модернизации прибора. В 2003-2004 гг. в ИЗМИРАН по ТЗ Института океанологии РАН проводились работы по модернизации РД, в процессе которых был разработан новый прибор под названием РД «ГРАДИЕНТ-2». Основным отличием РД от предыдущих разработок явилось то, что был расширен измерительный диапазон МИП в пределах от 20 до 70 мкТл, уменьшен цикл измерения МИП до 1…2 с и повышено разрешение по измерительным магнитометрическим каналам до 0,01 нТл. Остальные изменения в схеме РД, и, в основном, в ПО, остались не существенными. Прибор  в 2004 году был передан в ИО РАН, где  находится в эксплуатации и по настоящее время.

        В 2003 году по заказу Геологического института РАН специалисты ИЗМИРАН совместно с коллегами из ООО «Импеданс» приступили к созданию морского буксируемого градиентометра для оборудования НИС «Академик Николай Страхов». Эти работы велись в течение двух лет и завершились созданием ПМ под  названием MPMG-02 [13, 23, 35]. Этот ПМ

был предназначен для автоматического измерения модуля ВМИ поля Земли и его горизонтального градиента в условиях морской магнитной съемки на акваториях морей и океанов и включал в себя две части: забортную и набортную, соединенные между собой кабелем-буксиром (см. рис.3). Забортная часть состояла из двух МИП поле/код, выполненных на базе протонных МЧД и расположенных на расстоянии 100 м друг от друга. МЧД погружного типа, сконструированы в виде вытянутого тора и установлены в герметичных контейнерах, в которых залито рабочее вещество. Две БГ с МЧД связаны между собой и с набортными блоками по интерфейсу RS-485. Как и у ранее созданных морских ПМ,  МЧД и электронная часть МИП были размещены в отдельных контейнерах, но в этом случае оба контейнера были жёстко соединены между собой немагнитными стеклоэпоксидными трубами, образующими корпус БГ. Набортная часть прибора включала в себя блок питания и УИ, предназначенное для статистической обработки сигналов прецессии, регистрации полученных данных с возможностью визуального наблюдения их на графическом дисплее и выдачи результатов измерений на ПК. Помимо этого, УИ вырабатывало команды для управления цепями поляризации датчиков и регистрировало в цифровой форме данные о глубине погружения БГ. УИ, построенное на основе микропроцессора, было оснащено энергонезависимой памятью, объем которой позволял, в зависимости от установленного цикла измерений, накапливать данные в течение 10...100 суток. Схема построения УИ предусматривала возможность работы прибора в асинхронном режиме с управлением от ПК, с минимальным циклом измерения 3 с и возможностью программной установки времен циклов поляризации и отсчета. Основные технические характеристики MPMG-02 можно узнать из публикаций [11-13, 24, 33-35], а общий вид градиентометра показан на рис.3. Отличием MPMG-02 от всех ранее созданных морских ПМ было то, что МИП, аналоговая и цифровая (управляющая процессом измерения) электроника были размещены в БГ, одна из которых была «проходного» типа. А вся связь между БГ и бортовой частью прибора происходила в цифровой форме и с использованием интерфейса RS-485 по кабелю-буксиру, который мог быть выбранным любого типа, в том числе и маломагнитным. Работы были завершены в 2005 году и в этом же году сотрудниками ГИН РАН и ИО РАН были проведены его натурные испытания в одном из рейсов НИС «Академик Николай Страхов» в Атлантике. 

       В 2007 году сотрудниками ИЗМИРАН в кооперации с коллегами из МГУ им. М.В.Ломоносова были начаты работы по созданию морского магнитометра-градиентометра для Института геофизики им. С.И. Субботина НАНУ. Эти работы успешно были завершены в 2008 году, в результате чего был изготовлен ПМ под названием MPMG-03 [25]. Все метрологические и эксплуатационные характеристики этого магнитометра были аналогичны магнитометру MPMG-02,- исключение составляло отсутствие в составе УИ, вместо которого использовался ПК. Была сделана новая разработка конструкции БГ, которые заметно отличались по размерам и по весу от ранее созданной их конструкции, и создано новое ПО. Для соединений буксируемой части прибора между собой и с бортом судна использовался лёгкий, тонкий и прочный немагнитный кабель на основе кевлара. Общий вид магнитометра MPMG-03 показан на рис.3, его технические характеристики опубликованы в работах [19, 20, 25, 33, 35].

       В  2010 году по заказу Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичёва ДВНЦ РАН и Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН были начаты работы по разработке и изготовлению двух комплектов морских магнитометров-градиентометров, которые успешно завершились в 2011 году созданием прибора под названием  MPMG-04 [33, 34]. Морской протонный магнитометр-градиентометр MPMG-04 являлся модернизированным вариантом ранее созданных магнитометров серии MPMG и отличался уменьшенными габаритами и массой БГ (не более 8 кг), а также способом измерения и конструкцией МИП. Этот градиентометр также состоял из двух частей: забортной и набортной, соединенных между собой кабелем-буксиром типа КГ (2х1,0МЛ+2х2х0,35МЛ)-Э-10-У, сделанным на основе кевлара и включающим в себя, кроме силовых жил,- 2 витые пары для передачи цифровых данных из БГ на борт судна. Диапазон измерений по каждому из магнитометрических каналов равен 25…65 мкТл, а диапазон регистрации градиента между двумя магнитометрическими каналами в пределах от 0 до ± 10 мкТл. Диапазон регистрации глубины погружения БГ в пределах от 0 до 100 м, при этом погрешность регистрации глубины составляла не более 0,1 м. Информация от всех измерительных каналов отображалась в цифровом и графическом виде на дисплее ПК. Разрешающая способность магнитометрических каналов – 0,1 нТл при цикле автоматических измерений прибора 2...60 с. Малые габариты и масса прибора (см. рис.3) позволяли проводить исследования с его помощью на реках и озёрах на маломерных судах и надувных плавсредствах. При этом предусмотрена возможность использования БГ на малой измерительной базе и питание прибора от аккумуляторной батареи. Оба комплекта MPMG-04 прошли успешные лабораторные и метрологические испытания на территории ИЗМИРАН в МО «Москва» и в обсерватории МГУ в пос. Александровка, а также натурные испытания на акватории Охотского моря в 2012 году.

          Положительные результаты работ по разработке морских магнитометров создали предпосылки к продолжению инициативных работ в институте по созданию ПМ для проведения полевых и обсерваторских работ. В конце 2004 года сотрудниками НПЛ  ИЗМИРАН совместно с коллегами из ООО «Импеданс» были разработаны регистрирующие ПМ под названием МР-03 «ИМПЕДАНС» и МР-03М [14, 15], которые были предназначены для проведения указанных выше работ. Общий вид этих приборов показан на рис.2. Решения основных узлов у этих ПМ значительно отличались от построения аналогичных узлов магнитометров МПП-102, GEONT и МР-03, - было применено бестрансформаторное согласование МЧД с входом усилителя (аналогично ПМ серии MPMG) и значительно снижено энергопотребление приборов от источника питания, а также уменьшены конструктивные размеры (Ø100/80х145 мм) и вес МЧД (2 кг). Разработанное оригинальное ПО и применение управляющего процессора позволило изменять в процессе проведения измерений все режимы циклограммы работы прибора, сделать их переменными. Это делало схему ПМ гибкой и универсальной, дало возможность в темпе эксперимента настраивать прибор на оптимальный режим работы, использовать практически любое рабочее вещество в МЧД (и любые типы МЧД), а также применять соединительный кабель различной длины и типа.  Созданные приборы прошли тщательную проверку и испытания в МО «Москва», использовались длительное время в проводимых НПЛ экспериментальных работах в качестве вариационной станции. Один из ПМ участвовал в 2005-2006 гг. в проведении работ Якутской геофизической экспедиции. В рамках этих работ сотрудниками НПЛ были созданы и проверены с помощью МР-03М различные конструкции секционных и тороидальных погружных МЧД, а также созданы устройства, программно имитирующие работу МЧД при проведении настроечных и исследовательских работ с ПМ в помещении (см. рис.5).

 

Рис.5. Принадлежности для ПМ.

 

         В 2005 году по ТЗ и в рамках договора с Институтом геофизики УрО РАН, сотрудники НПЛ начали работы над проектом под названием «Цифровая магнитная обсерватория». В рамках этого проекта необходимо было (для МО «Арти») разработать и изготовить ПМ, который мог бы проводить измерения (в качестве цифровой вариационной станции) в системе синхронно с приёмником GPS и с быстродействующей ЦМВС «Кварц-4» (проводящей измерения со скоростью 10…100 изм/с). Все измерительные приборы в условиях МО должны были находиться на расстоянии друг от друга, - в удалённых  рабочих павильонах. То есть питание приборов и получение измеренных цифровых данных от них должно осуществляться при помощи кабелей с помощью интерфейса RS-485 на расстоянии до 100 м. В результате этих работ в 2006 году был разработан новый вариант ПМ под названием МР-03МО «ИМПЕДАНС» [21, 22], который отличался от предыдущих моделей МР-03. В этом ПМ питание прибора осуществлялось напряжением 12…15 В, при этом было допустимо снижение питания цепей поляризации МЧД до значений 7…10 В без изменения качества сигнала прецессии и точности измерения, которая была в пределах ±1,5 нТл при разрешающей способности по цифровому каналу регистрации данных в 0,1 нТл. Измерительный диапазон прибора был разбит на поддиапазоны и находился в пределах от 45 до 65 мкТл. Измерительный канал МР-03МО был построен по схеме периодомера с возможностью программного выбора и установки всех временных циклов, времён задержек и времени измерения в процессе проведения измерений. УИ магнитометра было выполнено в пластмассовом разборном корпусе LUX CASE 230 фирмы OKW размерами 210х140х242 мм и массой не более 2 кг. Длина кабеля между УИ и МЧД равна 10 м. Прибор позволял накапливать измеренные данные как во внутреннюю память, так и работать непосредственно с ПК. Общий вид магнитометра представлен на рис.2, а основные технические характеристики его указаны в работах [21, 22, 27, 28, 30, 36].  МР-03МО был установлен сотрудниками ИЗМИРАН для постоянной работы в абсолютном павильоне МО «Арти» в 2007 году и используется сотрудниками обсерватории в работе и в настоящее время.

 

Рис.6.  ПМ созданные в НПЛ ИЗМИРАН на территории РФ и за рубежом.

           В период с 2006 по 2008 гг. сотрудниками НПЛ ИЗМИРАН было изготовлено ещё 3 комплекта МР-03МО для оснащения МО «Уссурийск» (пос. Горнотаёжный), для МО «Москва» и для Калиниградского РГУ им. Иммануила Канта (ПМ используется в кооперации с сотрудниками и на территории МО «Калиниград» и в настоящее время).

           За прошедшие годы сотрудниками ИЗМИРАН в условиях института в протонном магнитном приборостроении проделана определённая и большая работа, итогом которой явилось разработка и создание более пятнадцати различных типов, вариантов и разновидностей ПМ, предназначенных для проведения научно-исследовательских работ и экспедиций в различных условиях, средах и частях Земного шара. Разработанные в институте ПМ до сих пор продолжают использоваться при проведении обсерваторских работ в различных МО, используются для обучения молодых специалистов в учебных заведениях, принимают участие в поисковых работах, в том числе и на просторах морей и океанов. На рис.6  показана только часть пунктов и городов, где используются ПМ разработанные в НПЛ ИЗМИРАН за последние 10 лет.

       

Рис.7. УИ переносного ПМ IDL-13.

 

          Начиная с 2012 года в институте ведутся инициативные работы по созданию нового современного образца ПМ на основе прогрессивных и современных технологий регистрации, обработки и передачи данных, использования новых материалов, элементной базы и ПО. Общий вид УИ нового переносного ПМ показан на рис.7. В настоящее время прибор под наименованием IDL-13 проходит испытания и метрологическую проверку сотрудниками НПЛ на территории МО «Москва» в ИЗМИРАН.

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА:

 

    1. Бурцев Ю.А., Долгинов Ш.Ш., Жузгов Л.Н., Козлов А.Н. Магнитное приборостроение // Электромагнитные и плазменные процессы от Солнца до ядра Земли. М.: Наука, 1989. С.328.

    2. Цветков Ю.П.  Аэростатная стратосферная градиентная магнитометрия и ее использование для решения задач внутреннего строения земной коры: Автореф. дис.: д.ф.-м.н.- М.: 2001. - 45 с.

    3. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Морской буксируемый протонный магнитометр "GEONT". Препринт No.11 (1061) М.: ИЗМИРАН, 1994. - 26 с.

    4. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Магнитометр "ГЕОНТ" для геомагнитных измерений // Приборы и техника эксперимента. М.: Наука, 1995. No.5. С.205.

    5. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Новая аппаратура для геофизики и медицины.  Препринт No.2 (1098) М.: ИЗМИРАН, 1997. - 22 с.

    6. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Новые приборы НПФ "ИМПЕДАНС" для геофизики и медицины // Международная конференция "Экологическая геофизика  и геохимия". Сборник материалов. Москва-Дубна: ВНИИгеосистем, 1998. С.178.

    7. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Протонные магнитометры для геомагнитных измерений // Приборы и техника эксперимента. М.: Наука, 2000. No.2. С.163.

    8. Беляев И.И., Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В., Филин А.М. Регистратор данных "Градиент" морского буксируемого дифференциального магнитометра // Приборы и техника эксперимента. М.: Наука, 2000. No.2. С.165.

    9. Любимов В.В. Новые приборы для измерения градиента источников магнитного поля в различных средах. Препринт No.3 (1142) М.: ИЗМИРАН, 2001. - 10 c.

  10. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Градиентометры для исследования магнитного поля в различных условиях и средах // ACS'2002 Школа-семинар по компьютерной автоматизации и информатизации. М.: ЦНИИ АТОМИНФОРМ 2003. С.232.

   11. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Градиентометры для исследования магнитного поля в различных условиях и средах // Экономика и производство. /Технологии, оборудование, материалы / Журнал организаторов производства. М., 2004. No.3. С.59.

   12. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Морской буксируемый магнитометр-градиентометр MPMG-02 // Датчики и Системы / Новые приборы. М.: «ООО СенСиДат», 2005. No.1. С.56.

   13. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Протонные магнитометры // Экономика и производство. /Технологии, оборудование, материалы / Журнал организаторов производства. М., 2005. No.2. С.71.

   14.  Магнитометр протонный регистрирующий МР-03 «ИМПЕДАНС». Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: ООО «Импеданс», 2005. http://www.pribory-magic.narod.ru/MP_03_TO.htm.

   15. Бурцев Ю.А., Головков В.П., Кузнецов В.Д., Любимов В.В. История магнитного приборостроения в ИЗМИРАН: прошлое, настоящее, ... будущее??? // Материалы Международного семинара «170 лет обсерваторских наблюдений на Урале: история и современное состояние». Екатеринбург, 17-23 июля 2006 г. Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 2006. С.45.

    16. Цветков Ю.П., Алексеев В.А., Филиппов С.В., Пчелкин А.В., Любимов В.В., Аскеров А.Э. Подспутниковый метод повысотного магнитного зондирования земной коры // Сборник научных статей ИКИ РАН «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса / Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. М.: ООО «Азбука-2000», 2006. С.256.

    17. Цветков Ю.П., Бондарь Т.Н., Брехов О.М., Крапивный А.В., Николаев Н.С. Способ получения вертикального градиента аномального магнитного поля Земли на стратосферных высотах. Патент РФ №2310892 от 22.06.2006.

    18. Крапивный А.В., Николаев Н.С., Баранов Я.В., Брехов О.М., Цветков Ю.П., Кириаков В.Х. Аэростатный магнитный градиентометр // Приборы и техника эксперимента. М.: Наука, 2007. No.4. С.159.

    19. Любимов В.В. Магнитометры-градиентометры для научных исследований: новые разработки // Экономика и производство. /Технологии, оборудование, материалы / Журнал организаторов производства. М., 2009. No.2. С.61.

    20. Любимов В.В. Новые магнитометрические приборы для научных исследований // Приборы. М., 2009. №6. С.8.

    21. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Цифровая магнитная обсерватория // Приборы. М., 2009. №12. С.10.

    22. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Протонный регистрирующий магнитометр МР-03МО / Выставочный центр Российской Академии наук. М. 2009. http://www.expo.ras.ru/base/prod_data.asp?prod_id=3832

    23.  Любимов В.В. Морской буксируемый протонный магнитометр-градиентометр MPMG-02 / Выставочный центр Российской Академии наук. М. 2009. http://www.expo.ras.ru/base/prod_data.asp?prod_id=3846

    24. Кузнецов В.Д. Электромагнитные и плазменные процессы в системе Солнце-Земля: к 70-летию ИЗМИРАН (Обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. М.: Наука, 2009, том 49. №6. С.723.

    25.  Любимов В.В., Кириаков В.Х., Зверев А.С.  Морской протонный магнитометр-градиентометр MPMG-03 / Выставочный центр Российской Академии наук. М. 2009. http://www.expo.ras.ru/base/prod_data.asp?prod_id=3847

    26. Любимов В.В., Кириаков В.Х. Накопитель данных для протонного магнитометра / Выставочный центр Российской Академии наук. М. 2009. http://www.expo.ras.ru/base/prod_data.asp?prod_id=3886

    27. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Цифровая магнитная обсерватория // Экономика и производство. /Технологии, оборудование, материалы / Журнал организаторов производства. М., 2010. No.1. С.50.

    28. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Новые разработки: цифровая магнитная обсерватория // Датчики и Системы / Новые приборы. М.: «ООО СенСиДат», 2010. No.4. С.22.

    29. Цветков Ю.П., Головков В.П., Кузнецов В.Д., Брехов О.М., Пелле В.А. Способ выделения составляющих аномального магнитного поля земли. Патент РФ №2437125 от 25.05.2010.

    30. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Цифровая магнитная обсерватория: опыт построения и варианты // Сб. Найновите постижения на Европейската наука-2011 / Материали за VII Международна научна практична конференция 17-25 юни 2011/ Физика. Том 36. София «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2011. С.37.

    31. Кириаков В.Х., Любимов В.В., Цветков Ю.П. Протонный магнитометр для стратосферного аэростатного комплекса //  Сб.Predni vedecke novinki – 2012 / Materialy VIII Mezinarodni vedecko-prakticka konference 27 srpna-05 zari 2012/ Fyzika. Dil 10, Praha, 2012. S.46.

    32. Любимов В.В., Кириаков В.Х. Магнитометр аэростатный автоматический протонный (МААП) / Выставочный центр Российской Академии наук. М. 2012. http://www.expo.ras.ru/base/prod_data.asp?prod_id=5430

    33. Любимов В.В. Новые магнитометры для градиентометрических исследований: Обзор разработок // Сб. Perspektywiczne opracowania sa nauka I technikami – 2012 / Materialy VIII Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji 07 – 15 listopada 2012/ Fizyka. Vol.17, Przemysl. Nauka I studia 2012. S.58.

    34. Любимов В.В. Магнитометры и градиентометры для научных исследований // Приборы. М., 2012. №11. С.8.

    35. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Магнитометры и градиентометры для научных исследований // Материалы II школы-семинара «Гординские чтения», Москва, 21–23 ноября 2012 г. М.: ИФЗ РАН, 2013. C.65.

    36. Любимов В.В. Современные магнитометры для науки и геофизики, разработанные в ИЗМИРАН // Материалы II школы-семинара «Гординские чтения», Москва, 21–23 ноября 2012 г. М.: ИФЗ РАН, 2013. C.116.

    37. Городницкий А.М., Филин А.М., Малютин Ю.Д. Морская магнитная градиентная съемка. М.: ВНИИРО, 2004. -140 с.