1- \9"8 J 1 RAPORTTITIEDOSTO. 16.1/22/81/1 Ari Poikonen Lauri Pesonen GEOLOGINEN TUTKIMUSLAITOS. Geofysiikan osasto

Transkriptio

1 16.1/22/81/1 Ari Poikonen Lauri Pesonen RAPORTTITIEDOSTO 1- \9"8 J GEOLOGINEN TUTKIMUSLAITOS Geofysiikan osasto HEIKOSTI MAGNEETTISTEN KIVINAYTTEIDEN MITTAUSSYSTEEMI TKK:N KYLM.&LABORATORION MAGNEETTISESTI SUOJATUSSA HUONEESSA

2 Q 16.1/22/81/1 Ari Poikonen Lauri Pesonen GEOLOGINEN TUTKIMUSLAITOS Geofysiikan osasto HEIKOSTI MAGNEETTISTEN KIVINAYTTEIDEN MITTAUSSYSTEEMI TKK:N KYLMALABORATORION MAGNEETTISESTI SUOJATUSSA HUONEESSA

3 TIIVISTELMA Tassa projektissa on suun~iteltu jo rakennettu heikkomagneettisten kivinäytteiden mittaukseen soveltuva systeemi TKK:n kylmälaboratorion magneettisesti suojattuun huoneeseen (MSH). Näytteen aiheuttamamagneettikenttä rekisteröidään SQUID-magnetometrillä. Paleomagneettisen standardinä tteen pieninmitattavissa. oleva intensiteetti on n emu/cm3 (' 50 pt). Oisin, jolloin ulkoinen häiriötaso on erittain pieni on mahdollista mitata vieläkin heikompia naytteita. Tärkein virhelähde mittauksissa on naytteen epähomogeenisuus. Voimakkaasti epähomogeeninen nayte tuottaa liian suuren intensiteetin ja vääristyneen suunnan. Virhettä voidaan pienentää mittaamalla nayte kauempaa. Systeemillä mitattiin myös eri materiaalien magneettisuutta. Voimakkaim:i,in magneettisiksi osoittautuivat värilliset PVC-muovilaadut. Heikoimmin magnetoituneita olivat taas värittömät muovilaadut (Acryl, Macrolon, Nylon) sekä puu. Standardinäytteillä saadut mittaustulokset yhtyivät hyvin muilla mittaussysteemeillä saatuihin tuloksi in. MSH tarjoaa myös hyvän laajakaistaisen suojan herkkien mittalaitteiden testaukseen. Systeemin mittauskustannukset ovat n. 5C mk/ päivä. 1. Johdanto GTL:n geofysiikan osastolla on jo pitkään nähty tarvetta luoda heikosti magnetoituneiden kivinäytteiden mittaamiseen soveltava systeemi. Paleomagneettisessa laboratoriossa on tällä hetkellä kaksi spinner - magnetometri ä. Vanhemman (spinner 1) herkkyys magneettisena momenttina on n emu ja uudemman, vielä koekayttövaiheessa olevan laitteiston (spinner 2 ), n. 5.10~~ emu. Petrofysiikan laboratoriossa on lisäksi astaattinm magnetometri, jonka herkkyys on n. 5-1om4 emu. Osalla laboratorioon tulevista näytteistä on NRM alle em. laitteiden herkkyyden. Nai den näytteiden remanenssi on usein, vastoin yleistä luuloa, erittain kovaa ja stabiilia, joten ne ovat paleomagneettisesti hyviä naytteita. AF-demagnetoinnin ai kana saattaa vahvemmankin naytteen intensiteetti laskea alle nykyisten laitteiden herkkyyden, jolloin demagnetoinnista saatava informaatio jää puutteelliseksi. Tassa projektissa kehitetyssä heikkomagneetti sten näytteiden mittaukseen soveltuvassa systeemissä on käytetty hyväksi uutta tekniikkaa. Näytteen aiheuttaman magneettikentän rekisteröinti tapahtuu suprajohtavalla(squ1d Superconducting Quantum Interference Device)- magnetometrillä magneettisesti suojatussa huoneessa (MSH). Nai 11a

4 laitteilla on ollut tarkoitus päästä ainakin dekadja parempaan herkkyyteen kuin paleomagneettisen laboratorion spinner-laitteistoilla. SQUID sekä magneettisesti suojattu huone sijaitsevat TKK:n kylmälaboratoriossa. Projektin toteutukseen ryhdyttiin joulukuussa 1980, mutta se on ollut vireillä jo vuodesta 1978, josta lähtien Lauri Pesonen on ollut mukana MSH:n neuvottelukunnassa. Työryhmään on kuulunut myös mek. Veikko Mäkinen, joka on vastannut näytteenkuljetusradan rakentamisesta. Kylmälaboratoriota on edustanut Auvo Penttinen. Tässä raportissa käsitellään aluksi MSH:n ja SQUIDin rakennetta ja toimintaa. Taman jalkeen kuvataan mittaussysteemj ja esitetaan sen tärkeimmät ominaisuudet. Seuraavaksi tarkastellaan systeemin luotettavuutta ja esitetaan sen merkittävimmät virhelähteet. Taman jalkeen esitetaan eri materiaaleilla sekä paleomagneettisilla standardinäytteillä saadut mittaustulokset. Loppupäätelmissä tarkastellaan systeemin yleisiä ominaisuuksia sekä sen kehittämismahdollisuuksia. Magneettiset momentit sekä magnetoitumisen intensiteetit ilmoitetaan c.g.s-yksiköissä. Cgs- ja SI-yksiköiden väliset konversiot on esitetty liitteessä Magneettisesti suojattu -. huone - Kylmälaboratorion magneettisesti suojattu huone valmistui huhtikuussa Suunnittelusta ja rakentamisesta vastasi VTT:n kojetekniikan laboratorio (Kelhä 1980). MSH on rakenteeltaan kuutio, jonka sisäsärmä on n. 2.4 m. Suojauksessa on kaytetty kolmea menetelmää: 1. Ferromagneetti sen suo j auksen muodostaa kolme s isäkkäistä mumetallikuorta (mu-metallin ominaisuuksia on selvitetty liitteessä 4). Kuoren seinämä koostuu limittäisi stä mu--metalli liuskoista, jotka on niittaamalla puristettu alumiinilevyjen väliin. Nurkissa on kaytetty vastaavanlaisia kulmakappaleita. 2. Pyörrevirtasuojauksen muodostavat kuusi alumiinikuorta, jotka ympäröivät mu-metalli liuskoja. Pyörrevirtasuojaus alkaa vai -

5 kuttaa taajuuksilla, joilla häiriökentän tunkeutumissyvyys on suojakuoren paksuuden luokkaa. Staattiseen kenttään ei pyörrevirtasuojauksella luonnollisesti ole vaikutusta. 3. Aktiivisessa kompensoinnissa eliminoidaan hitaasti muuttuva ulkoinen kentta huoneen ulkopuolelle rakennettujen kelaparien avulla. Huoneen katolla sijaitseva flux-gate magnetometri ohjaa kompensoint ivirran saataj aa si ten, että kentta anturin kohdalla eliminoituu. Anturin paikka on valittu siten, että kentän kompensoituessa anturin kohdalta, kompensoituu se myös MSH:n sisältä. Aktiivisen kompensoinnin taajuusalue f = O Hz ja kompensointialue pt. Mu-metallin efektiivista permeabiliteettia ja siten myös huoneen suo j austeki j aa voidaan parantaa vaihtovirtakasittelyllä (engl. shaking) (Kelhä, Peltonen,Rantala,l980). Tässä menetelmässä johdetaan huoneen ympäri kulkeviin kaameihin sähköverkosta 50 Hz vaih- tovirta. Käyttämällä 6 A:n virtaa kasvaa huoneen suojaustekija 5.6 db 0.5 Hz:n taajuudella (Kelha, 1980). Vaihtovirtakäsittely kasvattaa kuitenkin huoneen kohinatasoa verkkotaajuudella ja sen harmonisilla mikä rajoittaa menetelmän kaytettavyyttä. Kuvassa 1 on kaaviokuva MSH:n rakenteesta ja suo jausmenetelmi sta. SHIELDING EDDY CURRENT SHIELDING (MUMETAL) (ALI 1 ACTlVE SHIELDING (CLOSED LOOP CONTROL 1 Kuva 1. MSH:n rakenne seka käytetyt suojausmenetelmat (Kelhä, 1980).

6 Kuvassa 2 on esitetty MSH:n suojaustekija taajuuden funktiona. Kivinäytteiden mittausten kannalta merkittävin taajuus- kaista on Hz. Koska mittaukset suoritetaan ovien ollessa auki, kuvaa MSH:n suojaustekijaa tässä tilanteessa kay- ra C. Staattisen magneettikentän pystykomponentti mitattiin näytteen kohdalta flux-gate magnetometrilla ja tulok- seksi saatiin 1 24 nt. Tama vastaa li kimaarajsesti suojausteki - jan arvoa S s 10" # Kuva 2. MSH:n mitatut suo jausteki j ät('kaajuuden funktiona a) yksi kuori b) kaksi kuorta c) kolme kuorta d) kolme kuorta ja yksi ovi e) kolme kuorta ja kaksi ovea f) kolme kuorta ja kolme ovea g) kolme kuorta, kolme ovea ja aktiivisuojaus. Jokainen kuori sisältää kaksi kerrosta mu-metallia ja alumiinia. (Kelha, 1980).

7 Kuvassa 3 on esitetty MSH:n magneettinen kohina päiväsai kaan taa juuden funktiona ovi en ollessa auki. ~ ~ b ~ t 5 ~ ~ l n f 2 ) Kuva 3. MSH:n magneettinen kohina päiväsaikaan ovi en ollessa - auki. Käyrät a) ja b) vastaavat alhaista ja voimakasta ulkoista kohinatasoa. Kayrä c) kuvaa tyypillistä mitatua kohinaspektriä, jota rajoittaa SQU1D:n kohina yli 100 Hz:n taajuudella. Käyrä d) esittää SQUIDin kohinaspektriä ja e) arvioitua termi sta kohinaa. (Kelhä, 1980). MSH:n tärkeimmät sovellutusalueet liittyvät biomagneettisijn mittauksiin, kuten sydämen magneetti kentan (MKG) j a aivojen magneettikentän (MEG) mi ttauksi in. Magneetti kentan voimakkuudet näissä mittauksissa ovat tyypillisesti 50 pt ja 1 pt (Kelhä, 1980). Lisäksi voidaan tutkia silmän liikkeiden ja muiden erilaisten lihasten aiheuttamia magneettikenttiä. Keuhkokontaminaatiotutkimukset muodostavat myös tärkeän haaran biomagneettisessa tutkimuksessa. Tämän projektin mittauksissa pienimmät kivinäytteiden aiheuttamat magneettikentät ovat suuruudeltaan n. 2 pt.

8 Magneettikentän detektointi tapahtuu suprajohtavalla, radio- taajuisella magnetometrilla R. RF-SQUIDilla. Sen toiminta perustuu suprajohtavan renkaan läpi kulkevan magneettivuon kvantittumisilmiöön seka kahta suprajohdetta yhdistzvzssa heikossa li i - toksessa tapahtuvaan elektroniparien tunneloitumiseen, ns. Josephsonin ilmiöön (esim. Kittel, 1971, s. 737). SQUID vaatii toimiakseen nestemaisen heliumin lämpötilan (4.2 K). Kuvassa 4 on esitetty lohkokaavioaa takaisinkytkentamoodissa toimivan RF-SQUIDin rakenne. RF DIAS OSClL L ATOR, Nrf* %& *% 2Lori := CIRCUIT TANK SIGNAL COIL RF COIL, RF AMPL F/ER * >-II FEEOBACK RESIS rors - Ot'TECfOR PHASE - SCNS!flVE PE I EC TOR 95CIL A CO10 L ATOR - - I ~ig. 5. Simplified block diagram of the locked loop. -- Kuva 4 Yksinkertaistettu lohkokaavi o RF-SQUIDin rakenteesta. Signaalikelan muodostaa 1. asteen gradienttikela, joka on virityspiirin kanssa kytketty indukti ivisesti SQUIDrenkaaseen. Viri tyspiiria (tankkipii ri a) syöttää RF-, oski laattori. Kuvassa 5 on esitetty tankkjpi irin yli vaikuttavan j anni tteen V riippuvuus renkaan lapaisevasta vuosta (signaalivuosta). rr 1 Periodisen funktion jakso on vuokvantti, jonka suuruus on = l5 Vs (Kittel, 1971).

9 - - -?mk circuit ~of foge working poinf I J, oudio flux flux Kuva 5.,pi i r> Viritys.yTi vaikuttavan j änni tteen (Vrf) riippuvuus si gnaalivuosta, sekä moduloivan audiotaajuisen suorakaidesignaalin vaikutus. Takaisinkytkennän järjestämiseksi syötetaan virityspi iriin audiotaajuista suorakaideaaltoa, joka moduloi RF-signaalia. Si jaitkoon SQUIDin toimintapiste kuvan 5 mukaisesti jakson huippukohdassa. Kun ulkoista signaalia ei ole, on RF-signaalilla sama amplitudi kummallakin audiosignaalin puolijaksolla, eikä modulaatiota näinollen tapahdu. Kun ulkoinen signaali (vuo) Aá kytkeytyy SQUIDiin pyrkii toimintapiste siirtymään kolmion sivuja pitkin alemmaksi jompaan kumpaan suuntaan. Tällöin RF-signaalin amplitudi on suurempi toisella audiosignaalin puolijaksolla, ts. RFsignaalissa on modulaatiota. Moduloitu signaali vahvistetaan ja ilmaistaan. Suodatuksen jälkeen j äljellä on AF-signaali, joka on samassa tai vastakkaisessa vaiheessa moduloivan signaalin kanssa riippuen signaalivuon Ad suunnasta. Vaihelukitussa detektorissa, jonka referenssinä on moduloiva signaali, AF-signaali muutetaan dc-jännitteeksi, joka on verrannollinen Aá: in ja jolla on sama polariteetti. Tämä signaali vahvistetaan ja syötetaan takaisinkytkentavastusten ja tankkipi i rin kautta SQUID-renkaaseen, jossa se kompensoi ulkoisen vuon muutokset. Näin toimintapiste pysyy kolmion huipussa. Audio-oskillaattorin taajuus on joko 5 khz (SLOW) tai 50 khz (FAST). Jos sensoriin tulee äkillisiä kentän muutoksia (transientteja), ei takaisinkytkentä ehdi seurata ilmiötä, vaan toimintapiste siirtyy vuokvantilla tai sen monikerralla lukittaen vuohyp-

10 pyja vastaavan kolmion huippuun. Tämä näkyy pi irturiulostulossa tasomuutoksina. Vuohyp~yj a saattavat aiheuttaa myös mittalai t- teiden kytkintransientit, mikäli laitteet sijaitsevat liian 1a- hella SQUID-anturia. Normaalitilanteessa eivät vuohypyt juuri häiritse mittausten suoritusta. - SQUID-magnetometrin kohina on - 36 ft/ Hz (Kelha, 1980), mutta käytännössä MSH:n avonainen oviaukko määrää kohinatason. Päiväs- aikaan mitattaessa on matalataajuinen kohina (f< 10 Hz) n. 1 pt (p-p). Mittaussysteemiin kuuluvat MSH:n ja SQUIDin lisäksi näyterata tukineen ja näytteenpitimineen seka kalibrointi lai tteisto. Yittaaja on sijoitettu MSH:n ulkopuolelle häiriöiden pienentämiseksi. Varsinainen nayterata on 2.5 m pitkä akryylikouru, jota pit-- kin nayte viedään SQUID-sensorin alle. Näyte on sijoitettu naytekelkkaan, jota,liikutellaan hihnapyörälla. Rata lepää puusta valmistettujen tukien päällä. Tukien vakavuutta on lisätty n. 25 kg:n lyijypainoilla. Kuvassa 6 on esitetty kaaviokuva näytteenkuljetussysteemista ja kuvassa 7 sen sijoitus MSH:een. Sisiiseinii MSH Kuva 6. Naytteenkul j etussysteemi.

11 kulkee radan päästä päähän n. nelj alla pyöräytyksella, jo.- ten näytteen asennon vaihto on melko nopeaa. Kuva 7. Näytteenkuljetussysteemin sijoitus MSH:een.

12 Näyte mitataan 12 asennossa, joten magneettisenhmomenttivektorin kukin suorakulmainen komponentti tulee mitatuksi neljään kertaan. Asentojen mittausjärjestys valitaan sykli sella permutaatiolla, jolloin laitteen mahdolliset käynnit eivät kumuloidu mihinkään tiettyyn komponeneiin. Kustakin asennosta otetaan muutama lukema, joista tuloskäsittelyvaiheessa lasketaan keskiarvo. Kalibrointi tapahtuu pienellä kelalla, jolla synnytetään vertailu- momentti. Kelaan saadaan virta paristokayttöisesta virransyöttölaitteesta, jonka kytkentakaavio on esitetty kuvassa 8 (laitteiston suunnittelussa ja rakentamisessa avusti K.Sulkanen). Kalib. kela Kuva Virransyöttölaitteen kytkentakaavio & Laitteen virta-alue on pa ma. Kalibrointikelaan (N = 6 kierrosta) menevä virta saadaan jakamalla DVM:n jännitelukema valintakytkimen osoittamalla vastuksen arvolla. Kelan magneettinen momentti saadaan virrasta huomioimalla kelan dimensiot:

13 Kalibrointikerroin saadaan jakamalla kelan momentin arvo piirturiulostulossa saadun pulssin korkeudella. Pulssin korkeuden yksikkö on 1 cm piirturipaperilla. Kaikki tulokset redusoidaan piirturin 100 mv:n skaalalle, jonka herkkyydeksi G on valittu mv:n skaalan herkkyys on tallöin 5 ja 1 V:n skaalan vastaavasti 10 jne. Pulssin korkeudet mitataan siis aina senteissä ja piirturipaperille merkitään käytetyn skaalan herkkyys. Liit- teessä 3 on esimerkkitulostus käytännön mittauksista. Tulokset kootaan piirturipaperilta mittauslomakkeelle, josta ne syötetään HP-9825A pöytäkalkulaattorille. Ohjelma tulostaa kunkin 12 asennon lukemat taulukkomuodossa, josta naytteen epähomogeenisuutta voidaan helposti tarkastella. Ohjelmalla voidaan myös tehdä kulku- ja kaadekorjaus naytekoordinaatiston suuntiin. Liitteis- sa 1 ja 2 ovat mittauslomake ja tuloskäsittelyohjelman esimerkkitulostus. 5. Virhelahtei sta SQUID-sensori asetetaan radan yläpuolelle eri tyi sella kohdi stuskappaleella, joten naytteen asema sensoriin nähden pysyy alle 1 mm:n tarkkuudella samana jokaisella laitteiston pystytyksellä. Sensorin gradienttikelan alemman silmukan halkaisija on suhteellisen suuri ( " 25 mm), joten naytteen pienet sivusuuntaiset liikkeet eivät vaikuta merkittävästi mittaustulokseen. Magneettivuon riippuvuus naytteen etäisyydestä saadaan integroimalla silmukasta etäisyydellä h olevan aksiaalisen dipolin kentta yli silmukan pinnan. Vuo on tallöin muotoa jossa m = dipolimomentti (Am 2 1 h = dipolin (naytteen) etäisyys silmukasta (m) R = silmukan halkaisija ( m 1 6 = magneettivuo (wb 1 p o = 4-fi-10-7 henry/m

14 Taulukossa 1 on esitetty pystysuuntaisen liikkeen aiheuttama prosentuaalinen virhe eri mittausctäisyyksillä. Talukosta havaitaan, että normaalilla mittausetäisyydellä 1 mm:n siirtymä vertikaalisuunnassa aiheuttaa tulokseen 8.8 %:n virheen. Taulukko 1. ' 1F Vertikaalisiirtymän aiheuttama virhe mittaustulokseen eri mittausetäisyyksillä(h): h mm 195 poo n~.looi h - B %/mm I I 1 k Ic-normaal i mi ttauskorkeus I : 1 i ! : 3.9 / Ehkä merkittävin virhelähde on mitattavan naytteen epähomogeeni - suus. Mittausten lähtökohtana on oletus, että näytettä voidaan kuvata sen keskipisteessa sijaitsevalla dipolil.la. Tällöin näyte mitattuna vastakkaisissa asennoissa antaa saman, mutta vastakkajsmerkkisen signaalin. Jos naytteen magneettisuutta. kuvaava naennainen dipoli ei sijaitsekaan naytteen keskipisteessa, eli näyte on epähomogeeninen, saadaan siinä mittausasennossa, jossa naennainen dipoli on lähempänä sensori a suurempi signaali kuin

15 sen vasta-asennossa. Koska si gnaalin (vuon) käyttäytyminen etäi - syyden funktiona ei kaavan (23 mukaan ole lineaarinen, johtaa vastakkaista asentojen mittaustulosten arimeettinen keskiarvoista- minen mitattavan komponentin ylikorostumiseen. Kuva3sa 9 on esitetty graafisesti epähomogeenisuuden aiheuttama virhe. Näennäisen aksiaalisen dipolip ajatellaan sijaitsevan etäisyydellä Ah näyttee keskipisteesta. Kuvasta voidaan lukea virhe, joka syntyy mjt- taustulokseen mitattaessa nayte normaaliig tapaan etaisyydelta h. Kuvassa on lisäksi esitetty signaalin vaimeneminen kun vertailuetäi - syytenä on normaali mittausetäisyys ( 28.5 mm). Esityksestä havaitaan, että tapauksessa, jossa nayte sisältää vain yhden magnetoituneen partikkelin, joka sijaitsee naytteen ylä- tai alareunassa (Ah=12.5 mm), aiheutuu mittaustulokseen n. 100% ;n virhe. Mittaa- malla nayte n. 65 mm:n etaisyydelta on vastaava virhe n. 20 %, mutta ulostulosignaali on vaimentunut - 20 db. Mittausetäisyys on siis kompromissi vaadittavan herkkyyden ja vi rhealttiuden väli 1-1ä. Jos epähomogeenista näytettä ei pystytä sen heikon magneetti- suuden takia mittaamaan suuremmalta etaisyydelta, on nayte hylättävä. Virhe (-1.) Voimennus (db) I Normaali \ \ mittaetäisyys \ \ \ \ Mittausetäisyys (mm) Kuva 9. Epahomogeenisuuden aiheuttama virhe mittausetäisyyden funktiona. A h on näennäisen aksiaali sen dipolin etäisyys naytteen keskipisteesta. Katkoviiva kuvaa signaalin (vuon) vaimenemista mittaetäisyyden funktiona.

16 6. Mittaustulokset Mittalaitteen kohina on päiväsaikaan magneettisena momenttina n. I O - ~ emu (rms), mutta laskee illalla ja yöllä huomattavasti sen alle. Satunnaiset hairiölahteet, kuten MSH:n läheisyydessä käytettävät laitteet saattavat kuitenkin nostaa kohinatasoa huomattavasti. Naytteenpitimen aiheuttama momentti on luokkaa I O - ~ emu ja se aiheutuu pääasiassa näytekuution niwista tai sen kierteisi in tarttuneesta liasta Pienin mitattava momentti on luokkaa 5.1 o - emu. ~ Tämä vastaa likimain standardinäytteen intensiteettiä 5.10-~ emu/cm3 (e 50 pt). Projektin yhteydessä mitatti in eri materiaalien remanenttïa magnetoitumista. Taulukkoon2 on kerätty eri materiaalien mittaustulokset. Kuten taulukosta ilmenee ovat eri PVC-laadut ja bakeliitti varsin voimakkaasti magnetoituneita ja sen vuoksi niiden käyttöä tulisi välttää herkkien mittalaitteiden valmistuksessa. Sen sijaan kaikki valkoiset ja läpinäkyvät muovilaadut, kuten Nylon, Akryl, jne., ovat erittäin heikosti magnetoituneita. Voimakkaammin magneettisille muovilaaduille on yhtei stä voimakas väri, joten magneetti suuden kantajina saattavat olla muoveissa käytetyt väriaineet. Taulukko 2. Materiaalien mittaustulokset Materiaali Bakeliitti II* PVC (punainen) PVC (harmaa) Bakeliitti 1 Nylon blänty Koivu Akryyli Macro lon Alumiini * Standardinäyte BAKE

17 Puuaineksen magneetti suuteen näyttäisi vaikuttavan syiden koko. Karkeasyinen mänty antaa suuremman signaalin kuin hienosyinen koivu. Mitatuissa mäntynäytteissä esiintyi heikko magnetoituminen lähinnä syiden suunnassa. Sydänosan näytteet antoivat hieman suuremman signaalin kuin pintanäytteet. M5tatut vanerinäytteet eivät osoittaneet merkittävää magneettisuutta. Työssä tutkittiin kolmea liimatyyppiä, jotka olivat ARALDIT, CYANOLIT ja TENSOL. Mikään näistä ei ollut mittaustarkkuuden rajoissa magneettinen. Liimat olivat tasin saumoissa, joten mitattava liimamäärä oli melko vähäinen. SINITARRA-kiinitysaine osoittautui hieman magneetti seksi (J " emu/cm3), mutta sig-. naali saattoi myös aiheutua liimapintaan tarttuneesta liasta Standardinäytteet Kuvassa 10 on tyypillinen piirturiulostulon pulssikuvio, jossa näkyy sekä signaali, että kohina. 1 cm paperilla vastaa paleomagneettisen standardinäytteen intensiteettiä o - ~ emu/cm3. Tau-- lukkoon 3 on kerätty standardinäytteiden mittaustulokset, jotka on saatu kuudella eri systeemillä. Nämä ovat 1) GTL:n spinner SIMO 1 (kela) 2) Unkarilainen spinner EMO JGR-4 (kela) 3) Neuvosen (TY) spinner (fluxgate) 4) Di gico spinner (Toronto) (fluxgate) 5) GTL:n astaattinen magnetometrj

18 Kuva 10. Standardinäytteen LJ7-2a erään mittausasennon piir-- turituloksen pulssikursio. Mittaussysteemeista voidaan erottaa kaksi paaluokkaa, jotka kumpikin edelleen jakautuvat kahteen alaluokkaan. 1 Dynaamiset systeemit - kelasysteemi ; pyörivä nayte indusoi janni tteen kahteen astaattisesti kaamittyyn, sarjaankytkettyyn kelaan. - f luxgate ; pyörivän naytteen kent taa reki steröidaan kahdella fluxgate-elementilla. 2 Staattiset systeemit - astaattinen magnetometri ; mittalai tteen nayttama (= torsiolangan kiertyma) on verrannollinen naytteen magneettisen momentin, mittamagneetteja vastaan kohtisuorassa olevaan, horisontaalikomponentti in. - SQUID-systeemi ; nayttama on verrannollinen naytteen magneettisen momentin vertikaalikomponentista aiheutu~aan~signaalike-- lan lavistavaan magneetivuohon. Eri systeemien ominaisuuksia on tarkasteltu yksi tyi skohtai semmjn kirjallisuusviitteessa Goree & Fuller (1976). SQUID-systeemissa epahomogeenisuuden aiheuttama virhe lienee merkittävin, koska nayte on erittäin lähellä mi tta-anturi a. Tau-

19 lukosta 3 havaitaan, että naytteen RK-12 tapauksessa on SQUIDi llä mitattu inklinaatio n. 12' suurempi kuin EM0:lla saatu tulos. Todennäköisempänä syynä on naytteen Z-komponentin epahomogeenisuus. Tällöin kuvan 9 kayrän perusteella Z--komponentti korostuu aiheuttaen liian suuren inklinaation. SQUID-systeemin tulokset ovat yleisesti ottaen hyviä, eikä mitään systemaattista poikkeavuutta muiden systeemien tuloksiin voida havaita. Tässä projektissa luotu mittauslaitteisto on tällä hetkellä Suomen herkin. Sen kehittely on kuitenkin viela pahasti kesken. AF-demagnetointikokeita ei systeemillä viela ole tehty. Selvittämättä on myös asia, kuinka systeemi soveltuisi suskeptibiliteetin anisotropi an mittaukseen. Näytteen ympärille voidaan Helmholzkelaparilla aikaansaada homogeeninen magneettikenttä, jonka avulla naytteen suskeptibiliteetti voidaan mitata. Jos ulkoinen kenttä on n. 50 pt, on pienin mitattavissa oleva suskeptibiliteetti tällöin luokkaa (SI). Kylmälaboratorioon on myös piakkoin valmistumassa uusi 7-kanavainen SQUID. Tällä laitteella voitaisiin saada kuva naytteen aiheuttaman kentän geometriasta ja arvioida siten mittauksissa käytetyn keskejsdipolioletuksen mielekkyyttä epähomogeenisilla näytteillä. MSH tarjoaa myös hyvän laajakaistaisen suojan herkkien mittalai t- teiden testaukseen. Mittauskustannukset muodostuvat lähinnä heliumista, jonka päivittäinen kulutus on alle 1.5 litraa. Täten kustannukset ovat alle 50 mk/päivä. Saatujen hyvien tulosten seka edellä mainittujen, viela selvittämättä olevien mahdollisuuksien takia olisi mittaussysteemin kehittelyä ehdottomasti jatkettava.

20 Taulukko 3. Standardinäytteiden mittaustulokset

21 GOREE, W.S., FULLER, M., Magnetometers using RF-driven Squids and Their Applications in Rock Magnetism and Paleomagnetism. Rew. of Geophys. and Space Phys. 14 (1 976) 4 s KELHA, V., Construction and Performance of the Otaniemi Magnetically Shielded Room. Symposium for potential users of a magnetically shielded room. Technical Research Centre of Finland, Instrument Laboratory. Otani emi KELHA, V.O., PELTONEN, R., RANTALA, B., The Effect of Shaking on Magnetic Shields. IEEE trans. on Magnetics Mag-16 (1980) 4. S KITTEL, C., Introduction to Solid State Physics. Wiley & Sons. PURANEN, M., PESONEN, L., Magneettisissa mittauksissa kaytetyista suureista ja yksiköistä. GTL/Geofysiikan osasto, raportti Q 04/22/79/1. Otaniemi 1979.

22

23 SQUID -mittauslomake Päiväys 191(!-0Y-!o Näytteen tunnus UC.2-1 AF(0e) 0 Mittaaja AP v (cm3) 14.5 k (10-~SI) Kalibrointi : Kal ibrointikerroin io- Mittaus : Herkkyys (~2) CO Nollalukemat : Kulku 244 Kaade 3 Kommentteja:

24 n I I 1 m +JNUI 3. C AV* \ m-- n mmm = I I 1 I oooo - m wuw n UI & a < i.. N 0--a U

25 - m m a. a a C WCC - N w s n C m ~ w n 1 m n z V-J< C * T ' x u c x m., \'<. = l-< u- - \UI.?C I- \ GJ- 0 I n --.ij u I Y- x GJ n d U

26 n r,r,r,r,r,~x~x~xz-r r r r ----r.m os zc3o.a a m o. - c ~ m -r.m 0 r. m oa cnas m +****n-n-n-\ s ~ m r r o i n m n s i n o i n a ~ - a ~ - a ~ m \ m+s m, L L D D D W N - W N - C C C C C C C C C C e 7 : C L-TI x WC- 7v Ca ~r c r x IT:c++ ~ ~ ~ Y U Y U Y U ~ 7 c u c u n r r C* CY W N - > > > 1 1 I nn----n--\= = IL 1 * 5 L L 1 = W = = = = m. VIt DD>UUUNNNNII \OOOO" '. A- -r L O II OC+ =" II >iru - X L-or t W i i.. i --x-..c n-x Y. = -in m -7 E.. 0 N X A A A A U A r N-N-x x- XC.X c.- o -I i. m -J L. o. *-. ci u.- -l 3 m uc: rr D e a r 3 m 3 - Y D 1 I N-XXUAOI+ + + C I I I I - - -V 3 YO.. C O C F W C V W x nrrnrri,x,.. >>nnnuuuxix r. I Z U 0 C n z >mm--- > >,nnn -dm*- = =. " d m rr - 3. r - y -,.' L Y PN-UUUNNNNV~ OOUUU- -w 0s L N c). mm 00 m m u suu U. +++UUU - - U- LqUA- u C a- C 0 C Ixx 1 1 l - x z c x x x X m C a o a,>nl nnnxxx n. -. C d c d \\ \ uwmrrnn r r w ~ ~ -: - CI o OW I - rr v 0 a AA uuu--- -uuumm-x7 0 0 d > r r N * 0 w-- :m UI 0 r: = II E. 0 \" NNNUUU UIZx--- W F-,F ul +++YYY. n. d C '5 C ezz xxx>>> ~VUW-~UAU. ci nrrnrrnn r r U U U X X X 3 in 3 n 0 lyy Y rr OiW C, rr - d - W N - d.. r a NJdX - d C U w N-ouuu N 3- =in II.J Y II n;;e U U U U mm y r fiuu > >....* r -0 u u NNN. Ci Z. c. YYY..\ CI Y r c. B B B -.JV-. c ab c). ill n n n X x Z r U C Y *VIA -. ~ m.*. J uuu r mm Ui -. 0 C u. 0 a Ui - 0 c. 1 m < m c. r

27 - ä- m - EL \ -4 n :c x - - m x -- r 3 WVI Ui : W \ x - 0 :. u - N a n NL \ CI. 3 DI C w d 3 u X U1 d

28

29

30 LIITE 4 Magneettisista - yksiköistä Magneettinen momentti (m) Magnetoitumisen intensiteetti (M) Magneettikenttä (magnetoivakenttä) (H) 1 emu/cm 3 =IO--~ Am emu/cm3 = 10 A/m tai 1 emu/cm3 = ~TT-IO-~ T 1 oe = 103/4n A/m Magneettivuon tiheys (B) 1 GS = T (kts. raportti Q04/22/79/1 ; Puranen & Pesonen, 1979). Käytännössä paleomagneettisissa laboratorioissa käytetään nykyi- sin seuraavia merkintöjä: -6 3 Magnetoitumisen intensiteetti (M) : esim emu/cm - 1m~m-' Demagnetoiva kenttä (H): esim. 200 oe 2 20 mt Maan magneettikenttä (H): esim. 05. Gs " nt Koska M: lle on voimassa myös (varsinkin fyysikoiden suosima) 1 1 o - ~ ern~/cm-~ = 47~.IO-' T = nt ovat seuraaavat transformaatiot 10 likimain palkkaansapitaviä: MSI1:n mu-metallin ominai suuksia Merkki : Mumetall Hc : 12 ma/cm, vacuumscmelze GmbH mitattu Ur: uloin kuori (Kelha,1980) keskimmäinen kuori sisin kuori