Мешающее влияние грунта на импульсный металлодетектор

Мешающее влияние грунта проявляется как из-за протекания в грунте вихревых токов, так и из-за явления магнитной вязкости (магнитного последействия).

магнитная вязкость

В грунте содержатся микроскопические (размером порядка 10 нм) суперпарамагнитные (фактически, ферромагнитные) частицы, каждая из которых представляет собой магнитный домен, не взаимодействующий с другими доменами.

Эти частицы под действием поля поисковой катушки выстраиваются вдоль линий поля, преодолевая небольшой энергетический барьер - грунт намагничивается. Уровень этого барьера связан с их тепловой энергией $kT$, где $k$ - постоянная Больцмана, $T$ - абсолютная температура.

После прерывания тока в катушке ее магнитное поле затухает и расположение частиц  из-за теплового движения опять становится хаотическим (намагниченность релаксирует согласно экспоненциальной зависимости $J = {{J_0} {e^{-{{t} \over {\tau}}}}}$, где $J_0$ - намагниченность в момент выключения внешнего поля, $\tau$ - постоянная времени релаксации намагниченности ($\tau = {{\tau}_0 {e^{{KV} \over {kt}}}} $), где $K$ - постоянная магнитной анизотропии, $V$ - объем частицы, $ {\tau}_0 \approx {10}^{-9}$ Так как в грунте присутствуют частицы разного размера, то он характеризуется спектром времен релаксации.

В этом запаздывании изменения намагниченности по отношению к напряженности внешнего магнитного поля и заключается явление магнитной вязкости. Уменьшение намагниченности грунта (англ."demagnetising" ) служит причиной возникновения затухающего мешающего сигнала в поисковой катушке.

В работе "Первые результаты математического моделирования индукционных переходных характеристик магнитовязких геологических сред" сотрудников Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН (г. Новосибирск) Я. К. Камнева, Н. О. Кожевникова и С. М. Стефаненко указывается:

Подробнее о применении импульсной индукции в геофизических исследованиях можно прочитать здесь.

вихревые токи

"Ложные" мишени должны обладать одновременно обладать и возможностью магнитной связи с поисковой катушкой (характеризуется магнитной восприимчивостью (англ. magnetic susceptibility)) и возможностью протекания вихревых токов (характеризуется электрической проводимостью (англ. electric conductivity)).

Существуют камни, обладающие ферромагнитными свойствами. Я нашел в щебне вот такие образцы, притягивающиеся к сильному магниту из компьютерного накопителя на жестких дисках:

Но проводимость у таких камней практически отсутствуют. Проверка показала, что мой импульсный металлодетектор их присутствие не чувствует.

Также минералы могут встречаться не в виде отдельных камней, а в минерализованном грунте. Существует два основных типа минерализации, связанных с присуствием либо частиц железа (придают грунту красную окраску, повышают магнитные свойства грунта), либо солей (например, морские пляжи, повышают проводимость грунта). Растворенные металлические минералы и электропроводные соли в разных количествах присутствуют во всех типах грунта.

Свойства грунта характеризуются тангенсом угла магнитных потерь (англ. tangent of loss), к которым относятся потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитную вязкость. Для последовательной схемы замещения магнитопровода $tg \delta = { {\omega L} \over R}$, где угол потерь $\delta$ (англ. loss angle) - угол сдвига фаз между $B$ и $H$, $\omega$ - угловая частота тока, $R$ и $L$ - сопротивление потерь и индуктивность последовательной схемы замещения.

Железная минерализация

Распространенными минералами, определяющими магнитные свойства грунта, являются магнетит, маггемит и титаномагнетит.

Наиболее широко распространенный минерал в грунте - магнетит (закись-окись железа, магнитный железняк (англ. magnetite)) ${Fe_3}{O_4}$.
Магнетит имеет черный цвет и обладает сильными ферромагнитными свойствами:

Электрическая проводимость магнетита невелика.
Мелкие окатанные кристалы магнетита образуют магнетитовый песок ("черный песок", англ. black sand).

Максимальная магнитная восприимчивость обычно встречается в грунтах, образовавшихся над вулканическими породами, на полосах аллювиальных «чёрных песков» на пляжах и в краснозёмах, расположенных во влажном климате.
Минимальная магнитная восприимчивость обычно встречается на белых песчаных пляжах в тропиках и субтропиках, а также на почвах, образовавшихся над известняками.

Импульсный металлоискатель не реагирует на минерализованный магнетитом или магнетитовым песком грунт.

Маггемит (оксимагнетит) $\gamma - {Fe_2} {O_3}$ (англ. maghemite) - минерал обычно коричнево-красного или красного цвета;  обладает меньшей удельной магнитной восприимчивостью, чем магнетит.

Электрическая проводимость маггемита больше, чем у магнетита, поэтому импульсный металлодетектор чувствителен к грунту с повышенной концентрацией оксимагнетита!

Синтетический (произведенный искусственно) маггемит используется как звуконоситель в магнитофонных лентах (красновато-бурого цвета).

Титаномагнетит (англ. titano-magnetite) ...

Также импульсный металлодетектор чувствителен к глинистому грунту (англ. clay base) и скоплениям золы от пожаров.

Соляная минерализация

Ионная проводимость морской или солоноватой воды настолько низка, что протекающие вихревые токи затухают до начала подсчета длительности импульса. Таким образом, на работу импульсного металлодетектора не оказывает влияния влага! Этот факт позволяет использовать такие металлодетекторы для пляжного поиска и при дайвинге, что затруднено при использовании популярных металлодетекторов сверхнизкой частоты (англ. Very Low Frequency, VLF).