Период становления Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (ИЗМИРАН) в середине 50-х гг. прошлого столетия совпал с периодом обновления технических средств и методов исследования геомагнитного поля (ГМП) во всем мире. В ИЗМИРАН этот процесс был представлен следующими направлениями.

• Совершенствованием классических методов абсолютных измерений ГМП.
• Совершенствованием вариационных приборов для магнитных обсерваторий (МО) в направлении увеличения их стабильности.
• Создание автономных станций для труднодоступных регионов с дистанционной визуализацией показаний.
• Созданием средств измерения модуля и компонент поля с подвижных платформ: корабль, самолет, ракета, спутник.
• Созданием метрологических средств поверки и определения параметров магнитометрических приборов.

Создание магнитометров для измерения величины и направления поля в движении составило одну из основных работ института, в связи с задачами оснащения немагнитной шхуны “Заря” и создании приборов для измерения ГМП с ИСЗ и в дальнем космическом пространстве вблизи Луны, Венеры и Марса.

После окончания войны стали известны магнитометры, действие которых основано на разных эффектах, сопровождающих намагничивание ферромагнитного сердечника из материала с высокой магнитной проницаемостью одновременно переменным и постоянным магнитными полями. Они нашли применение в работах по размагничиванию кораблей и при поиске подводных лодок с самолетов. В ИЗМИРАН работа по созданию феррозондовых магнитометров (ФМ) была начата Ш.Ш.Долгиновым с исследования физики работы феррозондовых датчиков. Детальные исследования процессов в высокопроницаемом сердечнике, при одновременном его намагничивании переменным и постоянным полем, привели к заключению, что высокая стабильность при высокой чувствительности могут быть достигнуты при использовании датчиков типа второй гармоники. Приборы для измерения компонент магнитного поля с датчиками такого типа для немагнитной шхуны "Заря" были изготовлены в магнитной лаборатории института уже в 1956 г.

Описанный впервые Паккардом и Варианом абсолютный метод измерения ГМП основан на измерении частоты свободной прецессии суммарного магнитного момента ансамбля протонов в ГМП. Перcпективносгь этого метода для геомагнитных исследований была очевидна, и им начали заниматься в институте и в ряде других организаций страны. Первый опытный образец протонного магнитометра (ПМ) под названием МПМ-1 был создан в ИЗМИРАН для установки на третьем ИСЗ, магнитометр МПМ-2 гетеродинного типа был установлен на шхуне "Заря". Для оснащения МО Советского Союза был разработан с участием ИЗМИРАН и изготовлен на заводе "Физприбор" в 40 экземплярах протонный магнитометр ПМ-1. На основе достижений современной полупроводниковой техники сотрудникам института удалось создать конструкцию малогабаритного протонного магнитометра ПМ-5, который был выпущен малой серией в 21 экземпляр в 1960-1961 гг.

Достижение высокой чувствительности КМ открыло возможность создания А.Н.Козловым градиентометра с малой базой (порядка 5—6 см) для проведения измерений в несколько необычной области науки — биомагнетизме. Прибор был запатентован в ряде зарубежных стран. В 80-х гг. в институте совместно с биологами и медиками велись работы по измерению магнитных полей человека с использованием такого градиентометра на датчиках с оптической накачкой.

ГМП характеризуется величиной и направлением, модуль которого, измеряемый при помощи абсолютных приборов с высокой точностью, является не потенциальной функцией. Аналитические модели ГМП, построенные только по данным измерений модуля поля, плохо представляют ГМП, особенно в низких широтах. ФМ позволяют непосредственно измерять компоненты поля, если известна ориентация космического аппарата (КА) на малых высотах, при этом точность знания ориентации КА должна быть 10…20 угловых секунд для измерения компонент поля с точностью порядка 5…10 нТл. Для измерения поля с ИСЗ с точностью ориентации около 1 углового градуса был создан в 1982 г. трехкомпонентный магнитометр АМИ. В 1985-1987 гг. был разработан высокоточный трехкомпонентный феррозондовый магнитометр ФМ-2 с цифровой индикацией результатов измерений. Датчики магнитометра и весь блок электроники выполнены с применением новейших материалов и техники.

Дальнейшее совершенствование ФМ, ПМ и КМ потребовало создания измерительных средств высокой точности, аттестованных органами Госстандарта. Эта проблема была успешно решена в ИЗМИРАН совместно с СКБ ФП АН в 1982 г., когда были успешно завершены работы по созданию на территории института меры магнитной индукции (ММИ). Вся система создаваемых в ММИ и компенсируемых магнитных полей контролировалась при помощи КМ, а сверка и аттестация приборов проводилась при помощи эталонного ПМ типа МЯПП-1.

Рис. Средства измерения и изучения электромагнитных полей создаваемые в ИЗМИРАН.

В связи с обсуждаемыми научными проектами (Международный геофизический год, Международный гелиофизический год, Международный полярный год и Электронный геофизический год) перед ИЗМИРАН стоит проблема реорганизации системы собственных геомагнитных обсерваторий и обсерваторий России. Устаревшее оборудование, графическая аналоговая запись, отсутствие телеметрии делают невозможным сравнение результатов измерений, включение российских МО в мировую сеть и лишают научную общественность практической возможности научного анализа геомагнитных данных во всем российском долготном секторе. В плане подготовки и реализации указанных проектов ИЗМИРАН предпринимает определенные усилия прежде всего по модернизации сети российских МО.

Объединение усилий специалистов в создании магнитометрической аппаратуры нового поколения, новых способов и методов ее аттестации и поверки, создании оригинального программного продукта, в решении проблемы модернизации сети МО на территории РФ и организации единой системы сбора и обработки данных, совместимой с аналогичными системами мировой сети обсерваторий, позволит наилучшим образом помочь решению фундаментальных и прикладных задач в области земного магнетизма, солнечно-земной физики, а также для мониторинга в рамках программы "Космическая погода" и других прикладных задач. Вновь создаваемая в институте научная аппаратура является реальной реализацией его инновационной деятельности, выполненной на уровне мировых стандартов для обеспечения работ по различным международным проектам и демонстрации на специализированных выставках.

На базе вновь разрабатываемой магнитометрической аппаратуры различного типа для МО реализуется новая концепция построения аппаратуры такого класса, выраженная в “интеллектуализации” датчиков приборов, в максимальном приближении средств контроля и обработки получаемой информации к собственно измерительно-преобразовательной части приборов, улучшению эргономики и дизайна. Такой подход позволит реализовать идеи максимальной автоматизации измерений в МО и созданию автономных саморегулирующихся приборов, позволяющих максимально упростить труд оператора и значительно уменьшить количество обслуживающего персонала и использования необходимых для проведения исследований обсерваторских и специальных помещений.

В результате работ под руководством Ю.А.Бурцева и Б.А.Белова выпущена малая серия цифровых МВС (ЦМВС) в количестве около 40 приборов под названием “Кварц-3ЕМ”, которые нашли широкое применение как в России, так и за рубежом (см. фото). Так, например, зона полярных сияний целиком перекрыта этими станциями от мыса Уэлен на крайнем востоке до обсерватории “Соданкюля” в Финляндии. В Антарктиде успешно работают 7 станций, из них две на китайских обсерваториях “Зон Шан” и “Грейт Вол”, две станции на обсерватории “Мирный”, одна – на обсерватории “Новолазаревская” и две станции на обсерватории “Восток”. Причем на обсерватории “Восток” эти ЦМВС используются совместно с американскими коллегами из Мичиганского университета в рамках совместного проекта “Исследование высокоширотных геомагнитных явлений”. Участниками этого проекта от России являются Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ) и ИЗМИРАН. Обсерватория “Восток” в реальном времени передает информацию в Мировой центр данных (МЦД) США.

Приборы “Кварц-3Е” прошли презентацию и метрологическую проверку в Венгрии (1990 г.), в КНР и Финляндии (1991 г.) и презентацию во Франции (1992 г.). В настоящее время Центральная МО “Пекин” включена в международную программу ИНТЕРМАГНЕТ, МО “Иркутск” оснащенная таким же прибором “Кварц-3Е” также является участником проекта ИНТЕРМАГНЕТ. Все вариометры ЦМВС серии “Кварц-3Е”, изготовленные в ИЗМИРАН для конкретных МО, обладают очень важным достоинством - малой зависимостью результатов измерений от наклонов постаментов. Погрешность измерения от наклонов МЧЭ таких вариометров по крайней мере на два порядка меньше чем, например, у датчиков ФМ.

В настоящее время в институте под руководством В.В.Любимова ведутся работы по созданию ЦМВС нового поколения на базе уже созданной, апробированной и хорошо зарекомендовавшей себя в работе ЦМВС серии “Кварц-3”. Новый вариант ЦМВС под названием “Кварц-4” предназначен для непрерывного измерения и регистрации в цифровом виде длиннопериодных вариаций составляющих вектора магнитной индукции поля Земли на сети российских МО, а также в условиях необслуживаемых или редко обслуживаемых пунктов наблюдений. ЦМВС “Кварц-4” измеряет и накапливает в твердотельную память в цифровом виде значения вариаций трех составляющих вектора магнитной индукции (ВМИ) поля Земли и значения температуры кварцевых магнитных измерительных преобразователей в реальном времени. Отличительной особенностью ЦМВС “Кварц-4” является то, что она является высокостабильным, интеллектуальным и компьютеризованным прибором нового поколения с широкими возможностями программной установки и изменения различных параметров схемы, возможностью цифровой обработки и фильтрации данных в процессе проведения измерений, возможностью интеграции в международную систему сбора данных ИНТЕРМАГНЕТ.

С появлением результатов, свидетельствующих о влиянии ЭМП на здоровье человека, не утихает полемика о достоверности их получения. Основным поводом для таких сомнений является отсутствие при проведении экспериментов как общего подхода в применении экспозиционных доз воздействия ЭМП, так и необходимых средств измерений и контроля ЭМП.

С появлением в начале 90-х гг. современных инструментов, позволяющих с высокой точностью контролировать процесс создания и параметры ЭМП при медико-биологических исследованиях и электромагнитном мониторинге (ЭММ) окружающей среды в помещениях, появилась реальная возможность систематизации проводимых работ, решения вопросов электромагнитной совместимости результатов исследований, их воспроизводимости и нормирования действия ЭМП на человека.

На протяжении последних лет в ИЗМИРАН в этом направлении постоянно ведутся работы по созданию уникальных научных приборов, которые наряду с заданными специальными техническими параметрами должны обладать такими необходимыми характеристиками, как: удобством применения в полевых и лабораторных условиях, надежностью, простотой в обращении и низкой стоимостью. Активным толчком к разработке анализаторов спектра ЭМП послужили не только бурное развитие и внедрение компьютерной и офисной техники на рабочих местах, но и проводимые в институте научные исследования о влиянии естественных магнитных полей (МП) на организм человека.

Разработаны и изготовлены приборы, позволяющие проводить одновременные измерения постоянной составляющей МП и ее переменной части. Основной упор был сделан на создание приборов, позволяющих проводить измерения с высокой точностью (и с помощью только одного датчика МП) как вариаций естественного переменного МП до частот порядка 20…100 Гц, так и ЭМП искусственного происхождения, осуществлять их спектральный анализ, получать результаты этого анализа в реальном времени. Было создано три типа различных компонентных приборов, предназначенных для работы в полевых и лабораторных условиях.

Использование РМА позволило в клинике на основе персонального компьютера создать собственный банк данных по мониторингу окружающей среды и регистрируемым магнитным бурям в условиях города, который постоянно пополняется новыми данными.

Еще в 1990 г. в ИЗМИРАН начались первые попытки по созданию инструментария, способного проводить работы по исследованию МП в локальных помещениях. Был создан целый ряд различных ДМ для визуализации МБ и анализаторов возмущенности МП, которые прошли апробацию в различных научных экспедициях и исследовательских центрах. Один из созданных нами приборов МАГИК МФ-03-М вошел в “Перечень средств измерений…”, рекомендуемых в “Приложении Г” к ГОСТ Р 51724-2001 как один из инструментов для контроля ГГМП. Сотрудниками института постоянно ведутся инициативные работы по созданию на основе современной микропроцессорной техники интеллектуальных магнитометров (ИМ) для оценки гипер- и гипомагнитных полей. Для магнитных исследований в помещениях любого типа и размера созданы современные ИМ на основе малогабаритных датчиков, которые позволяют проводить сертификацию помещений, их картирование, определение вредных источников излучений. При помощи ИМ появилась хорошая возможность продолжить работы по разработке новых, более точных критериев оценки ГГМП в помещениях. Использование таких приборов, позволяет проводить электромагнитный мониторинг производственных и жилых помещений их сертификацию, картирование, осуществлять контроль уровня электромагнитной обстановки в электронной промышленности, на рабочих местах, на транспорте, в локальных и гипомагнитных помещениях и для общеобразовательных целей.

Для контроля воздействия ГГМП в ИЗМИРАН создан новый интеллектуальный магнитометр – “ГИПОМАГ”, который является аппаратурной реализацией контролера параметров, регламентированных в ГОСТ Р 51724-2001. Прибор является 3-х компонентным векторным магнитометром, выполненным на базе датчика Холла и предназначенным для исследования ГГМП в помещениях любого типа и размера. Он выполнен в виде компактного переносного прибора размером 140 х 70 х 30 мм, вес которого с источником питания (батарея типа 6R22) не превышает 250 г.

С марта 1998 г. в ИЗМИРАН под руководством М.В.Рагульской и В.Н.Обридко ведется эксперимент по определению влияния магнитных бурь (МБ) на человеческий организм. Для детектирования изменений в функционировании органов и систем организма проводится ежедневное измерение электрической проводимости на участке точка акупунктуры - свободная поверхность кожи (по методу Р.Фолля). Известно, что определенным значениям электропроводности соответствует определенное состояние органа или системы, к которой относится данная акупунктурная точка. Метод Р.Фолля объективно, однозначно и воспроизводимо характеризует состояние организма на данный момент времени, позволяя описывать функционирование различных органов в одних единицах (электропроводность).

В процессе измерений выяснилось, что во временной окрестности ±2 дня от начала магнитной бури достоверно наблюдается резкий всплеск (в течение часов) значений электропроводности с последующим длительным (до 3-х дней) спадом. Две эти фазы названы фазами гиперфункции и депрессии. Подобная реакция фиксировалась на 90% магнитных бурь у 80% обследуемых.

В рамках программы ИЗМИРАН по исследованию воздействия естественных и техногенных ЭМП на функциональные состояния человека в 1998…2004 гг. сотрудниками института проводились обследования ряда рабочих, бытовых и жилых помещений на предмет превышения в них предельно допустимых норм техногенного электромагнитного загрязнения. Для проведения исследований группой сотрудников под руководством В.В.Любимова были разработаны и изготовлены несколько типов различных уникальных и специальных приборов, позволивших проводить изучение и анализ электромагнитной обстановки в помещениях различных типов и размеров. В состав серии приборов вошли: ДМ, ИМБ, анализаторы спектра ЭМП, анализаторы ГГМП, электрометры, EAV-приборы.

Последние достижения в области интегральной и микропроцессорной техники позволили перейти к созданию нового поколения научно-исследовательской аппаратуры, отличающейся не только улучшенными техническими характеристиками, но и позволяющей получать качественно новую информацию о процессах, происходящих в Земной коре, в воздушной и водной окружающих средах. Новое поколение микропроцессорной измерительно-вычислительной техники существенно расширило функции приборов и заметно улучшило их технические характеристики.

Возможность при помощи микропроцессора осуществлять анализ получаемой информации в темпе эксперимента позволило перейти от фиксированного дискретного режима измерения к адаптивному, что позволило не только повысить качество получаемой информации, но и более рациональное использование объема памяти в автономных приборах.

Способность самоконтроля микропроцессорных измерительных систем является незаменимым качеством, например, для автономных станций и приборов. Новая элементная база обеспечивает более высокую точность преобразования первичных данных, а высокое быстродействие схем и применение программно-импульсных режимов питания позволяют на несколько порядков снизить энергопотребление, уменьшить емкость и габариты источников питания в автономных приборах. Миниатюрные размеры и высокая степень интеграции элементной базы существенно уменьшают размеры измерительных систем. Наличие твердотельной памяти высокой степени интеграции позволило не только повысить надежность автономных приборов, но и существенно уменьшить их габариты и энергопотребление. Снижение размеров измерительных схем, накопителя информации и источников питания в совокупности позволяет уменьшить общие габариты приборов и их стоимость.

Другим важным достоинством применения микропроцессорных систем является возможность унификации измерительных схем приборов, возможность подключения первичных преобразователей с выходными сигналами в виде напряжения, тока, частоты и периода, которая сводится, главным образом, к изменению программы, записываемой в ПЗУ микропроцессора, и подбора емкости твердотельного накопителя. Программа может также содержать индивидуальную коррекцию характеристик первичных преобразователей, учитывать их температурный и временной дрейф, нелинейность преобразования и т.д. При этом микропроцессор может фиксировать выходные сигналы и формировать их в виде, рассчитанном на непосредственный ввод в персональный компьютер (ПК) или для передачи по линиям связи.

При наличии в приборах встроенного микропроцессора появляется возможность осуществления легко доступной связи между ними, обеспечения двустороннего обмена информацией, программного автоматического изменения самой программы и режима измерений, формирования различных кодовых посылок, повышающих помехоустойчивость и быстродействие канала связи. Все это наделяет созданный прибор как бы интеллектом, то есть способностью без помощи оператора (извне) осуществлять автоматический контроль и проведение измерений.

Первая модель носимого феррозондового градиентометра “ГРАДИМАГ” была разработана в 2002 г. Прибор получился достаточно компактным и состоит из двух соединяющихся между собой блоков и позволяет проводить исследования аномалий МП как в движении, так и в статике. Прибор был представлен в 2003 г. в выставочном центре РАН, в качестве новых достижений института. В настоящее время создается новый вариант прибора на основе феррозондовых датчиков нового типа, созданных на основе одно- и двухкомпонентных измерительных преобразователей поле-частота, и позволяющий увеличить измерительную базу. Создается новое оригинальное программное обеспечение, позволяющее максимально упростить и автоматизировать процесс измерения, процесс вычисления расстояния до исследуемого объекта и визуализацию получаемых результатов. По сравнению с зарубежными аналогами создаваемый прибор более компактен, прост в использовании и примерно в два-три раза дешевле по стоимости.

Морской буксируемый магниометр-градиентометр “MPMG-02” предназначен для проведения научно-исследовательских работ и решения прикладных задач в условиях морской магнитной съемки. Прибор создается как инструмент для оборудования научно-исследовательских судов РАН, для проведения работ в различных частях Мирового океана. Прибор выполнен на основе протонных датчиков МП и включает в себя две основные части: забортную и бортовую (см. фото), соединенные между собой при помощи немагнитного кабеля-буксира. Забортная часть прибора расположена в двух буксируемых за кораблем немагнитных гондолах. Отличительной особенностью прибора является его полная

компьютеризация, прибор является ИМ, то есть максимально автоматизирован процесс измерений и контроль получаемых данных, их передача по каналу связи в бортовую часть прибора. Прибор позволяет использовать любое протоносодержащее рабочее вещество, программно управлять процессом измерений и установкой всех необходимых параметров в процессе проведения измерений. В настоящее время аналогов в отечественном и зарубежном приборостроении такому прибору нет.

Как было оказано выше, прибор “MPMG-02” предназначен для оснащения научно-исследовательских судов. На базе этой разработки возможно создание “более легкой” модели прибора для производства магнитной съемки с борта катеров, яхт и лодок при проведении магнитных исследований на акваториях рек и озер.

Наибольшее и широкое использование уже нашли и найдут приборы типа МФ-03-РМ, которые могут использоваться в различных сферах научной и прикладной деятельности, являясь достаточно универсальным инструментом, - от общеобразовательных учреждений до ВПК, от научно-исследовательских фундаментальных работ до медико-биологических и экологических исследований, связанных со здоровьем людей, от проведения коммерческих исследований, связанных с электромагнитным мониторингом окружающей среды до проведения поисковых работ в движении и т.д.

Научно-производственная лаборатория геомагнитных приборов и измерений ИЗМИРАН это единственная организация в России и за рубежом, обладающая в настоящее время уникальным оборудованием, технологией и высоко квалифицированными специалистами, необходимыми для разработки и производства кварцевых магнитовариационных станций и других магнитометрических приборов на высоком мировом уровне.

Подготовил: В.В.Любимов