استمع إلى البروتونات باستخدام مقياس مغناطيسي محلي الصنع

عندما تحصل على فحص التصوير بالرنين المغناطيسي، يستغل الجهاز ظاهرة تسمى الرنين المغناطيسي النووي (NMR). أنواع معينة من النوى الذرية – بما في ذلك ذرات الهيدروجين الموجودة في جزيء الماء – جيجب أن تتأرجح في المجال المغناطيسي، وهذه التذبذبات يمكن اكتشافها باستخدام لفائف الأسلاك. تستخدم ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي مجالات مغناطيسية مكثفة تُحدث رنينًا عند عشرات إلى مئات ميغاهيرتز. ومع ذلك، هناك أداة أخرى تعتمد على الرنين المغناطيسي النووي تتضمن تذبذبات ذات تردد أقل بكثير: أ مقياس المغناطيسية البروتونيغالبا ما يستخدم لقياس المجال المغناطيسي للأرض.

كانت مقاييس المغناطيسية البروتونية موجودة منذ عقود، وكانت تستخدم في كثير من الأحيان في علم الآثار واستكشاف المعادن. النماذج الراقية يمكن أن تكلف آلاف الدولارات. ثم، في عام 2022، ابتكر مهندس ألماني يُدعى ألكسندر موم دائرة كهربائية بسيطة جدًا لدائرة مجردة. لقد قمت مؤخرًا ببناء دائرته ويمكنني أن أشهد على ذلك باستخدام أقل من نصف كيلوغرام من سلك مغناطيسي عيار 22؛ دائرتين متكاملتين مشتركتين؛ ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات وأكسيد المعدن، أو MOSFET؛ حفنة من المكونات المنفصلة. وزجاجتين فارغتين سعة 113 جرامًا من مزيج توابل مورتون، من الممكن قياس المجال المغناطيسي للأرض بدقة شديدة.

يقع تردد الإشارة المنبعثة من البروتونات التي تتحرك في المجال المغناطيسي للأرض في النطاق الصوتي، لذلك مع زوج من سماعات الرأس ودائرتين متكاملتين لمضخم الصوت [middle right]يمكنك اكتشاف إشارة من الماء في زجاجات التوابل المغلفة في ملفات [bottom left and right]. موسفيت [middle left] يسمح بالتحكم السريع في الملفات. يتم تشغيل دائرة التضخيم بواسطة بطارية 9 فولت، بينما تقوم بطارية 36 فولت بشحن الملفات.جيمس بروفوست

مثل ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي، يقيس مقياس مغناطيسية البروتونات تذبذبات نوى الهيدروجين، أي البروتونات. مثل الجسيمات دون الذرية الأخرى، تمتلك البروتونات خاصية كمية تسمى الدوران، وهي أقرب إلى الزخم الزاوي الكلاسيكي. في المجال المغناطيسي، تتمايل البروتونات مثل القمم الدوارة، حيث ترسم محاور دورانها شكل مخروطي – وهي ظاهرة تسمى الحركة المسبقة. مقياس المغناطيسية البروتوني يجعل العديد من البروتونات تتمايل بشكل متزامن ثم يقيس تردد تذبذباتها، والذي يتناسب مع شدة المجال المغناطيسي المحيط.

إن القوة الضعيفة للمجال المغناطيسي للأرض (على الأقل مقارنة بقوة جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي) تعني أن البروتونات تتأرجح تحت تأثيره تفعل ذلك عند الترددات الصوتية. احصل على ما يكفي من الحركة في انسجام تام وستقوم البروتونات الدوارة بإحداث جهد في ملف الالتقاط القريب. قم بتضخيم ذلك وتمريره عبر بعض سماعات الأذن، وستحصل على نغمة صوتية. لذلك باستخدام دائرة مناسبة، يمكنك سماع البروتونات حرفيًا.

الخطوة الأولى هي صنع ملفات الالتقاط، حيث تأتي زجاجات مزيج توابل مورتون. لماذا مزيج توابل مورتون؟ سببين. أولاً، ستسمح لك هذه الزجاجة ذات الحجم الكبير بلف حوالي 500 لفة من الأسلاك حول كل واحدة بحوالي 450 جرامًا من الأسلاك مقاس 22. ثانيًا، تحتوي الزجاجة على أكتاف صغيرة مصبوبة عند كل طرف، مما يجعلها أشكالًا ملفوفة ممتازة.

لماذا زجاجتين ولفائفين؟ وذلك لقمع الضوضاء الكهرومغناطيسية – القادمة بشكل أساسي من خطوط الكهرباء – والتي تلتقطها الملفات دائمًا. عندما يتم توصيل ملفين متقابلين على التوالي، فإن هذا الضجيج الخارجي يميل إلى الإلغاء. ومع ذلك، فإن الإشارات الصادرة عن البروتونات المتقدّمة في الملفين ستعزز بعضها البعض.

لا تحاول ذلك داخل المنزل أو في أي مكان بالقرب من الأشياء التي تحتوي على الحديد.

يحتوي مقياس مغناطيسية البروتون على ثلاثة أوضاع. الأول هو إرسال تيار مستمر عبر الملفات. يقوم الوضع الثاني بفصل المصدر الحالي ويسمح للمجال المغناطيسي الذي أنشأه بالانهيار. والثالث هو وضع الاستماع، الذي يربط الملفات بمضخم صوت حساس. عن طريق ملء كل زجاجة بالماء المقطر وإرسال تيار مستمر (بضعة أمبيرات) عبر هذه الملفات، فإنك تقوم بمحاذاة دوران العديد من البروتونات في الماء. بعد ذلك، بعد وضع دائرتك في وضع الاستماع، يمكنك استخدام الملفات لاستشعار التذبذبات المتزامنة للبروتونات المتذبذبة.

تنتقل دائرة Mumm من وضع إلى آخر بأبسط طريقة ممكنة: باستخدام مفتاح ثلاثي المواضع. موضع واحد يتيح وضع الاستقطاب DC. الموضع التالي يسمح للمجال المغناطيسي المتراكم أثناء الاستقطاب بالانهيار، والموضع الثالث مخصص للاستماع.

تجنب الشرر المضر

قد يبدو الوضع الثاني سهل التنفيذ، فقط قم بفصل الملفات، أليس كذلك؟ ولكن إذا قمت بذلك، فإن نفس المبدأ الذي يجعل شمعات الإشعال تشعل شرارة سيضع جهدًا عاليًا ضارًا عبر نقاط اتصال المفتاح حيث تنهار المجالات المغناطيسية حول الملفات.

مقياس المغناطيسية البروتوني هو في المقام الأول مجرد مضخم تناظري متعدد المراحل.جيمس بروفوست

لتجنب ذلك، تستخدم دائرة Mumm MOSFET، السلكية للعمل مثل صمام ثنائي زينر عالي الطاقة، المستخدم في العديد من دوائر تنظيم الطاقة للسماح فقط بتدفق التيار الذي يتجاوز عتبة الجهد المحددة. وهذا يحد من الجهد الذي يتطور عبر الملفات عندما ينقطع التيار بما يكفي بحيث يمكن لمقياس المغناطيسية أن يتحول من وضع الاستقطاب إلى وضع الاستماع بسرعة ولكن دون التسبب في أي ضرر.

لالتقاط إشارة قوية، يجب أيضًا ضبط دائرة الاستماع لتتردد صدى عند التردد المتوقع لمبادرة البروتون، والذي سيعتمد على المجال المغناطيسي للأرض في موقعك. يمكنك معرفة ما يحدث تقريبًا باستخدام حاسبة المجال المغناطيسي الأرضي المتوفرة على الإنترنت. ستحصل على قوة المجال، ثم ستضربها في النسبة المغناطيسية الجيروسكوبية للبروتونات (42.577 ميجا هرتز لكل تسلا). بالنسبة لي، كان ذلك يصل إلى حوالي 2 كيلو هرتز. وبتقدير محاثة الملفات من خلال قطرها وعدد اللفات، قمت بعد ذلك باختيار مكثف ذو قيمة مناسبة لتوصيله بالتوازي مع الملفات لإنشاء دائرة خزان يتردد صداها عند هذا التردد.

يمكنك ضبط دائرة الخزان باستخدام مولد التردد والذبذبات. أو، كما تقترح Mumm، قم بإرفاق قطعة صغيرة مكبر الصوت لإخراج الدائرة. ثم أحضر مكبر الصوت بالقرب من ملفات الالتقاط. سيؤدي هذا إلى إنشاء ردود فعل مغناطيسية و سوف تتأرجح الدائرة من تلقاء نفسها —بصوت عال! تحتاج فقط إلى قياس تردد هذه النغمة، ومن ثم ضبط مكثف الخزان لجلب نظام التشغيل الذاتي هذاcillation إلى التردد الذي تريده لحن ل.

لقد لاقت محاولتي الأولى للاستماع إلى البروتونات نجاحًا متباينًا: أحيانًا كنت أسمع نغمات، وأحيانًا لا. ما ساعد على جعل هذه الأداة تعمل باستمرار هو إدراك أن مقاييس مغناطيسية البروتون لا تتحمل التدرجات الكبيرة في المجال المغناطيسي. لذلك لا تحاول القيام بذلك داخل المنزل أو في أي مكان بالقرب من الأشياء التي تحتوي على الحديد: أنابيب المياه أو السيارات أو حتى الأرض. من الأفضل وجود مساحة مفتوحة واسعة بالخارج، مع رفع الملفات عن الأرض. الشيء الثاني الذي ساعد هو تطبيق المزيد من الجاذبية في وضع الاستقطاب. في حين أن بطارية 12 فولت تعمل بشكل جيد، فإن بطارية 36 فولت تعمل بشكل أفضل بكثير.

بعد اكتشاف هذه الأشياء، أستطيع الآن سماع البروتونات بسهولة. من الواضح أن هذه النغمات هي أصوات البروتونات، لأنها تختفي إذا قمت بتصريف الماء في الزجاجات. وباستخدام برنامج مجاني لتحليل الصوت يسمى Spectrum Lab، تأكدت من أن تردد هذه النغمات يتوافق مع المجال المغناطيسي في موقعي بنسبة 1 بالمائة تقريبًا. على الرغم من أنها ليست أداة ميدانية عملية، إلا أن مقياس مغناطيسية البروتونات المسبقة من أي نوع بأقل من 100 دولار أمريكي ليس شيئًا يستحق الاستهزاء به.