Các thiết bị quan trắc trường địa từ được thiết kế để đo vectơ trường toàn phần F và các thành phần của trường địa từ.
Về mặt nguyên lý, các thiết bị ghi, đo trường địa từ sử dụng trong đo từ có thể thuộc một trong 5 nhóm sau đây: từ kế dây xoắn (torsion magnetometer), từ kế cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance magnetometer), từ kế lõi bão hoà (saturable core magnetometer) hay từ kế fluxgate, từ kế cảm ứng (induction magnetometer) và từ kế siêu dẫn (superconducting magnetometer).
Dưới đây chỉ giới thiệu một số thiết bị đo từ phổ biến trên thế giới và hiện đang được sử dụng tại các đài, trạm địa từ của Việt Nam.
2.1. Thiết bị đo độ từ thiên D và độ từ khuynh I
Từ kế fluxgate DI-flux (H.1.12) là thiết bị để đo độ từ thiên D và độ từ khuynh I, về bản chất là một Kính kinh vĩ sản xuất tại Đức, được Viện Vật lý địa cầu Pari ghép thêm một bộ van từ thông loại fluxgate. Máy có độ phân giải đến 0,1 nT (ứng với khoảng 0,5"
góc).
Nguyên tắc hoạt động của Kính kinh vĩ từ để đo độ từ thiên D như sau: thiết bị bao gồm một vòng tròn chia độ nằm ngang, một kính thiên văn và một buồng nhỏ hình trụ, trong đó một thanh nam châm được treo nằm ngang bằng một sợi dây không xoắn. Đưa ống ngắm vào một mia đã biết giá trị azimut, đọc giá trị trên vòng chia độ, sau đó đưa ống ngắm vào các đầu mút của thanh nam châm để
nằm tự do trong kinh tuyến từ và lại đọc giá trị trên vòng tròn chia độ. Từ hai phép đọc này sẽ xác định được giá trị độ từ thiên D. Về lý thuyết, trong điều kiện chuẩn, thiết bị có thể đạt độ chính xác đến 0,1' [5 ].
Hình 1.12.
Từ kế fluxgate DI-flux đặt tại Đài địa từ Phú Thuỵ, Việt Nam (nguồn tư liệu:
Viện Vật lý địa cầu Hà Nội)
Nguyên lý đo độ từ khuynh trong máy là: một cuộn dây được làm quay xung quanh một trục, trục này có thể lấy bất kỳ hướng nào trong không gian. Khi cuộn dây quay trong trường địa từ, trong cuộn dây sẽ xuất hiện một lực điện động cảm ứng. Khi làm thay đổi hướng của trục quay, sẽ tìm được một vị trí mà ở đó lực điện động cảm ứng trong cuộn dây bằng không. Lúc đó, trục quay của cuộn dây sẽ song song với đường sức của trường địa từ. Độ từ khuynh I sẽ được xác định qua việc đo độ nghiêng của trục quay này so với mặt phẳng nằm ngang. Về lý thuyết, trong điều kiện chuẩn, máy có thể đạt độ chính xác đến 0,1'.
2.2. Thiết bị đo trường toàn phần T (từ kế proton )
Từ kế proton được chế tạo dựa trên cơ sở cộng hưởng từ. Một proton có momen spin đặt trong một từ trường B sẽ có 2I+1 mức Zeeman đặc trưng bởi số lượng tử M, hình chiếu của I lên B, cách nhau bằng năng lượng EM+1 - EM = mB/I (m: momen từ của proton). Sự truyền năng lượng giữa các mức này được thực hiện
qua việc phát hoặc thu bức xạ điện từ với tần số ν = 1
2π mBhI = gB (h: hệ số Planck; g = hIm : tỷ số hồi chuyển từ (gyromagnetic), là một hằng số vật lý của proton, độc lập với các điều kiện bên ngoài).
Tần số ν, gọi là tần số Larmor, tỷ lệ với cường độ trường B. Việc đo cường độ trường B được thực hiện qua việc đo tần số này. Độ chính xác của từ kế proton (H.1.13) dùng ở Viện Vật lý Địa cầu Hà nội là 1 nT.
Hình 1.13. Từ kế proton sử dụng tại đài địa từ Phú Thuỵ, Việt Nam (nguồn tư liệu: Viện Vật lý địa cầu Hà Nội)
2.3. Các thiết bị ghi biến thiên trường địa từ
Mỗi đài, trạm địa từ đều được trang bị máy ghi liên tục trường địa từ để nghiên cứu sự biến thiên của nó theo thời gian tại vị trí của đài, trạm đó.
2.3.1. Máy ghi biến thiên từ dây xoắn
Phần lớn máy ghi biến thiên từ thuộc loại từ kế dây xoắn, với các
yếu tố được ghi phổ biến là D, H, Z. Biến thiên ngày đêm của các thành phần này được ghi lại nhờ các bộ cảm biến (variometer) trên một băng giấy ảnh, gọi là giản đồ từ (magnetogram), qua một hệ thống quang học. Để thu được giá trị thực của trường địa từ tại một thời điểm nhất định từ các đường ghi của một giản đồ từ, cần phải biết giá trị vạch chia (scale-value), nghĩa là số nT trên 1mm độ lệch của đường ghi, và giá trị tuyệt đối ứng với ít nhất một điểm trên đường ghi. Trong thực tế, người ta xác định các khoảng cách từ đường ghi đến một đường chuẩn gọi là đường cơ sở (base-line).
Trong mỗi đầu cảm biến có một nam châm nhỏ. Nam châm D được treo trên một sợi dây thạch anh không xoắn, ở vị trí nằm ngang trong mặt phẳng kinh tuyến từ và quay theo sự biến thiên của mặt phẳng này. Nam châm H được treo trên một sợi dây với độ xoắn khá đủ để có thể quay đi được một góc vuông mà vẫn nằm trong hướng Đông - Tây. Khi trường H tăng, nam châm chuyển động về phía kinh tuyến làm tăng độ xoắn cho đến khi thiết lập được một trạng thái cân bằng. Nam châm Z có một trục nằm ngang, được đặt lệch tâm sao cho nam châm nằm ngang theo hướng Đông - Tây, có ngẫu lực từ cân bằng với ngẫu lực trọng trường. Trọng tâm của nam châm nằm ở dưới trục một chút, sao cho khi có một sự tăng của Z sẽ gây ra một độ nghiêng của nam châm, và như vậy sẽ làm tăng ngẫu lực trọng trường, cho tới khi trạng thái cân bằng được thiết lập.
Sự dao động của các nam châm được cảm nhận nhờ một chùm ánh sáng phản xạ từ một chiếc gương nhỏ gắn vào mỗi nam châm.
Các chùm ánh sáng phản xạ được làm hội tụ lên giấy ảnh gắn cố định trên một chiếc trống ảnh quay hết một vòng trong một ngày đêm nhờ một hệ thống điều khiển cơ học. Tốc độ dịch chuyển của giấy ảnh là 20 mm/giờ. Các giá trị vạch chia được xác định bằng cách sử dụng các vòng Helmholtz, dùng các trường từ đã biết cường độ tác động lên các nam châm cảm biến. Bộ phận điều khiển đóng vai trò điều khiển và đo độ nhậy của các bộ cảm biến.
Giá trị vạch chia ε trên các giản đồ từ được xác định theo công thức
ε = k I 2l
2 (nT/mm) (1.2) trong đó hệ số k là hằng số đặc trưng cho các bộ cảm biến, I (mA) là giá trị cường độ dòng điện từ bộ điều khiển, l (mm) là giá
trị độ lệch của thành phần ghi tương ứng trên giản đồ từ. Đối với độ từ thiên D, giá trị ε được chuyển sang phút góc theo công thức
ε ε
D nTD
H
'
sin '
= 1 (1.3) trong đóεnTD là giá trị vạch chia đo bằng nT, ε′D: giá trị vạch chia đo bằng phút góc, sin1' = 2,9×10-4; H: giá trị tuyệt đối của thành phần nằm ngang tại nơi đặt máy ghi, đo bằng nT.
Máy ghi biến thiên từ đầu tiên hoạt động ở Việt Nam là máy ghi biến thiên "Askania" số 51 do Đức sản xuất năm 1957, được sử dụng ở trạm địa từ Sa Pa từ 1958 đến 1968. Máy dùng giấy ảnh có độ rộng 12 cm, dài 52 cm. Giá trị vạch chia cho năm 1958 đối với các thành phần H, Z, D tương ứng là εH = 3,33 nT/mm, εZ = 3,00 nT/mm, εD = 0,50 '/mm.
Máy ghi biến thiên từ ở các trạm địa từ Sa Pa và Đà Lạt (1982- 2004), Bạc Liêu (1988-1998) và ở đài Phú Thụy (1967 - 1995) là loại MBC do Viện Địa từ Điện ly và Truyền sóng (IZMIRAN) thuộc Viện Hàn lâm khoa học Cộng hoà Liên bang Nga sản xuất [6]. Máy dùng các loại giấy ảnh khổ 54 cm × 28 cm hoặc 54 cm × 20 cm (tùy theo từng loại trống ảnh). Thông thường giá trị vạch chia của các thành phần cường độ (H, Z) của các máy tự ghi MBC ở Việt Nam là từ 1 ÷ 2 nT/mm, của độ từ thiên D là từ 0,1 ÷ 0,3 '/mm.
2.3.2. Máy ghi biến thiên từ hiện số Fluxgate (GEOMAG)
Máy ghi từ hiện số GEOMAG do Viện Vật lý Địa cầu Pari hợp tác với các hãng Thomson-Sintra ASM (một hãng về ứng dụng điện tử và từ học của Pháp) và GEM SYSTEMS (một hãng chuyên sản xuất các từ kế dựa trên hiệu ứng Overhauser) chế tạo. Máy này bao gồm một từ kế véc tơ và một từ kế vô hướng. Đầu dò của từ kế véc tơ thuộc loại fluxgate, được cấu tạo từ 2 cuộn dây, gọi là sơ cấp và thứ cấp. Cuộn sơ cấp được cấu tạo thành từ 2 cuộn dây giống hệt và song song với nhau, chứa một lõi hợp kim mu (mumetal). Hai cuộn được mắc nối tiếp, nhưng từ cuộn nọ đến cuộn kia thì chiều của cuộn dây đổi ngược. Một dòng điện xoay chiều tần số f chạy trong cuộn sơ cấp, có cường độ sao cho sự từ hoá của các lõi đạt 2 lần bão hoà cho mỗi chu kỳ (1 lần bão hoà theo một chiều, 1 lần bão hoà theo chiều ngược lại). Nếu thành phần của trường xung quanh dọc
theo trục của các cuộn dây bằng không, thông lượng cảm ứng chạy qua cuộn thứ cấp bằng không do tính chất đối xứng. Nếu thành phần này khác không, một sự bất đối xứng xuất hiện trong các chu trình từ trễ (hysteresis) của các lõi, và một lực điện động tần số 2f xuất hiện ở các đầu dây của cuộn thứ cấp.
Hình 1.14. Máy GEOMAG để ghi biến thiên trường địa từ tại Đài địa từ Phú Thuỵ, Việt Nam (nguồn tư liệu: Viện Vật lý địa cầu Hà Nội)
Đầu dò bão hoà được đặt vào tâm của một vòng Helmholtz, với trục của đầu dò và trục của cuộn dây trong vòng Helmholtz, gọi là cuộn bù trừ, trùng với hướng của thành phần trường E muốn ghi biến thiên. Cuộn bù trừ khi có dòng điện i chạy qua tạo ra ở tâm một trường phụ Gi ngược với thành phần trường E, và cường độ dòng điện i tự động điều chỉnh đến khi lực điện động xuất hiện ở các đầu dây của cuộn thứ cấp bằng không, lúc đó E = Gi. Để xác định biến thiên của thành phần trường E, người ta đo biến thiên của dòng điện i, từ đó suy ra biến thiên của thành phần trường E, vì 2 đại lượng này tỉ lệ với nhau.
Máy GEOMAG (H. 1.14) có độ phân giải rất cao: 0,1 nT cho từ kế vectơ và 0,01 nT cho từ kế vô hướng, với độ chính xác là 0,2 nT.
Dải đo của máy khá lớn: 11.800 ÷ 64.800 nT cho từ kế vectơ và
20.000 ÷ 120.000 nT cho từ kế vô hướng, có thể ghi mọi giá trị của trường địa từ cũng như biến thiên của nó theo thời gian. Máy có thể đo ở trong khoảng nhiệt độ từ -40 ÷ 60°C.