Kapitlet omhandler opstilling og afprøvning af Geofysisk
afdelings nye kryogene SQUID-magnetometer. Problemer med støj og indstillinger
af instrumentet vil blive gennemgået. Computer programmet, der styrer data
opsamlingen, vil blive forklaret. Desuden vil kapitlet omhandle en teknisk
gennemgang af instrumentet. Alle tekniske ændringer og problemer er blevet løst
i nært samarbejde med afdelingens ingeniør Niels Breiner
.
Det kryogene magnetometer blev taget i anvendelse omkring 1970, da princippet omkring supraledningsteknikken blev almindeligt kendt. Kryogen er et græsk ord, der betyder læren om at frembringe og opretholde lave temperaturer. I dag betyder det temperatur fra det absolutte nulpunkt og op til en øvre temperatur, som ikke er klart defineret, men normalt ligger omkring temperaturen for flydende luft (-194,5C).
I normal tale bliver denne slags magnetometre kaldt for SQUID-magnetometre , idet SQUID står for Superconducting QUantum Interference Device . De første magnetometre var dyre, bl.a. fordi de skulle nedkøles til en temperatur under 10 Kelvin. Den store udbredelse af SQUID princippet, kom for alvor i gang, da det lykkedes at lave et materiale, der udviste supraledende egenskaber ved en "høj" temperatur. Dette lykkedes i 1986, hvor en keramik forbindelse viste supraledning allerede ved 77 Kelvin. Denne temperatur kan nås med flydende nitrogen , som er et udbredt stof i industrien og derfor billigt. Temperaturen for flydende nitrogen er ca. 75 Kelvin, og det har en relativ stor varme kapacitet, hvilket betyder at det ikke fordamper med det samme.
De nye forbindelser bliver samlet under betegnelsen High
Temperatur Superconductors (HTS)
, hvor "High Temperatur" ikke er en klart defineret grænse,
men ligger over ca. 20 Kelvin.
I SQUID-magnetometret findes en lille ring med et areal A, som ved en temperatur på 77 Kelvin udviser supraledning, d.v.s. der løber strøm i denne ring uden nogen form for Ohmisk modstand (superledning er et moderne udtryk for supraledning, og dækker over det samme). Ringen har normalt en indre diameter på ca. 100 -meter, og består af en keramik forbindelse (vores er dog større). Ringen er i forbindelse med en såkaldt Josephson-bro , som er en meget tynd (kun et par atomer tyk) forbindelse bestående af et isolerende materiale. Teorien viser at der i en sådan bro mellem to supraledende materialer vil kunne løbe en strøm. Strømmen vil løbe uden modstand op til en bestemt værdi, som betegnes den kritiske strøm Ic.
Ved at nedkøle ringen til under den kritiske temperatur Tc, i et magnetisk felt Be, vil man så længe det samme felt opretholdes, have en ring med supraledning, hvor der ikke løber nogen strøm.
Når feltet Be ændres efter at supraledningen er
opnået, vil der blive induceret en strøm i ringen. Størrelsen af denne strøm
er nøjagtig så stor at fluxen i ringen bliver den samme som før ændringen af
Be. Hvis Be er tilstrækkelig stor, vil strømmen nå over
en kritisk strøm Ic, og supraledningen vil ophøre. Idet
supraledningen ophører, bliver der en modstand i ringen, og strømmen vil falde
som funktion af denne modstand. Så snart strømmen er faldet under Ic,
vil der igen opstå supraledning i ringen. Ved at måle spænding over
Josephson-broen, når der er modstand i ringen, får man et udtryk for den
magnetiske flux
ændring gennem ringen.
Der findes to hovedtyper af SQUID-magnetometret, nemlig DC og RF . Hovedforskellen ligger i antallet af Josephson-broer, DC systemet opererer med 2 broer, RF med en enkelt. Der er fordele og ulemper ved begge systemer, men i teorien er DC SQUID'en den mest nøjagtige, men også den mest komplicerede, og dermed den dyreste. I forbindelse med RF SQUID'en er der ikke så mange parametre der skal stilles, hvis der ses bort fra den almindelige forstærker elektronik i systemet, er der kun en enkelt frekvens der skal indstilles, hvorimod DC systemet kræver flere.
I lav temperatur magnetometre er DC princippet det mest udbredte, idet det har været kendt i længere tid, og man i dette tilfælde i forvejen har et dyrt instrument.
I den senere tid er der blevet lavet en del høj temperatur
SQUID-magnetometre med RF princippet, der har dog været store problemer med støjen
i disse instrumenter. Dette er dog under forbedring.
Den tekniske betegnelse for det indkøbte instrument er "et spinner baseret HTS RF SQUID magnetometer ". Hvor "spinner" refererer til rotationen af prøven under målingen.
Ved anskaffelse af et magnetometer er der mange parametre der spiller ind, dog er hovedspørgsmålet det samme som ved de fleste andre indkøb "Hvorledes forholder pris og kvalitet/ydelse sig til hinanden" ? I vores tilfælde var ønsket et magnetometer der kunne måle på sedimentprøver med en magnetisk intensitet på mindre end 0.1 mA/m. Hvis dette krav skal opfyldes sammen med en acceptabel måletid og en "lav pris", bliver markedet overskueligt.
Valget faldt på en nyt udviklet magnetometer fra det tyske firma 'Forschungsgesellscharft für Informationstechnik mbH ', som har til huse i Bad Salzdetfurth. Da det som sagt drejer sig om en nyudvikling, der ikke er testet igennem, er prisen lav. Ulempen er en mindre driftsikkerhed med mulighed for fejl, hvad der også klart vil fremgå af den følgende tekst.
Princippet i det indkøbte magnetometer er lidt forskellig fra
det beskrevne hovedprincip for SQUID'en. For at forbedre ydelsen, har man ændret
på forskellige elektroniske og fysiske parametre.
Ved beskrivelsen af et apparat der virker med induktion, er det altid svært at vælge begyndelsesstedet for beskrivelsen. Jeg har valgt at starte med indgangssignalet til selve SQUID'en.
I parallelforbindelse med en kapacitor skaber en lille kobberbeviklet spole en vekselstrøm på 19,6 MHz. Denne LC-kreds inducerer en oscillerende magnetisk flux i SQUID'en. Som omtalt vil en ændring i fluxen i ringen, få Josephson-broen til at skifte mellem supraledning og Ohmisk ledning. Perioderne er klart defineret i systemet, men kræver en justering så strømmen i broen ligger tæt omkring den kritiske strøm (Ic). Justeringen af RF strømmens amplitude så Josephson-broen netop skifter mellem supraledning og Ohmisk ledning, er i realiteten det eneste kritiske punkt for RF systemet.
I de perioder hvor Josephson-forbindelsen er i modstandsfasen
hentes der energi ud af LC-kredsen, hvilket giver en dæmpning, og dermed et
fald i spændingen over LC-kredsen. Denne ændring i spændingen måles af
almindelig elektronik, som dog skal kunne måle meget små værdier.
Det viser sig at dæmpningen af LC-kredsen står i forhold til fluxen i gennem SQUID-ringen, så ved at måle variationen af spændingen over LC-kredsen fås et udtryk for flux ændringen gennem ringen, og dermed måles ændringen af det ydre magnetiske felt, i dette tilfælde ændringen fra den roterende prøve. På Figur 1.2.1 ses LC-kreds og SQUID'en
SQUID-magnetometret måler altså ændringerne af magnetfeltet. Hvis der måles uden nogen form for afskærmning, vil ændringer og svingninger der stammer fra andre ting (biler, elektriske apparater o.s.v.) have stor indflydelse på målingerne. For at mindske disse støjkilders indflydelse, er sensoren omkranset af 4 mu-metal skærme og en aluminium skærm . Desuden er der indbygget flere støjfiltre i elektronikken, bl.a. et der fjerner 50 Hz svingninger (NOTCH).
Selve målingen af RF spændingen (VRF
) er som sagt en meget væsentlig del af SQUID'en. Dette er dog ikke så
ligetil, som det kunne fremgå af det foregående. Signalet der kommer fra selve
RF hoved er meget præget af støj, for at kunne udlede en værdi for
amplituden, er det nødvendigt med en "tolkning" af signalet.
Fremgangsmåden er, at sende et oscillerende signal tilbage til LC-kredsen, ved
at tilpasse dette signal først m.h.t. frekvensen og derefter tilpasse
amplituden til udgangssignalet, fås et brugbart resultat. På Figur 1.2.2 ses
en skitse af kredsløbet.
Tilbagefødningen
er ikke den eneste elektroniske forbedring af udgangssignalet, der er også
diverse forskellige filtre forbundet med opstillingen. Hvorledes det rent
elektronisk foregår kan man bedre få et overblik over i F.I.T manualen, idet
dette afsnit blot skal opfattes som en introduktion til virkemåden i SQUID'en.
Det indkøbte magnetometer består af flere hoveddele, som det fremgår af Figur 1.3.1.
Skærm, tastatur, printer, mus og computer er alle standard
udgaver som kan købes i alle computerbutikker.
Computeren, der bliver brugt i vores opstilling, er afprøvet sammen med SQUID'en i Tyskland, og ved at købe en model magen til, undgår man mange opsætnings problemer.
I computeren skal der desuden indsættes et Analog/Digital (AD) kort, for at få transformeret spændinger og strøm om til tal, computeren kan behandle. Programmer til styring af SQUID'en bliver leveret sammen med instrumentet, og kører under almindelig DOS. Selve computeren består af en Intel 486 dx2 66 MHz CPU, med et 2 MB skærmkort og 540 MB harddisk, en ældre maskine ville også kunne klare opgaven, idet alle de krævende operationer bliver foretaget i elektronikken og på AD kortet.
For at begrænse støjen, er der valgt en digital skærm med
lavstråling godkendelse. Printeren er en gammel matrixprinter, hvilket ikke har
den store betydning, så længe der ikke skrives ud under målingerne.
Hoveddelen i opstillingen er beholderen, som yderst består af aluminium, og 4 mu-metal skærme (se Figur 1.3.2) . Uden den magnetiske afskærmning ville magnetometret være ubrugeligt. Alle ændringer i magnetfeltet omkring instrumentet ville blive opsamlet. Det ville være svært at skelne eksterne feltvariationer fra prøvens felt. Specielt eksterne variationer med en frekvens omkring rotationsfrekvensen vil være et problem.
Under SQUID sensoren er der plads til den roterende prøve, som også er afskærmet mod eksterne felter når der måles (prøven er på nuværende tidspunkt ikke afskærmet under vendingen).
LC-kredsen er monteret på 3 justerbare stænger der er fastgjort til låget. Selve SQUID-hovedet sidder nederst på benene, ca. 2 centimeter over prøven. Denne enhed består af flere mindre dele bl.a. en såkaldt flux koncentrator , som har til opgave at samle fluxen. Den er 5 centimeter i diameter, og giver en forbedring af målingen på 4-5 gange.
På Figur 1.3.3 ses låget fra oven, der er to huller, det største øverst er påfyldningshullet, på figuren er det dækket af et skruelåg. Det mindre nederst, er damp hullet, som forhindrer store tryk dannelser. På Figur 1.3.4 ses flux koncentratoren som den sorte ring øverst.
Motordelen af instrumentet består af en skinne på ca. 90 centimeter, hvor motoren kan skydes frem og tilbage. Selve motor en er en elektrisk step motor. Der sidder en lille lysdiode i huset, som sammen med en foto-transistor på aksen måler antal rotationer og rotationshastigheden . Desuden er der placeret en lille låsekugle, som holder prøven inde i instrumentet under målingerne.
På Figur 1.3.5 ses et fotografi af hele SQUID magnetometret.
Til venstre motor-sektionen, med påmonteret prøveholder
. Til højre beholderen med påsat låg og SQUID-hoved. Ledningerne er
forbundet, og der er opsat er advarsel på beholderen.
Den sidste enhed er kontrolboksen
, her stilles følsomheden og der vælges filter
. Det er også denne enhed der er forbundet med AD kortet i computeren.
Hvorledes denne enhed bruges er nærmere beskrevet i den medfølgende SQUID
manual. På Figur 1.3.6 ses et fotografi af kontrolenheden med påmonterede
ledninger.
Nye instrumenter kræver ny viden, så elektroingeniør Niels Breiner tog til fabrikken i Tyskland for at hente SQUID'en og blive instrueret, hvilket tog 2 dage.
Efter ankomsten til laboratoriet blev det hele samlet nøjagtigt efter instruktionen fra fabrikken. Opstillingen blev kontrolleret og udstyret tændt. Bortset fra 3 bip og en sagte snurren skete der intet.
Det første problem opstod i computeren, det eneste resultat maskinen kunne levere var 3 bip ved opstarten. Det var ikke muligt at komme ind i BIOS- menuen. Første skridt i fejlsøgningen var at afmontere alt bortset fra tastaturet. Da dette ikke ændrede noget prøvede vi med et andet tastatur, og en anden skærm. Dette fik maskinen til at starte, men blot få minutter efter gik den i sort og låste for alt input. Efter genstart fik vi igen de 3 bip. Da defekte computere ikke er noget nyt på afdelingen, besluttede jeg at åbne for kassen, for at tage alle kort op og sætte dem i andre kontakter (busser ); bytte om på de 4 ram kredse , og trykke alle jumpere ned en ekstra gang. Taktikken lykkedes, nu startede computeren op flere gange i træk, men efter 15-20 minutter begyndte der igen at opstå problemer. Denne gang var problemet koblet sammen med temperaturen af computeren, efter genstart kunne den klare 4-5 minutter og efter at have været slukket i et stykke tid kunne den klare 15-20 minutter.
Fra fabrikkens side var der installeret et Analog/Digital
kort (AD kort)
, dette kort var meget langt, og delte kabinettet
over i to, med strømforsyning
og CPU
i den ene del, og blæser / indsugning i den anden del. Den luftstrøm der
normalt trækkes forbi CPU'en var på denne måde afbrudt, med det resultat at
den stillestående luft omkring CPU'en virkede som en isolator, og CPU'en blev
varmere og varmere. AD kortet blev sat i en kontakt helt ude i siden af
kabinettet og computeren kørte herefter uden tekniske problemer.
Efter nedkølingen af SQUID'en kunne vi ikke kalibrere , usikkerheden på de enkelte målinger var alt for stor, og den samme måling kunne ikke gentages. Efter 4-5 opvarmninger og nedkølinger, lykkedes det at kalibrere instrumentet. Dog havde vi stadigt svært ved at finde RF niveauet . Den i manualen beskrevne platform kunne kun med besvær ses på et oscilloskop , og slet ikke på metret på kontrolboksen, hvor platformen tydeligt skulle kunne ses. Hvis RF niveauet ikke indstilles optimalt vil magnetometret ikke måle optimalt, og ved en stor fejlindstilling vil det overhovedet ikke kunne måle. Efter samtale med fabrikken fik vi en detaljeret viden om indstillingen.
Selv med denne viden gav de første målinger helt forkerte resultater, vi kunne sammenligne med målingerne fra vores gamle Mol-spinner . Løsningen kom ved at fjerne et resistent program i computeren. Det omtalte program er en lille rutine der styrer skærmen. Efter en forudbestemt tid, slukker programmer for skærmen, hvilket giver besparelse både i strøm, og i slidtage på skærmen. Programmet havde desværre også en indflydelse på dataopsamlingen fra AD kortet. Efter denne erfaring blev de to styreprogrammer Config.sys og Autoexec.bat gennemgået linie for linie, for at udelukke andre programmer der kunne forstyrre. Jeg forsøgte med mange forskellige opstillinger af de to initialiserings filer indtil jeg fandt en løsning der tilsyneladende ikke havde indflydelse på indlæsningen fra AD kortet.
Under hele processen blev der løbende kontrolleret med målinger fra Mol-spinneren, samt med aflæsninger på oscilloskopet. På bilag 1.14 og 1.15 ses et print af de endelige udformninger af Config.sys og Autoexec.bat.
Skærm spare programmet kom med en speciel indkøbt 15 tommer digital skærm , som har en meget lav stråling. Det at programmet kunne have indflydelse på data opsamlingen kom som en stor overraskelse, specielt da programmet tilsyneladende virker upåklageligt under Windows 3.11 .
Med den indhøstede erfaring anbefales det, at målinger kun foretages under DOS , medmindre man skal bruge nogle skærm billeder fra programmet.
For at computeren kan bruges til andet, er der lavet en "multi boot " menu, hvor man i opstarts fasen vælger hvilken del af config.sys, der skal bruges til opsætningen. To af opstarts mulighederne giver adgang til computeren via geofysisk instituts netværk . Med det rigtige kodeord kan man hente data over nettet, og dermed også se hvor langt SQUID'en er kommet i sine målinger, desuden kan fabrikken lave eftersyn på opsætningen af SQUID'en fra Tyskland.
Netadgangen
var besværlig at installere, idet der var et overlap af Interrupt adresse (IRQ
) mellem netkortet og AD-kortet, men problemet blev løst, ved at ændre nogle
"jumpers" på netkortet og dermed skifte adresse på netkortet. Med
den nuværende indstilling viser flere kontrol målinger, at der ikke er
problemer med SQUID'en, når netdelen er indlæst, dog kan der opstå fejl på
nettet, når der hentes store filer samtidig med at SQUID'en er tændt.
Efter de mange problemer kunne magnetometret endelig sættes i brug. En af de første målinger gav dog helt forkerte resultater, idet en prøve på ca. 100 mA/m havde skabt en permanent magnetisering i SQUID'en. Problemet forsvandt dog efter en opvarmning og nedkøling.
Alle disse målinger og indstillinger blev foretaget uden for
Helmholtz spoler
, idet der var bedre plads udenfor spolerne. Efter at magnetometret begyndte at
virke stabilt og målingerne så rigtige ud, blev magnetometret flyttet ind i
Helmholtz spolerne, som indstilles således at feltet er nul lige over toppen af
SQUID'en. Dette blev gjort af to grunde:
Senere viste denne disposition sig at være temmelig dårlig, men dette omtales nærmere i afsnit 1.6 på side 19.
SQUID magnetometret blev nu taget i anvendelse. De første prøver blev målt igennem og sammenlignet med målinger fra Mol-spinneren. Målingerne var stort set ens, og SQUID var bedre til at gentage den samme måling. P.g.a. begrænsninger på Mol-spinneren var den svageste prøve der blev målt på 1,5 mA/m. Variationen for Mol-spinneren var på ca. 5 grader ved gentagne målinger, for SQUID'en var variationen på under 2 grader, hvilket vi betragtede som tilfredsstillende.
Hvorledes støjafgivelserne fra fabrikken var målt havde vi
ikke kendskab til. Når vi målte på en tom holder, med de indstillinger der
var anbefalet i manualen, kunne vi intet måle, idet magnetometret konstant
skiftede "range
" og dermed aldrig fuldførte målingen.
To forskellige måleserier blev startet. Jeg havde 84 sedimentprøver fra Rokai i Litauen . Sergei fra Sankt.Petersburg Universitet, som var på besøg, havde et par hundrede prøver bestående af en hård bjergart. Mine prøver havde intensiteter fra 0,05 mA/m til 2 mA/m. Sergei's prøver lå i intervallet [10-100 mA/m], jeg brugte vekselfelt afmagnetisering, Sergi brugte opvarmning til hans afmagnetisering. Det viste sig hurtigt at Sergei fik nogle fine resultater, hvorimod mine resultater var ubrugelige efter 2-3 afmagnetiserings-trin.
Jeg havde målt hele serien igennem udenfor Helmholtz spolerne, da SQUID'en var opstillet i test positionen. Disse resultater kunne reproduceres med stor nøjagtighed, som det kan ses i kapitlet om Rokai profilet. Når prøverne var næsten afmagnetiseret kunne en gentagen måling reproduceres indenfor ca. 10 grader, men værdierne sprang meget, og intensiteten voksede ofte med afmagnetiseringen.
P.g.a. den voksende intensitet og det faktum at målingerne kunne reproduceres, var jeg overbevist om, at de dårlige resultater skyldtes prøverne, og ikke magnetometret. Prøverne havde tilsyneladende vanskeligt ved at blive afmagnetiseret, desuden fik Sergei nogle flotte resultater, også ved måling på de svage intensiteter efter opvarmningerne.
Selvom de dårlige målinger tilsyneladende skyldtes prøverne
og ikke magnetometret, ville jeg gerne prøve om magnetometret opfyldte
specifikationerne. En sammenligning med andre magnetometre blev gennemført.
For at kunne sammenligne resultater med andre institutter og bruge deres data til bestemmelser, er det vigtigt at kende en eventuel forskel mellem instrumenterne. Til dette formål lånte vi tre standard prøver fra Finland , som var blevet målt meget nøjagtigt igennem, og som de selv bruger til kalibrering af deres magnetometer. Den vigtigste prøve var "Cube-1", som de i Finland havde målt 2 gange, for også at kunne sammenligne størrelsen af variationen mellem gentagne målinger. Det ses af Tabel 1.5.1, at gennemsnittet for de to magnetometre er omtrent ens, men ser man nærmere efter opdager man store variationer i deklinationsmålingerne. Det finske magnetometer varierer kun 2 grader, hvor det danske kan variere 14 grader. Denne forskel gør det svært at sammenligne enkelte målinger, hvilket også ses af Tabel 1.5.2 og Tabel 1.5.3, hvor der er henholdsvis 6,5 og 5 graders forskel på deklinationerne.
Tabel 1.5.1 Sammenligning af Cube-1
Sammenligner man de to gennemsnit for Cube-1, for man let det indtryk at de to magnetometre måler ens, et par graders forskel er acceptabel. Den store variation i de danske målinger gør dog at dette ikke er tilfældet, det er nærmere en tilfældighed at gennemsnittet bliver så ens (hvilket ses at de statistiske beregninger). Den statistik der er blevet anvendt i teksten er baseret på Fisherstatistik jf. Butler kapitel 6.
For de to andre finske kuber har det ikke været muligt at lave statistiske sammenligninger, idet der kun er ét sæt finske data for begge.
| Finland | |||
| Danmark | |||
| Forskel |
Tabel 1.5.2 Cube-2 sammenligning
De danske målinger er præget af støj, hvilket de ikke burde
være, idet støjniveauet
er opgivet til at ligge på 2,510-6 A/m. Disse målinger giver et støjniveau
på mere end 510-5. Dette er ikke brugbart i denne sammenhæng og
heller ikke til almindelige sedimenter.
| Deklination | Inklination | Intensitet | |
| Finland | 278,70 | -58,80 | 0,1950 |
| Danmark | 273,70 | -66,30 | 0,2190 |
| Forskel | 5,00 | 7,50 | 0,02 |
Tabel 1.5.3 Prøve HI2 sammenligning
Forklaringer til forskellen i målingerne kan være:
På trods af alle disse muligheder for afvigelser, ser det ud
til at forskellen ligger i en manglende nøjagtighed i det danske SQUID. Ved
mange målinger af den samme prøve på den danske SQUID, opnår man det samme
resultat som på det finske magnetometer. Dette betyder, at forskellen
sandsynligvis ligger i en unøjagtighed på det danske magnetometer.
Denne sammenligning er absolut ikke tilfredsstillende. Da de i Finland har brugt deres magnetometer i flere år, og ofte sammenligner med andre, er der ingen tvivl om, at vores magnetometer målte for dårligt.
For at kontrollere magnetometret laves en del støjmålinger.
Dette gøres for at finde en eventuel støjkilde, og for at se om instrumentet
lever op til de angivne støjværdier. I Tabel 1.6.1 ses de oplyste støjniveauer
fra fabrikken som funktion af integrationstiden
.
Tabel 1.6.1 Fabrikkens støj angivelser
Støjniveauet er udregnet på baggrund af en tom prøveholder,
med 6 positioner og 10 gentagne målinger. Ved 6 positioner fås 4 værdier for
alle 3 retninger. Under perfekte forhold ville summen af disse 4 værdier være
nul i alle retninger. Alt der er forskelligt fra nul, er i dette tilfælde støj.
I version 2 af programmet skal der tages højde for fortegnet, idet alle fire
komponenter har det samme fortegn og derfor ikke giver nul ved en sammenlægning.
Ligning
1.6-1 Gennemsnittet for
de 3 retninger
Efter gennemsnittet er udregnet for de 3 retninger efter
Ligning 1.6-1, bliver intensiteten udregnet for den enkelte måling (Ligning
1.6-2). Dette svarer til at udregne længden af vektoren.
Støjen bliver så udregnet som gennemsnittet af 10 målinger
som i Ligning 1.6-3.
For at kunne sammenligne de forskellige støjmålinger er alle parametrene ens under målingerne, undtagen de der undersøges.
For ikke at gøre afsnittet om støjmålinger helt uoverskueligt, er de detaljerede målinger medtaget som bilag.
På Figur 1.6.1 ses et eksempel på en støjmåling. De andre
støjmålinger, der er lavet findes i bilag 1.1-1.13. I Tabel 1.6.2 ses en
oversigt over alle støjmålingerne.
På Figur 1.6.1 er kolonnen yderst til venstre målenummeret, næste kolonne er værdierne for X, efterfulgt af Y og Z. Kolonnerne fra 5 til og med 7, er de udregnede gennemsnit, som er anført i Ligning 1.6-1. Den sidste kolonne er den egentlige støj for den aktuelle måling. Alle disse tal er opgivet i mA/m . Nederst er gennemsnittet for de 10 støjmålinger udregnet i A/m.
Grafen er alle de rå data plottet som funktion af målenummeret.
De giver et visuelt indtryk af spredningen på de enkelte målinger.
Støjmålingen er den første af en serie. Opsætningen er som ved støjmålingerne på fabrikken, og kalibreringen er foretaget så nøjagtig som muligt. Resultatet er ikke det samme som fabrikken får, som det ses i Tabel 1.6.2, er støjen i vores måling mere end 5 gange så stor. Dette er helt uacceptabelt, og desuden meget uheldigt, da netop dette område er bestemmende for mulighederne for måling af sedimentprøver. Støjværdierne fra fabrikken skulle gerne kunne reproduceres i vores laboratorium, hvor en afvigelse på 20-25 % ville kunne accepteres, men afvigelser på over 100 % er ikke brugbare. I Tabel 1.6.2 ses i kolonnen [%-overskridelse], hvor meget den aktuelle støjværdi ligger over fabrikkens opgivelse.
Værdierne er udregnet efter Ligning 1.6-4.
Hvis den målte støj er den samme som fabriksopgivelsen
vil %-overskridelse være på 0 %, er den negativ betyder det, at støjmålingen
er bedre end den opgivne.
| Første måling (som på fabrikken) | |||||||||
| Tænder og bruger flere elektriske apparater | |||||||||
| Tænder og slukker lys på samme sikring som SQUID'en | |||||||||
| Prøveholderen inde. | |||||||||
| Bruger netfilter | |||||||||
| Skifter range (range 1) | |||||||||
| Måler på kunstig prøve | |||||||||
| Måling indenfor Helmholtz spolen | |||||||||
| Måling på prøve med intensitet på ca. 0,1 mA/m | |||||||||
| Efter afmagnetisering af mu-metal skærmene | |||||||||
| Stor hastighed, hurtigere filter | |||||||||
| Prøver med computer skærmen slukket. | |||||||||
| NY SQUID hoved (ellers som bilag1.1) |
Tabel 1.6.2 Støj sammenligninger
I starten var vi overbevist om, at det høje støjniveau skyldtes noget internt i laboratoriet . Denne teori kan let følges i Tabel 1.6.2, hvor der i de første målinger forsøges at finde årsagen til støjen i nærheden af SQUID'en. Efter de 10 første støjmålingerne, blev det efterhånden klart, at værdierne fra fabrikken ikke kunne nås. SQUID'en blev forsøgt opstillet langt fra elektriske og magnetiske apparater, men heller ikke dette forbedrede støjniveauet væsentligt.
Hele serien af målinger var dog ikke spildt, vi opdagede bl.a. at elektronikken i SQUID'en var meget følsom overfor ændringer i netspændingen, og fik derfor sat et netfilter på. Dette ses meget tydeligt i måling 3, hvor støjniveauet bliver mere end 6000 % større end det opgivne, ved at tænde og slukke lyset i laboratoriet under målingerne. Med netfiltret på, bliver støjniveauet reduceret til ca. 200 % over det opgivne, hvilket stadig er for højt.
Der var tilsyneladende ikke den store indflydelse fra de andre apparater i laboratoriet, sålænge de var tilsluttet en anden sikring og der var netfilter på. På bilag 1.9 og 1.10 kan forskellen ses mellem en måling hvor de andre instrumenter i laboratoriet bruges. På bilag 1.9 bruges AF afmagnetiseringsudstyret , mol-spinneren og ovnen er tændt. På bilag 1.10 er alle disse apparater slukket, og mu-metal skærmene i SQUID'en er endda blevet afmagnetiseret. De to støjniveauer må anses for værende ens, idet der kun er 10 procents afvigelse mellem dem.
Bilag 1.8 giver også er meget stor afvigelse fra det opgivne støjniveau ( 1512 % ). Dette forhold var meget overraskende, idet netop denne måling skulle være mindre præget af støj end de andre. Den var nemlig foretaget inde i centrum af et par Helmholtz spoler , hvilket skulle eliminere det konstante jordfelt . Forklaringerne til dette forhold er mange, en mere nøjagtig undersøgelse af feltgradienterne i laboratoriet ville utvivlsomt give et bedre grundlag for forklaringer. Denne undersøgelse har jeg ikke lavet. Jeg har blot konstateret at støjniveauet på platformen i Helmholtz spolerne er mange gange større for SQUID'en, end udenfor og derefter flyttede vi SQUID'en udenfor.
Mulige årsager til støjen i spolerne:
Efter alle optimeringsforsøgene, og manglen på inspiration
til nye, blev fabrikken i Tyskland kontaktet. Støjmålingerne blev sendt til
dem, og de indrømmede at instrumentet fungerede for dårligt.Vi fik tilsendt en
telefax med forslag til flere forbedringer af SQUID'en. Det skal siges, at vi prøvede
alle forslagene, men uden forbedringer i støjmålingerne.
Ingen af de stillede forslag gav bedre støjmålinger, faktisk var målingerne lidt dårligere end da vi startede.
Resultatet blev, at de sendte et nyt styresystem til SQUID
hovedet, hvor det var muligt at stille på nogle flere parametre. Vi fik ikke
held med de andre indstillinger, og fik til sidst sendt et helt nyt SQUID hoved,
som heller ikke var godt nok, det var faktisk dårligere. Efter mange forsøg på
indstilling af det nye hoved, gik det i stykker. Efter samtale med fabrikken
blev aftalen, at vi skulle komme ned med SQUID'en.
Niels Breiner elektronikingeniøren på afdelingen brugte 3 dage i Tyskland , hvor han blev sat ind i instrumentet, og hvor de forsøgte at måle indenfor de opgivne støjværdier.
Teknikkerne på fabrikken mente i starten at det hurtigt var klaret, de skulle bare bruge et par timer, så var det i orden, men det blev som sagt til 3 dage.
Da vi igen opstillede SQUID'en var det i realiteten et helt nyt instrument, selv programmer og manualer var nye. Dette var både positivt og negativt, idet vi selv havde lavet en manual til den gamle SQUID, som nu ikke kunne bruges. Desuden havde vi lavet flere ændringer i programmet der styrer SQUID'en, mange af disse ændringer var også kommet med i det ny program, men nogle få måtte laves igen.
Resultatet af Tysklands turen var dog generelt positivt, hvilket den sidste støjmåling i Tabel 1.6.2, også vidner om. SQUID'en måler nu næsten dobbelt så godt, som de støjniveauer der er opgivet fra fabrikken.
At forskellen mellem det nye og det gamle instrument er stor, ses bl.a. af Tabel 1.6.3, hvor en svag sedimentprøve er blevet målt på begge instrumenter. De absolutte værdier er forskellige, men dette er forventet, idet det er to forskellige kalibreringer, og der er 3 måneder mellem målingerne. I disse tre måneder er der blevet oparbejdet en magnetisme i den næsten afmagnetiserede prøve. Intensiteten i de to målinger ligner hinanden, der er ikke de store forskelle, og variationerne indenfor begge apparater er acceptable. Den store forskel ses på deklinationen i kolonne 2 og 6, her er der stor forskel. For den gamle SQUID er variationen i målingerne på mere end 15 grader, hvilket ikke er brugbart. Det tilsvarende for det ny instrument er på ca. 3 grader. De 3 grader er det samme som variationen på det finske magnetometer, så det er absolut acceptabelt. Inklinationen er ikke så klar som deklinationen , der er større variationer, men ingen tvivl om, at det nye magnetometer er bedre. De omtalte deklinationer og inklinationer, er i forhold til prøven, og er altså ikke i geografiske koordinater .
| Prøve 58 | Intensitet ca. 0.1 mA/m | |||||
| Gammel SQUID | Ny SQUID | |||||
Tabel 1.6.3 Sammenligning af Ny og Gammel SQUID på svag prøve
Figur 1.6.2 er endnu et eksempel på forskellen mellem det nye magnetometer og det gamle, desuden er forskellen mellem brugen af Helmholtz spolerne taget med i betragtningen. Der er lavet 4 måleserier af den samme prøve. Prøven er kunstigt fremstillet, den består af en træklods med et 5 mm. tykt stykke bånd i midten. Der er ikke lavet lige mange målinger i de 4 serier, men dette har ingen indflydelse hvis man bruger de tre grafer til sammenligningen. De to første (a og b) er lavet med det nye magnetometer med to forskellige integrationstider, henholdsvis 10 og 20 sekunder. De to sidste (c og d) er lavet med det gamle magnetometer, henholdsvis i og udenfor Helmholtz spolerne. De rå x, y og z data er ikke medtaget som de er på støjmålingerne, her er det de udregnede deklinationer, inklinationer og intensiteter der er data. Igen drejer det sig udelukkende om prøveværdier, der er ikke taget hensyn til geografiske koordinater, hvilket også ville være mærkeligt med en kunstig prøve .
Under kolonnerne med data er udregnet nogle enkelte statistiske værdier, som jeg ikke vil gå i detaljer med. Sammenligningen bliver udelukkende grafisk, idet jeg er af den overbevisning, at dette er den mest reelle tolkning. I alle tre diagrammer er x-aksen målenummer. Y-aksen er for de to første diagrammer grader, og i det sidste diagram intensiteten [mA/m].
I en støjfri måleserie skulle man få den samme værdi, derfor er det optimale en vandret linie i diagrammerne, d.v.s. jo mere vandret linien er jo bedre er måleserien. Der er en forskydning af linierne, dette skyldes at kalibreringen for de fire serier alle er forskellige, og der desuden er flere måneder mellem målingerne.
I alle tre diagrammer ses det tydeligt, at de mest vandrette
linier er de 2 fuldt optrukne linier, altså måleserierne a og b, som begge
kommer fra det ny SQUID magnetometer. Specielt er serie a's inklination meget
flot, bortset fra den første måling, ligger alle punkterne på en ret linie.
En knap så smuk måling er serie d's deklination, som varierer over 5 grader.
Denne variation er helt ubrugelig, når man tænker på styrken af prøven.
De to første serier beviser at det ny SQUID magnetometer er i stand til at reproducere målinger med en stor nøjagtighed, hvorimod det gamle magnetometer inde i Helmholtz spolerne er meget ringe. Målinger med denne opstilling må alene på grund af magnetometret have en usikkerhed på over 5 grader, hvis intensiteten af de målte prøver er mindre end 5 mA/m.
Det tyder som sagt på, at SQUID magnetometret måler mindre præcist i Helmholtz spolerne. Der er dog flere hensyn der skal tages i forbindelse med måling af svage prøver. Der kan let opstå en viskøs magnetisering i prøverne, når de udsættes for jordfeltet i næsten afmagnetiseret tilstand. Derfor er den bedste løsning at have SQUID'en indenfor Helmholtz spolerne, hvor jordfeltet er suspenderet. Feltet vil kun være nul i ét punkt, men vil være svagere end udenfor spolerne.
Hvis det må opgives at få SQUID'en til at måle korrekt i
Helmholtz spolerne
, må der laves en eller anden form for afskærmning af prøverne. En hurtig
forbedring kunne være en indkapsling af slæden i mu-metal.
Af andre kritiske faktorer for SQUID'en kan nævnes
Ændringer i støjen over dagen er blevet forsøgt kortlagt. Målingerne er blevet lavet med det indbyggede program NOISA , som starter hvis tasterne N-O-I-S-A holdes nede samtidig. Programmet laver en serie af målinger, og stopper ikke automatisk. Dermed har man et værktøj til at måle variationer over dagen. Ved at vælge integrationstid kan man vælge den tidsmæssige opløsning og nøjagtigheden af målingerne.
På Figur 1.6.3 ses støjen som funktion af tidspunktet på
dagen. Det ses at fra 17 til ca. 23.00 er støjen en anelse højre end i resten
af forløbet, men forskellen er ikke særlig tydelig og har ingen praktisk
betydning for målingerne. Jeg havde forventet en stigning i støj
intensiteten omkring 7.30, idet dette er optaget på en hverdag, hvor de
forskellige apparater bliver tændt omkring dette klokkeslæt
. Denne forventede stigning fremgår dog ikke af grafen. Y-aksen er
intensiteten, udregnet fra Ligning 1.6-2. Ved ingen støj ville intensiteten være
konstant.
På Figur 1.6.4 ses variationen i Smm
over dagen. Smm er udregnet på baggrund af Ligning 1.10-3. Grafen giver et
billede af usikkerheden i bestemmelsen af intensiteten i de enkelte retninger
(se afsnit 1.10). Smm viser heller ikke en tydelig variation som funktion af
tiden, men de få meget store værdier peger på en statistik fejl
. Der vil opstå en målefejl efter et stykke tid.
Figur 1.6.5 viser en graf der angiver støjen hen over middag. Fremstillingen er anderledes end den foregående graf, men konklusionen er den samme, der er tilsyneladende igen væsentlig forskel på støjen i løbet af dagen. Grunden til de færre dataværdier på Figur 1.6.5, er den længere integrationstid, som denne måling er lavet med.
Støjmålinger på bilagene er ikke lavet med NOISA, de er
lavet manuelt.
Den praktiske betjening af SQUID'en vil ikke blive behandlet i dette kapitel, hvis der er behov for dette henvises til SQUID manualen , eller den fra fabrikken udleverede manual.
Kapitlet vil omhandle opsamlingen af data fra SQUID'en, samt
en gennemgang af beregningerne i programmet.
Programmet der styrer SQUID'en er en version 2, hvor der er blevet tilføjet muligheder som vi savnede i den første version. Det drejer sig bl.a. om mulighederne for udprintning , kontrol af orienteringen, mulighed for at gentage en enkelt position, desuden er nogle små fejl blevet rettet. Vi kunne i version 1 selv rette disse ting, idet vi havde fået udleveret koden til programmet. Med den ny version af programmet blev disse ændringer overflødige, desuden er fabrikkens løsninger på de forskellige mangler bedre end dem jeg selv havde fundet på, så bortset fra spildt arbejdstid, er den ny version meget velkommen.
Forskellen på de to programmer ses tydeligt i deres
hovedmenuer, som der er et eksempel på i Figur 1.7.1 (version 1) og Figur 1.7.2
(version 2).
I den første version var det muligt at vælge rotationshastighed for prøven ( mellem 5 og 15 Hz), denne funktion er fjernet i version 2, da flere forsøg viste, at denne parameter ikke havde nogen reel indflydelse på kvaliteten af målingerne, i nogle tilfælde blev resultatet dårligere fordi filtrene ikke kunne følge med.
Hastigheden er nu sat til 5 Hz, hvilket er den laveste hastighed og dermed den mest skånsomme for prøverne.
Det er også muligt i version 2 at korrigere for "bedding
/ tilt
", dette var heller ikke muligt i den første udgave.
Det er vigtig at kende versionen af det program der anvendes,
da der er forskel på hvorledes prøven skal vende i de forskellige positioner.
Version 1 havde ingen kontrol af korrekt placerede prøver, bortset fra at
fejlangivelsen Smm
blev meget stor ved en fejlplacering. Jeg udbedrede denne mangel ved at udregne
3 Smm'er, en for hver af de 3 retninger X,Y og Z. Hvis en af disse Smm'er blev
større end 100 var der med stor sandsynlighed tale om en fejlplacering
.
I den ny version
af programmet laves rækkefølgen af positionerne således, at alle målinger
af X,Y og Z giver et positivt fortegn, kommer der en negativt fortegn, er en prøve
blevet vendt forkert. Det er endda muligt at se hvilket position det drejer sig
om og dermed kun måle denne igen.
På Figur 1.7.3 og Figur 1.7.4 ses orienteringen af prøverne
for de to forskellige programmer.
Figur 1.7.5 viser hvilke feltkomponenter der måles ved de enkelt positioner, som det fremgår af figuren måles der to værdier for hver position, således vil 6 positioner resultere i 12 værdier, 4 for hver retning. Disse værdier bliver udlæst i en fil med efternavnet XYZ ( f.eks. prøve1.xyx ). En anden fil med efternavnet SMD indeholder de udregnede inklinationer, deklinationer, intensiteter og en Smm værdi der er et udtryk for kvaliteten af målingen.
På Figur 1.7.6 ses et eksempel på en SMD fil, med den nye
version af programmet vil der dog kun komme en enkelt kolonne med Smm i stedet
for de 3 med henholdsvis s(x)
, s(y)
og s(z).
De 3 sidste kolonner var en indbygning i den gamle version, som jeg lavede for
at kunne vurdere fejlplaceringer.
Det viste eksempel er en måling af en svag sedimentprøve
, det lykkedes ikke at afmagnetisere prøven ordentligt, og reelt er det kun den
første linie der kan bruges. På Figur 1.7.7 ses den tilsvarende XYZ fil. Man
kan her se de 12 værdier for hver afmagnetiserings-trin
, også denne er lavet med den gamle version af programmet, men den eneste
forskel er fortegnet
i kolonnerne. Den ny version giver det samme fortegn, hvor den gamle giver to
af hver slags.
Hvis man skulle være utilfreds med beregningen af Smm, er det
let at lave sin egen statistiske parameter
(f.eks. alfa-95
) ud fra XYZ filen.
SQUID magnetometret kan ikke måle absolutte værdier, men kun relative værdier . Derfor er et meget vigtigt punkt for målingerne, kalibreringen. I SQUID'en er der to former for kalibrering, nemlig elektronik kalibreringen og kalibreringen af målesystemet .
Elektronik kalibreringen er hovedsagelig kalibrering af den indbyggede "Lock-In amplifier ". Der er ingen indstillingsmuligheder for brugeren, da det hele foregår i elektronikken. Denne kalibrering skal i teorien kun udføres når kontrolenheden eller computeren har været slukket.
Kalibreringen af målesystemet er mere følsom. Her bruger man en prøve med en kendt værdi til at angive værdierne for alle andre prøver der måles på magnetometret. Det siger sig selv at denne prøve er vigtig, er kalibreringen forkert, er alle målinger forkerte.
Med SQUID'en fik vi en prøve, som fabrikken havde ladet teste igennem på to forskellige magnetometre i Tyskland og Frankrig. Prøven er efter sigende meget stabil, men det undrer mig, at man ikke fremstiller en kunstig prøve i stedet for at bruge en basalt , som her er tilfældet. Prøven er ikke helt homogent magnetiseret, men til gengæld kan man få nøjagtig de samme værdier flere gange i træk ved gentagne målinger.
I Tabel 1.8.1 ses et typisk resultat af en kalibrering med
basalt prøven. I starten af kalibreringen spørges der efter hvilke værdier
den har. Resultatet er ikke nødvendigvis det man har angivet, men ligger som
regel meget tæt på.
| Inc | 65 | |
| Dec | 163,7 | |
| Int | 21,5 | |
| Smm | 0,013 | |
| -8,466 | 2,944 | 19,434 |
| -8,803 | 2,431 | 19,432 |
| -8,448 | 2,435 | 19,746 |
| -9,198 | 2,402 | 19,314 |
Tabel 1.8.1 Typisk kalibrerings resultat
Basalt prøven har en høj intensitet, når det drejer sig om sedimentprøver. Desuden er det ikke muligt at bruge denne prøve med den fineste følsomhed på SQUID'en (sens =1), da signalet så bliver for kraftigt. Nu har indstillingen af følsomhed (sens) på kontrolenheden ikke den store betydning. Følsomheden er udelukkende et valg af spændingsstyrken i signal formidlingen mellem kontrolenheden og AD kortet. Dog skal denne indstilling også kunne bruges, så vi startede på fremstillingen af vores egne kalibreringsprøver.
Niels Abrahamsen fremstillede 4 prøver. Alle var fremstillet på den samme måde, et stykke cylindrisk træ blev skåret ud, så det passede med de almindelige prøve dimensioner. I centrum af cylinderen var der indsat et stykke magnetbånd . Det er tykkelsen af dette stykke bånd der varierer for de 4 prøver. Der blev lavet prøver med henholdsvis 0.1, 0.5, 1 og 5 millimeter. Alle prøverne blev magnetiseret i et felt på 2 A/m i begge planer. For derefter at blive afmagnetiseret i et vekselfelt. Efter afmagnetiseringerne udvælges den prøve der udviser den mest stabile magnetisering. Prøven bliver magnetiseret igen og vekselfeltet afmagnetiseres indtil den ønskede intensitet er nået.
På Figur 1.8.1 ses resultatet af afmagnetiseringen af 5 mm prøven
. Denne prøve er valgt som kalibreringsprøve, da den viser et langt stabilt
forløb inden afmagnetiseringen bliver gældende. Det lineære forløb mellem
400 og 500 Oe
, betragtes også som et tegn på stabilitet.
Stabiliteten af 5 millimeter prøven kan anes på Figur 1.6.2, hvor flere gentagne målinger af prøven, er foretaget med flere måneders mellemrum. Intensiteten ligger højere end man ville forvente ud fra Figur 1.8.1. Dette skyldes magnetiseringen i anden omgang, hvor prøven har optaget en lidt stærkere magnetisering. Prøven er blevet afmagnetiseret i de samme trin som på figuren, med kun op til 400 Oe. Dette skulle gerne resultere i den mest stabile magnetisering, og intensiteten på ca. 4,5 mA/m er i den ønskede størrelsesorden.
På Figur 1.8.2 ses et eksempel på en af de andre prøver,
nemlig 0,1 millimeter bånd prøven. Det ses at afmagnetiseringen ikke viser en
stabil magnetisering af prøven. Noget kunne tyde på 2 magnetiseringer, der
overlapper hinanden. De andre kalibreringsprøver viser afmagnetiseringer i stil
med Figur 1.8.2, og er derfor ikke taget i anvendelse.
5 mm bånd prøven er efter ovenstående analyse blevet udtaget til kalibreringsprøve . Første punkt er at fiksere den i en plastik prøveholder. Dette gøres så båndstykket ligger på diagonalen, for at få en magnetisk vektor i alle tre retninger.
Derefter måles den kommende kalibreringsprøve igennem på magnetometret, som i forvejen er kalibreret med en kendt prøve. I dette tilfælde blev der også foretaget målinger på Mol-spinneren. Resultaterne stemte overens, og gennemsnittet af ti målinger blev værdien der tilegnes den nye kalibreringsprøve. Måling på SQUID'en med den nye kalibreringsprøve som grundlag giver de samme værdier, som en måling med den gamle kalibrering.
Der er nu fremstillet en kalibreringsprøve, som kan kalibrere
SQUID'en i den fineste "opløsning" (Sens=1).
I det følgende vil fejlkilder,
der kan have stor betydning for resultatet, blive gennemgået.
SQUID'en arbejder bedst udenfor Helmholtz spolerne, men en stor ulempe forbundet med dette, er muligheden for en viskøs magnetisering i kalibreringsprøverne og i de prøver der bliver målt.
For at kunne vurdere en eventuel remagnetisering af
kalibreringsprøverne, er to af prøverne blevet målt igennem under forskellige
omstændigheder.
Tabel 1.9.1 Kalibreringsprøve (5mm bånd) placeret mod øst i 20 timer.
Efter at have ligget orienteret mod øst hele natten måles de
to prøver igennem 5 gange, hver gang i 3 positioner, og med en integrationstid
på 10 sekunder. I Tabel 1.9.1 ses resultatet for kalibreringsprøven der består
af 5 millimeter bånd, som har været orienteret mod øst hele natten.
| 17.1.1996 | 17:51:59 | |||||
| 17.1.1996 | 17:53:31 | |||||
| 17.1.1996 | 17:55:4 | |||||
| 17.1.1996 | 17:56:25 | |||||
| 17.1.1996 | 17:57:55 | |||||
| Middelværdi | ||||||
Tabel 1.9.2 Kalibreringsprøve (5mm bånd) Placeret mod Nord i 7.5 timer.
Prøven blev vendt mod nord, og efter ca. 7 1/2 time blev der
foretaget 5 nye målinger. I mellemtiden har SQUID'en været slukket, og er
blevet kalibreret igen. Tabel 1.9.2 er resultat af målingen efter at prøven
har været orienteret mod nord.
Efter målingerne i Tabel 1.9.2, blev prøven placeret mod
vest. Næste dag blev den igen målt igennem med de samme indstillinger. Da
havde prøven ligget orienteret mod vest i ca. 24 timer.
| 18,1,1996 | 17:51:3 | 4,599 | 46,30 | 67,50 | 0,017 | |
| 18,1,1996 | 17:52:18 | 4,582 | 45,90 | 67,30 | 0,014 | |
| 18,1,1996 | 17:53:22 | 4,560 | 45,60 | 67,40 | 0,013 | |
| 18,1,1996 | 17:54:28 | 4,576 | 45,90 | 67,20 | 0,018 | |
| 18,1,1996 | 17:56:11 | 4,573 | 46,40 | 67,60 | 0,015 | |
| Middelværdi | ||||||
Tabel 1.9.3 Kalibreringsprøve (5mm bånd) Placeret mod Vest i 24 timer
Som det ses af de tre tabeller er der ikke den store forskel
mellem resultaterne, hvilket fører til den konklusion, at der ikke er opstået
nogen form for viskøs magnetisering af prøven i det pågældende tidsrum.
Tabel 1.9.4 Viser de tilsvarende målinger for kalibreringsprøven,
der er lavet af 0.1 mm bånd
, heller ikke her er der tilsyneladende nogen forskel.
| Kalibreringsprøve | (0.1mm bånd) Placeret mod Øst i ca. 20 timer | |||||
| Kalibreringsprøve | (0.1mm bånd) Placeret mod Nord i 7.5 time. | |||||
Tabel 1.9.4 Viskøs magnetisering for 0.1 mm prøven
Efter disse målinger må det konkluderes at kalibreringsprøverne
ikke ændrer værdier i jordens magnetfelt
. Målingerne er taget over to døgn, så de siger ikke noget om hvorledes prøverne
ændrer sig over længere tidsrum, men ved sammenligning med Figur 1.6.2 ses, at
heller ikke længere tidsrum har indflydelse.
Testen for viskøs magnetisering giver et godt billede af mulighederne for reproduktion af målingerne. For en prøve med en intensitet på ca. 4.5 mA/m er målingerne meget ens, der er stort set ingen forskel mellem resultaterne ved forskellige kalibreringer.
Ved måling på svage prøver kan en eventuel magnetisering af prøveholderen være af stor betydning, derfor har jeg lavet nogle målinger på plastik prøveholderen, med og uden afmagnetisering.
Den første måling af prøveholderen, er udført før der er blevet foretaget nogen form for afmagnetisering af holderen. Værdien er meget høj og det lykkedes aldrig at komme op på en så høj intensitet igen, heller ikke efter en meget kraftig magnetisering.
Målingen på prøveholderen var heldigvis en af de første målinger der blev lavet, så det havde ingen reel betydning.
Under målingen af Rokai profilet blev der løbende foretaget
målinger af holderen, den højeste intensitet af prøveholderen blev målt til
0.08 mA/m, og ofte kunne feltet fra holderen ikke måles (tæt på støjniveauet
).
| Fra fabrikken | ||||
| Efter afmagnetisering | ||||
| Efter magnetisering |
I Tabel 1.9.5 ses i række 2 resultatet af en afmagnetisering af prøveholderen. Da disse målinger er foretaget med den gamle SQUID, er målingen nede i støjniveauet for instrumentet, hvilket betyder at der i praksis ikke er en magnetisering af prøveholderen.
Række tre i tabellen er en måling af prøveholderen efter en kraftig magnetisering. Der er ikke den store forskel på den ovenstående måling. Konklusionen efter måling tre bliver at holderen tilsyneladende ikke optager en remanent magnetisering.
Den stærke intensitet i den første måling antages at være opstået ved fremstillingen, måske i form af en spænding i materialet .
I forbindelse med målinger på svagt magnetiserede sedimenter vil det være en fordel at afmagnetisere prøveholderne inden prøverne måles, men i forbindelse med stærke prøver (over 20 mA/m), vil betydningen af en eventuel magnetisering af prøveholderen kun have ringe betydning.
I programmet kan man indstille integrationstiden , d.v.s. den tid hvor der måles på prøven.
I teorien skulle en længere integrationstid medføre en større nøjagtighed. De praktiske resultater viser dog, at man ikke opnår væsentlige forbedringer efter ca. 20 sekunder for sedimenter, og ca. 5 sekunder for stenprøver. Ved prøver der ligger tæt på støjniveauet vil en lang integrationstid dog kunne forbedre resultatet væsentlig.
På Figur 1.9.1 ses to prøver med forskellige intensitet, de
er begge blevet målt flere gange med forskellige integrationstider. For lerprøven,
som har en intensitet på ca. 2 mA/m, sker der ingen forbedring af usikkerheden,
efter 20 sekunders integrationstid.
Det er svært at sige noget konkret omkring usikkerhedsgrafen for stenprøven, som har en intensitet på ca. 21 mA/m. Det har åbenbart ikke den store betydning hvilken integrationstid man benytter for stærkt magnetiserede prøver.
Punkterne på grafen er alle fremkommet ved at tage middelværdien
for 3 målinger (3 positioner). Dette betyder at der er foretaget 6*3 målinger
af den magnetiske vektor til hvert punkt på grafen. Prøverne der er taget med
i denne sammenligning er relativt stærkt magnetiseret. Ved svagere intensiteter
vil kurverne forskydes mod højre, således at faldet i Smm slutter senere.
Den ideelle prøveform ville være en homogen kugle . Problemet med kugle formen er, at det i praksis er umuligt at fremstille prøver med denne form. Derfor vælger man en tilnærmelse til kuglen, som det er praktisk muligt at fremstille uden at ødelægge de magnetiske vektorer. Denne form er cylinderen .
Cylinderen frembringer en usikkerhed i målingerne, idet
afstanden til prøven varierer, når cylinderen roteres omkring dens højde.
I Tabel 1.9.6 ses en XYZ fil med målinger af en kendt prøve. Alle målingerne er foretaget med 3 positioner. Ser man på kolonnen med X værdierne, er der en gennemgående tendens til at den første værdi er større end nummer to. Dette kan forklares med formen af prøven, idet den integrerede afstand er størst for måling nummer to.
En anden forklaring, er en inhomogenitet i prøven.
Tabel 1.9.6 er en kombination af inhomogenitet og prøvens form. Da andre prøver viser en knap så markant forskel, må hovedparten af variationerne tilskrives inhomogenitet .
I Ligning 1.10-1 beregnes middelværdien for målingerne i X,Y
og Z retningerne, i forvejen er Hxi
, Hyi
og Hzi
en middelværdi af mange enkelte målinger, hvor mange bestemmes v.h.a.
integrationstiden inden målingen starter. På Figur 1.7.5 ses hvilken måling
de enkelt komponenter hører til f.eks. kommer Hx2 fra position 2.
Fra fabrikken er det muligt at måle 1,2 eller 4 sæt af X
,Y
og Z
(afhængigt af antal positioner 2,3 eller 6) , i Ligning 1.10-1 er det 6
positioner, ved færre positioner falder flere af komponenterne bort.
Ligning 1.10-2 angiver beregningerne for intensitet
, inklination
og deklination
.
Usikkerhedsberegningen
er baseret på Ligning 1.10-3 og Ligning 1.10-4
hvor
Bortset fra Smm, er beregningerne ens for de to versioner af programmet.
Beregningerne, der ligger til grund for de forskellige plots,
som programmet understøtter (Zijderveld
og Stereografisk projektion
) , vil ikke blive nævnt her, der henvises til litteraturen.
I styre programmet findes der to muligheder for at plotte de
aktuelle målinger.
Stereografisk projektion.
Centrum af cirklen står for 90 eller -90 inklination. Den
yderste ring svarer til 0. Desuden er ringene tegnet for hver 15,
(90,75,60..15,0).
For positive inklinationer er symbolet helt udfyldt, og for negative åben.
På Figur 1.10.1 ses et eksempel på et stereografisk plot fra
programmet. Prøven der er plottet er afmagnetiseringen af den 5 mm
kalibreringsprøve, som er omtalt flere steder i teksten. På figuren er der
foruden det stereografiske plot, lavet en graf med intensiteten som funktion af
afmagnetiseringen.
Zijderveld plot.
På Figur 1.10.2 ses et eksempel på et Zijderveld plot fra styre programmet, igen er det den omtalte 5mm kalibreringsprøve der er plottet.
Horisontal planet består af X-Y, eller N-E. Vertikal planet
er Z-H.
Den ny version af SQUID magnetometret ser ud til at fungere tilfredsstillende, men der er nogle områder hvor vi godt kunne tænke os nogle forbedringer.
En svaghed ved apparater der kører på flydende kvælstof , er muligheden for at de kører tørt. Hvis dette skulle ske for SQUID'en ville RF hoved brænde sammen, eller rettere de fine tråde i SQUID sensoren vil "ruste" over. Resultatet er en nyanskaffelse af et SQUID hoved, hvilket koster over 30.000 Kr. Da SQUID'en kræver en påfyldning hver 24 timer for ikke at tørre ud, er der en stor risiko med hensyn til glemt påfyldning. For at mindske denne risiko har elektronik personalet på afdelingen indbygget en alarm i SQUID'en. Indgrebet er ikke stort, idet SQUID'en har en lysdiode der tænder når mængden af kvælstof er langt nede. Når dioden tænder er der ca. en halv time til at apparatet tager skade. Denne diode er blevet forbundet til alarm som går i gang når dioden lyser. Alarmen er på ca. 100 db og kan høres i hele bygningen. Der er desuden planer om en telefonenhed, som ringer til nogle forud programmerede telefonnumre, hvis alarmen går i gang.
En anden mulighed som undersøges i øjeblikket, er et
automatisk påfyldningsudstyr som er blevet tilbudt fra fabrikkens side.
Problemet med anskaffelsen af udstyret beror i øjeblikket alene på den økonomiske
udgift.
På ønskelisten står også et automatisk afmagnetiseringsudstyr . Her er der dog flere problemer. Der findes ikke et system på markedet som passer til SQUID'en, så vi må i høj grad selv fremstille det. Med sådanne fremstillinger er det svært at vurdere økonomien og tidsforbruget. En mulighed var en robot , som man hurtigt kunne lære at udtage og vende prøverne, en af den slags robotter der f.eks. bruges til sprøjtemaling i flere virksomheder. Disse robotter er dog ikke helt billige, den billigste vi har set på nuværende tidspunkt har ligge omkring de 140.000 Kr.
I Ligning 1.11-1 udregnes tidsforbruget
for afmagnetiseringen af prøverne fra Rokai profilerne. De 114 timer er den
tid som SQUID magnetometret har krævet. Det reelle tidsforbrug er meget større,
idet flere tidskrævende faktorer ikke er medtaget i beregningerne. F.eks. er
der ikke taget hensyn til ommålinger, målinger med 6 positioner,
opvarmningerne af SQUID'en og forsøg med bedre indstillinger. Tages dette med
bliver tidsforbruget til afmagnetiseringen langt over 200 timer.
SQUID = 100 sekunder * 3 positioner * 13 trin * 84 prøver = 91 timer.
AF udstyr = ca. 5 sekunder * 13 trin * 84 prøver = 1.5 time (ca.)
Vending = 5 sekunder * 3 positioner * 13 trin * 84 prøver = 4.5 timer.
Kalibration / påfyldning = 12 timer (ca.)
I alt ca. 110 timer.
Man kan normalt måle 4-5 timer i træk, idet ens fejlprocent bliver meget høj efter længere tids ophold i laboratoriet, desuden skal de målte data helst behandles løbende.
Med en gennemsnitlig måle tid på 4.5 time pr. dag bliver
tidsforbruget til mere end 45 arbejdsdage
, udelukkende til afmagnetiserings-forløbet.
Computeren er allerede tilsluttet det lokale net , med en robot vil der være mulighed for at styre hele måle processen over nettet. Hvilket giver mulighed for fjernstyring af SQUID'en.
Man kunne forestille sig en måling styret fra et andet land. Prøverne sendes til laboratoriet, hvor de stilles i nærheden af SQUID'en, resten styres over internettet .
For at dette skal blive virkelighed kræves der at de ovennævnte
forbedringer bliver udført, og det kræver også nogle ændringer i softwaren
til SQUID'en.
SQUID'en har ikke mulighed for at vurdere graden af inhomogenitet . Skal dette være muligt skal det "rå" signal fra RF kredsen opsamles i en computer. Der er flere problemer der skal løses før man kan gøre dette, bl.a. skal flux koncentratoren i SQUID hoved fjernes, hvilket kræver et helt nyt SQUID hoved (til ca. 30.000 Kr.). Desuden skal der laves ændringer i elektronikken, da tilbagekoblings signalet kan forstyrre opsamlingen af de rå målinger.
Udføres disse forbedringer fås til gengæld et unikt
instrument, der som det første i verden, vil være istand til at invertere det
målte signal med andet og mere end en dipol.
Af mindre forbedringer, men dog vigtige forbedringer som er
foretaget, kan nævnes indlæggelse af trykluft
og varmluftsblæser
i forbindelse med opvarmningen af SQUID'en, indkøb af lavstrålings skærm
, og bestilling af diverse små prøveholdere.
SQUID magnetometret er et højteknologisk måle instrument, som er meget følsomt. Et nyudviklet instrument vil altid have nogle problemer der skal rettes, specielt når instrumentet skal benyttes af folk der ikke har deltaget i udviklingen. I vores tilfælde tog indkøringen et halvt år, men så havde vi også et magnetometer, der til en lav pris, måler meget nøjagtigt.
Det kan anbefales at anskaffe sig et SQUID magnetometer, men
det skal testes og eventuelt byttes, hvis det ikke lever op til
specifikationerne.