Magnetometer

Magnetometer

Vorspann

Schaut man in die Werbung, ist alles ganz einfach: Man hält eine Schachtel in der Hand, läuft ein wenig im Zick-Zack über das Feld … und schon hat man die römische Villa farbig in 3D auf dem Computerbildschirm. So einfach ist das!

Magnetometer messen das Magnetfeld, wobei das ’normale‘ Magnetfeld der Erde eine Stärke von ca. 50.000 nT (nanoTesla) hat und man nicht dieses messen will, das machen die Nordlicht- und Aurora-Experten, sondern man möchte die magnetischen Eigenschaften im Erdboden, die das normale Magnetfeld überlagern/verändern, messen. Durch die unterschiedliche Magnetisierung von Baumaterialien im Erdboden lassen sich, neben den möglicherweise naturbedingten Abweichungen, Mauern, Gruben etc. ohne Eingriff in den Boden lokalisieren.

Um dies zu tun, gibt es zwei Möglichkeiten: Die Portokasse um 10.000.- Euro zu erleichtern und sich eines kaufen oder sich Gedanken um einen Selbstbau machen. Denn … nichts alles was teuer verkauft wird, ist auch in der Herstellung teuer.

Es gibt verschiedenste Arten von magnetischen Feldstärke-Messgeräten. Einige eignen sich für die magnetische Prospektion, andere taugen nichts und wieder andere sind zu komplex. Im folgenden eine kleine Analyse:

Es werden hauptsächlich folgende Magnetometertypen für die ‚ernsthafte‘ Messtechnik eingesetzt:

  1. Für Otto Normalverbraucher: Sättigungskernmagnetometer: Fluxgate-Magnetometer, Förstersonden, Fluxgate-Gradiometer
    Diese Sensoren messen die Feldkomponente in Richtung der Sensorachse. Entweder messen sie die komplette Vertikalintensität oder nur den Gradienten (Gradiometer).
    Für die Archäologie nur begrenzt geeignet:
    Da sie die magnetische Feldkomponente in Richtung des Sensors erfassen, führen schon leiche Verkantungen aus dem Lot (bereits einige Gradsekunden) zu anderen Messwerten, damit sind lokale kleine Magnetfeldänderungen also nicht aufnehmbar, da bei der Überschreitung eines Feldes nicht die exakt senkrechte Lage des Sensors garantiert werden kann und die Messergebnisse sind temperaturabhängig.
    Ein Gradiometer ist insofern etwas besser, da es zwei im Abstand von ca. 0,5 Meter senkrecht übereinander montierte Fluxgate-Sensoren beinhaltet, und man nur die Differenz beider Sensoren erfasst. Da der obere entfernt vom Erdboden sich befindet und der untere Nahe des Erdbodens betrieben wird, erfasst der obere Sensor nur das Magnetfeld der Erde (ca. 50.000 nT) und der untere Sensor das ‚veränderte‘ Magnetfeld im Boden. Die Differenz ist also genau das, was ‚man‘ braucht, nähmlich die Abweichung des Magnetfeldes im Boden.
    Solche Magnetometer werden z.B. als Minensucher oder Metalldetektoren benutzt, was allerdings bei den heute verwendeten Plastiksprengminen bereits versagt.
    Die Messgenauigkeit liegt bei ca. 0,1 bis 1 nT und liegt damit im Bereich des archäologisch Verwertbaren. Der große Nachteil ist die Messdatenverfälschung bei Verkantung des Messstabes, was insbesondere bei unebenem Gelände schnell passieren kann.
  2. Für Otto Normalverbraucher: Kernpräzessionsmagnetometer: Protonenmagnetometer
    Was sich so kompliziert und nach Atommeiler riechend anhört, ist in Wirklichkeit wesentlich einfacher und umweltverträglicher. Hier wird die Kreiselbewegung (der Spin) von Protonen (in Wasserstoffkernen) nach der Abschaltung eines künstlichen magnetischen Zusatzfeldes gemessen. Man hat als Sensor eine Zylinderspule, die umgeben ist von protonenreicher Flüssigkeit, wie z.B. Methanol, destilliertes Wasser, Isopropanol, oder auch Petroleum oder Flugzeugbenzin. Die Messwerte sind nicht temperaturabhängig.
    Durch die ’ständige‘ Aufbringung eines Zusatzfeldes und Abwarten des Abklingens (Messung) können Messungen nur im Abstand von einigen Sekunden durchgeführt werden. Der große Vorteil dieses Sensor ist, daß er den magnetischer Totalfeldvektor erfasst.
  3. Für Superreiche: Absorptionszellenmagnetometer: Cäsiumdampf-Magnetometer
    Hier wird ein Effekt der Quantenmechanik (Zeeman-Effekt) verwendet, um das magnetische Totalfeld zu messen. Mit einer Spektrallampe werden Elektronen in einer Cäsium-Dampfschicht in ein höheres Energieniveau gepumpt und mit einer Fotozelle der Fotostrom der Spektrallampe gemessen. Die Genauigkeit liegt mit 25 pT bis 100 pT sehr hoch, das Gerät ist aber relativ komplex und z.B. für den Nachbau ‚fast‘ unmöglich.
  4. Für Spielereien: Hall-Sensoren
    Solche Sensoren werden z.B. in Anemometern(Luftgeschwindigkeitsmesser) verbaut, um die Umdrehungsgeschwindigkeit eines kleinen Rotors zu erfassen.
  5. Fürs Labor: Squids
    Squids müssen bei sehr tiefen Temperaturen (supraleitend) betrieben werden und sind deshalb nur für den Laborbetrieb geeignet.

Was bleibt also für den Amateurarchäologen:

Was bleibt also für den Amateurarchäologen:

  • Das Fluxgate-Gradiometer, Vorteil: relativ einfach, Nachteil: lageabhängiger Messwert
  • Das Protonen-Magnetometer

wobei das Protonen-Magnetometer den Vorteil der magnetischen Totalfeldmessung hat und damit nicht die Verkantungsempfindlichkeit des Fluxgate-Gradiometers besitzt.

Und es gibt Hinweise, daß man mit einem Fluxgate-Sensor auch Totalfeldmessungen durchführen kann, wenn man ein Dreiachsen-Fluxgate-Sensor verwendet und die entsprechenden Messwerte (orthohonalen Komponenten) winkelrichtig zusammenaddiert. Dies hat sich aber bisher nicht durchgesetzt (vielleicht weil es die Preise der hochpreisigen Magnetometer verderben würde?).

Für Fluxgate-Gradiometer gibt es sogar einen Bausatz für ca. 150.- Euro von Fat Quarters, der mit zwei FGM-3 Magnetfeldsensoren aufgebaut ist.

Ein Dreiachsen-Fluxgate-Sensor gibt es als FLC3-70 bei Stefan Mayer Instruments.

Ein Protonen-Magnetometer gibt es ebenfalls als Bausatz, der PPM-MarkII mit einer Auflösung von 0,1 nT zum Preis von ca 1000.- Euro von Willy Bayot.

Aber es gibt auch genügend Dokumentation, um sich einen Differenz-Protonen-Magnetometer selbst zu bauen.

Und wer jetzt schreit, daß man dazu ja auch eine Software braucht, dann würde ich hierzu ‚Snuffler‘ empfehlen. Dies ist eine Software zur Visualisierung von Widerstands- und Magnetometermessungen. Sie wurde von einem britischen Amateurarchäologen entwickelt und ist kostenfrei.

My project

Construction of a magnetic gradiometer with a resolution of 0.1 nTesla. Combined with a RTK GPS with 1 cm accuracy.

(Kombination von zwei Emlid Reach RTK-GPS Einheiten mit einem Fluxgate-Magnetometer)

1. Using a fluxgate magnetometer with a DC output proportional to the differential magnetic field.

2. Using a RTK GPS unit consisting of a base station and a rover, linked via UHF radio

3. Python software to map and log the incomming DC voltage and coordinates

Alles läuft jetzt und prompt wird es langweilig, also Entwicklung pausiert!

Noch’n Projekt

Auch ein Protonen-Präzessions-Magnetometer wurde gebaut, getestet und wieder eingemottet!

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