质子磁力仪

质子磁力仪于20世纪50年代中期问世，在航空、海洋及地面等领域均得到了应用。它具有灵敏度、准确度高的特点，可测量地磁场总强度T的绝对值（或相对值）、梯度值。

1.质子（核子）的旋进

质子磁力仪使用的工作物质（探头中）有蒸馏水、酒精、煤油、苯等富含氢的液体。水（H2O）在宏观上看它是逆磁性物质，但其各个组成部分，磁性不同。水分子中的氧原子核不具磁性，它的电子自旋磁矩都成对地互相抵消了，而电子的运动轨道又由于水分子间的相互作用被“封固”。当外界磁场作用时，因电磁感应作用，各轨道电子的速度略有改变，因而显示出水的逆磁性。此处，水分子中的氢原子核（质子），由自旋产生的磁矩，将在外加磁场的影响下，逐渐地转到外磁场方向。这就是逆磁性介质中的“核子顺磁性”。

当没有外界磁场作用于含氢液体时，其中质子磁矩无规则地任意指向，不显现宏观磁矩。若垂直地磁场T的方向，加一个强人答隐工磁场H0，则样品中的质子磁矩，将按H0方向排列起来，如图3-3-2（a）所示，此过程称为极化。然后，切断磁场H0，则地磁场对质子有μp×T的力矩作用，试图将质子拉回到地磁场方向。由于质子自旋，因而在力矩作用下，质子磁矩μp将绕着地磁场T的方向作旋进运动（叫做拉莫尔旋进），如图3-3-2（b）所示。它好像是地面上倾斜旋转着的陀螺，在重力作用下并不立刻倒下，而绕着铅垂方向作旋进运动的情景一样。

图3-3-1 ENV1质子磁力仪

图3-3-1 ENV1质子磁力仪

图3-3-2 质子旋进示意图

图3-3-2 质子旋进示意图

2.测量原理

理论物理分析研究表明，氢质子清让厅旋进的滑衫角速度ω与磁场T的大小成正比，其关系为

地球物理勘探概论

地球物理勘探概论

式中：γp为质子的自旋磁矩与角动量之比，叫做质子磁旋比（或回旋磁化率），它是一个常数。根据我国国家标准局1982年颁布的质子磁旋比数值是：

γp＝（2.6751987±0.0000075）×10⁸T^－1s^－1

又因ω＝2πf，则有：

地球物理勘探概论

地球物理勘探概论

由式可见，只要能准确测量出质子旋进频率f，乘以常数，就是地磁场T的值。

3.质子旋进信号

从上述讨论得知，测定地磁场T的量值，须使质子作自由旋进运动。为此要将质子磁矩极化，使之偏离T的方向一个角度。

通常采用的极化方法是：在圆柱有机玻璃容器内，装满富含氢的工作物质（如水等），容器置于线圈之中。线圈通以电流，使其内产生的极化（磁化）磁场H0，其方向沿线圈轴线，大致垂直于地磁场T。切断电流后，极化线圈亦作为接收线圈，并调谐在旋进频率f上。质子磁矩的旋进，将在接收线圈中产生感应电压信号。

在接收线圈内，感应信号的电压为

地球物理勘探概论

地球物理勘探概论

式中：C为与线圈截面积、匝数及容器的充填因子有关的系数，对于一定的探头装置C是一个常数；κp为质子（核子）磁化率；H0为极化磁场的强度；θ为线圈轴线与T之夹角；t1为切断极化场时刻起算的时间；1/T2′为衰减常数。

分析式（3-3-3）可得：

（1）感应信号的幅度与κpH0成正比。κpH0是在极化磁场作用下质子的磁化强度。为了获得强旋进信号，一方面要选用单位体积内质子数目多的工作物质；另一方面使用大极化电流，产生强极化磁场，这也就提高了功率消耗。

（2）信号幅度与质子旋进角频率ω＝γpT成正比。若地磁场弱（T值小），则旋进角频率ω低，信号幅度也就小。目前，质子磁力仪的测程一般是20000～100000nT，相当于旋进频率由851.52Hz～4257.60Hz。此频率范围对于地面、海洋及航空磁测来说，一般是足够的。

（3）信号幅度亦与sin²θ有关。线圈轴线与T的夹角θ在0～90°变化，其大小会影响旋进信号的振幅，而与旋进频率无关。当 ，信号幅度只降低到最大幅度的一半；因此对探头定向只要求大致与T相垂直。θ接近于零度，是探头的工作盲区。

（4）旋进信号是按指数函数规律衰减的正弦信号，见图3-3-3。其频率为ω＝γpT，衰减常数为 ，它持续约几秒钟。感应信号的衰减，与探头所处的磁场梯度有关，梯度越大，衰减愈快。可以精确地测定旋进频率（即测定地磁场值），所允许存在的地磁场最大梯度，叫做仪器的梯度容限。

图3-3-3 质子旋进信号的衰减

图3-3-3 质子旋进信号的衰减