自家製磁力計で陽子の音を聞く

MRI スキャンを行うとき、この機械は核磁気共鳴 (NMR) と呼ばれる現象を利用します。特定の種類の原子核（水分子の水素原子の原子核を含む）c振動させられる 磁場の中でのこれらの振動 ワイヤーのコイルで検出可能。 MRI スキャナーは、共鳴を引き起こす強力な磁場を使用します。 数十から数百メガヘルツ。ただし、別の NMR ベースの機器では、はるかに低い周波数の振動が発生します。 陽子歳差磁力計、地球の磁場の測定によく使用されます。

陽子歳差運動磁力計は何十年も前から存在しており、かつては考古学や鉱物探査でよく使用されていました。ハイエンドモデルでは数千ドルの価格がかかる場合があります。そして 2022 年に、アレクサンダー マムという名前のドイツ人エンジニアが、無駄を省いた非常にシンプルな回路を考案しました。私は最近彼の回路を構築しましたが、0.5 キログラム未満の 22 ゲージのマグネット ワイヤでそれを証明できます。 2 つの一般的な集積回路。金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、つまり MOSFET。いくつかの個別コンポーネント。モートン調味料ブレンドの空の 113 グラムボトル 2 本を使用すると、地球の磁場を非常に正確に測定することができます。

地球の磁場内で歳差運動する陽子によって発せられる信号の周波数は可聴範囲内にあるため、一対のヘッドフォンと 2 つのアンプ集積回路を使用すると、 [middle right]コイルに包まれた調味料ボトル内の水からの信号を検出できます [bottom left and right]。 MOSFET [middle left] コイルの迅速な制御が可能になります。増幅回路は 9 ボルトのバッテリーから電力を供給され、36 ボルトのバッテリーがコイルを充電します。ジェームズ・プロボスト

MRI スキャナーと同様、陽子歳差運動磁力計は水素原子核、つまり陽子の振動を測定します。他の素粒子と同様に、陽子は古典的な角運動量に似たスピンと呼ばれる量子特性を持っています。磁場の中では、陽子は回転軸が円錐を描きながら独楽のようにぐらつきます。これを歳差運動と呼びます。陽子歳差運動磁力計は、多くの陽子を同期して揺動させ、周囲の磁場の強度に比例するその揺動の周波数を測定します。

地球の磁場の強さが（少なくとも MRI 装置のそれに比べて）弱いということは、その影響下で揺れる陽子が可聴周波数で揺れることを意味します。同時に十分に動くと、回転するプロトンが近くのピックアップ コイルに電圧を誘導します。それを増幅してイヤホンに通すと、オーディオトーンが得られます。したがって、適切な回路を使用すると、文字通り陽子音を聞くことができます。

最初のステップはピックアップ コイルを作ることであり、ここでモートン シーズニング ブレンドのボトルが登場します。なぜモートン シーズニング ブレンドなのか?理由は 2 つあります。まず、このサイズのボトルでは、約 450 グラムの 22 ゲージ ワイヤーを使用して、各ボトルの周りにワイヤーを約 500 回巻き付けることができます。第二に、ボトルの両端には小さな肩が成形されており、優れたコイル形状を実現しています。

なぜ 2 つのボトルと 2 つのコイルなのでしょうか?これは、コイルが常に拾う主に電力線から発生する電磁ノイズを抑制するためです。 2つの逆巻きコイルを直列に配線すると、このような外部ノイズが打ち消し合う傾向があります。ただし、2 つのコイル内で歳差運動する陽子からの信号は相互に強化します。

屋内や鉄分を含む物の近くでこれを試さないでください。

陽子磁力計には 3 つのモードがあります。 1 つ目は、コイルに DC 電流を流すためのものです。 2 番目のモードでは、電流源が切断され、電流源が生成していた磁場が崩壊します。 3 つ目はリスニング モードで、コイルを高感度のオーディオ アンプに接続します。各ボトルを蒸留水で満たし、これらのコイルに DC 電流 (数アンペア) を流すと、水中の多くの陽子のスピンが整列します。次に、回路をリスニング モードにした後、コイルを使用して、ぐらつく陽子の同期振動を感知します。

マムの回路は、3 ポジション スイッチを使用するという、可能な限り最も単純な方法で 1 つのモードから別のモードに移行します。 1 つの位置で DC 偏波モードが有効になります。次の位置では、分極中に構築された磁場を崩壊させることができ、3 番目の位置はリスニング用です。

有害な火花を避ける

2 番目のモードは、コイルを外すだけなので簡単に実現できるように思えるかもしれませんね?しかし、それを行うと、点火プラグに火花を発生させるのと同じ原理により、コイルの周囲の磁場が崩壊し、スイッチの接点に有害な高電圧がかかります。

陽子歳差運動磁力計は、本来は単なる多段アナログ増幅器です。ジェームズ・プロボスト

それを避けるために、マム氏の回路は、特定のしきい値電圧を超える電流のみを流すために、多くの電力調整回路で使用される高出力ツェナー ダイオードのように動作するように配線された MOSFET を採用しています。これにより、電流が遮断されたときにコイルに発生する電圧が十分に制限されるため、磁力計は損傷を与えることなく分極モードからリスニングモードに迅速に移行できます。

強い信号を受信するには、陽子の歳差運動の予想周波数で共振するようにリスニング回路も調整する必要があります。この周波数は、あなたの場所の地球の磁場によって異なります。オンラインの地磁気計算ツールを使用すると、それがどれくらいであるかをおおよそ知ることができます。場の強度を取得し、それに陽子の磁気回転比 (テスラあたり 42.577 MHz) を掛けます。私の場合、それは約2キロヘルツになりました。コイルの直径と巻き数からコイルのインダクタンスを推定し、コイルと並列に接続する適切な値のコンデンサを選択して、その周波数で共振するタンク回路を作成しました。

次を使用してタンク回路を調整できます 周波数発生器とオシロスコープ。 または、マムが提案しているように、小さな スピーカーを回路の出力に接続します。それから スピーカーをピックアップコイルに近づけます。 これにより磁気フィードバックが発生し、 回路はそれ自体で発振します—大声で！測定するだけで十分です このトーンの周波数を調整し、 この自己ＯＳを実現するためのタンクコンデンサ希望の周波数に合わせて発振します に合わせます。

陽子音を聞こうとした私の最初の試みは、成功はまちまちでした。音が聞こえることもあれば、聞こえないこともありました。このギズモを安定して動作させるのに役立ったのは、陽子磁力計が磁場の大きな勾配を許容できないことを認識したことです。したがって、屋内や、水道管、車、さらには地面などの鉄を含む物の近くではこれを試さないでください。コイルを地面から浮かせた、屋外の広く開いたスペースが最適です。 2 番目に効果があったのは、偏光モードでより迫力を与えることでした。 12 ボルトのバッテリーでも問題なく動作しますが、36 V の方がはるかに優れています。

これらのことを理解してから、陽子音が簡単に聞こえるようになりました。ボトルの中の水を抜くと消えてしまうので、これらの音は明らかに陽子の音です。そして、Spectrum Lab と呼ばれる無料のオーディオ分析ソフトウェアを使用して、これらのトーンの周波数が私の場所の磁場と約 1 パーセント一致することを確認しました。これは実用的なフィールド機器ではありませんが、陽子歳差運動磁力計はどのような種類であっても 100 ドル未満で購入できるため、嘲笑されるようなものではありません。