Luận văn Thạc sĩ Vật liệu và linh kiện Nano: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị từ kế vector độ nhạy nanotesla dựa trên vật liệu sắt từ-sắt điện dạng dãy cấu trúc micro-nano phục vụ đo vẽ bản đồ từ trường trái đất

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của đề tài là khảo sát và phân tính chất của vật liệu sắt từ FeSiC; Thiết lập thông số vật liệu, dự đoán cấu hình và tiến hành mô phỏng mật độ tập trung từ thông độ, đồng đều của từ thông trên bề mặt của vật liệu sắt từ FeSiC với các cấu hình khác nhau nhằm so sánh hiệu quả của cấu hình; Chế tạo các cảm biến theo những cấu hình đã mô phỏng để đánh giá hiệu quả cải thiện tín hiệu của cảm biến theo cấu hình trong thực tế đo đạc;...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật liệu và linh kiện Nano: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị từ kế vector độ nhạy nanotesla dựa trên vật liệu sắt từ-sắt điện dạng dãy cấu trúc micro-nano phục vụ đo vẽ bản đồ từ trường trái đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR ĐỘ NHẠY NANOTESLA DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO-NANO PHỤC VỤ ĐO VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI – 2020
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR ĐỘ NHẠY NANOTESLA DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO-NANO PHỤC VỤ ĐO VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nano Mã số: 8440126.01QTD LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Thị Hương Giang HÀ NỘI – 2020
LỜI CẢM ƠN Những nội dung nghiên cứu trong luận văn này được tôi hoàn thiện dưới sự hướng dẫn đến từ cán bộ hướng dẫn và sự giúp đỡ từ các anh chị cùng công tác trong nhóm nghiên cứu. Đầu tiên, tôi xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Đỗ Thị Hương Giang, cô đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong toàn bộ luận văn này. Bên cạnh những kiến thức chuyên môn và kỹ năng trong nghiên cứu thì cô còn là người đã truyền cho tôi rất nhiều động lực bằng chính lòng nhiệt huyết và sự nghiêm túc trong công việc của cô. Bên cạnh đó, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới các anh chị trong nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro – Nano và các thầy cô trong Khoa Vật lý kỹ thuật đã giảng dạy và giúp đỡ cho tôi trong thời gian học tập và làm việc. Cuối cùng tôi xin được cảm ơn Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro – Nano và trường Đại học Công Nghệ đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thiện tốt luận văn này. Luận văn này được hoàn thành với sự hỗ trợ một phần của Đề tài “Nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm ứng dụng hệ thống đo và định vị từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo – áp điện và kỹ thuật GPS”. Mã số ĐTĐL.CN-02/17. i
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi và trong đó hoàn toàn không có sự sao chép các tài liệu hay công trình nghiên cứu của người khác mà không chú thích rõ ràng trong mục tài liệu tham khảo. Những kết quả và các số liệu trong luận văn chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, trước nhà trường về những điều tôi cam đoan trên. Hà Nội, ngày 10 tháng 07 năm 2020 Tác giả Nguyễn Việt Hùng ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ...................................................................v DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... vii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 Chương 1: TỔNG QUAN .............................................................................................4 1.1. Tổng quan về từ trường Trái đất ..........................................................................4 1.1.1. Nguồn gốc của từ trường Trái đất.................................................................4 1.1.2. Cường độ từ trường Trái đất .........................................................................5 1.1.3. Thành phần của từ trường Trái đất ...............................................................6 1.2. Ứng dụng của từ trường Trái đất .........................................................................7 1.3. Một số loại cảm biến đo từ trường Trái đất .......................................................10 1.4. Cảm biến đo từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ-điện ............................12 1.4.1. Tổng quan về cảm biến từ-điện ..................................................................12 1.4.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ-điện ................................................13 1.4.3. Đặc điểm của cảm biến từ-điện ..................................................................14 1.5. Vật liệu từ-điện và hiệu ứng từ-điện ...................................................................16 1.5.1. Vật liệu đa pha sắt (Multiferroics) ..............................................................16 1.5.2. Vật liệu từ-điện (Magnetoelectric) .............................................................17 1.5.3. Vật liệu sắt từ, vật liệu sắt điện...................................................................17 1.6. Từ kế vector ..........................................................................................................20 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...........................................................21 2.1. Mô phỏng tính chất từ của FeSiC .......................................................................21 2.2. Khảo sát tính chất của vật liệu FeSiC.................................................................22 2.2.1. Khảo sát tính chất từ ...................................................................................22 2.2.2. Khảo sát bề mặt và độ dày ..........................................................................23 iii
2.2.3. Khảo sát thành phần vật liệu .......................................................................23 2.3. Chế tạo cảm biến từ-điện FeSiC/PZT. ................................................................23 2.4. Khảo sát tín hiệu và thông số của các cảm biến ................................................25 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................................27 3.1. Kết quả mô phỏng ................................................................................................27 3.2. Kết quả khảo sát tính chất của vật liệu FeSiC ...................................................31 3.2.1. Khảo sát tính chất từ ...................................................................................31 3.2.2. Khảo sát thành phần vật liệu .......................................................................33 3.2.3. Khảo sát cấu trúc bề mặt và độ dày ............................................................33 3.3. Kết quả khảo sát các cấu hình cảm biến ............................................................35 3.3.1. Khảo sát cảm biến với cấu hình nối liền .....................................................35 3.3.2. Khảo sát cảm biến với cấu hình nhiều thanh ..............................................37 3.4. Kết quả khảo sát tín hiệu cảm biến dạng dãy ....................................................41 3.5. Kết quả khảo sát độ nhạy và độ phân giải của cảm biến ..................................42 3.6. Tối đa hóa tín hiệu của cảm biến ........................................................................44 KẾT LUẬN ..................................................................................................................47 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN .........................................................................................................48 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................49 iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AC Xoay chiều Beff Cảm ứng từ hiệu dụng c Chiều dài phần nối liền giữa các thanh vật liệu D Độ từ thiên DC Một chiều djk Hệ số áp điện theo phương tác dụng lực ĐTNL Cấu hình đa thanh nối liền ĐTTR Cấu hình đa thanh tách rời e Phần kéo dài của các thanh vật liệu EDX Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) F Cường độ từ trường tại điểm đo fch Tần số cộng hưởng của cảm biến FeSiC Vật liệu băng từ Fe96Si2C2 g Khoảng cách giữa hai thanh vật liệu trong cấu hình đa thanh H Cường độ từ trường ngoài h0 Biên độ từ trường xoay chiều hac Cường từ trường xoay chiều Hc Lực kháng từ Hd Từ trường khử từ Hdc Từ trường một chiều Heff Từ trường hiệu dụng Hs Từ trường bão hòa Hx , Hy , Hz Các vector thành phần trong hệ tọa độ I Góc nghiêng từ kH Hệ số chuyển đổi của cuộn Helmholtz Kp Hệ số máy đo từ trường proton L Chiều dài mẫu vật liệu trong chế tạo L_tg Chiều dài mẫu vật liệu mô phỏng v
Ls Vùng khả dụng của vật liệu (vùng cảm nhận) m Số cảm biến đơn vị trong cảm biến dãy M Từ độ của vật liệu ME Từ-điện (Magnetoelectric) Mr Độ từ dư Ms Từ độ bão hòa n Số thanh vật liệu từ giảo trong cấu hình Pj Độ lớn vector phân cực điện PZT Vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3 qac Điện lượng biến thiên Qdc Điện tích cảm ứng trong vật liệu áp điện r Độ đồng nhất của mật độ từ thông SEM Kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope) t Độ dày của vật liệu Vac Điện áp xoay chiều kích thích VME Thế từ điện VSM Từ kế mẫu rung (vibrating sample magnetometer) W Chiều rộng mẫu vật liệu trong chế tạo W_tg Chiều rộng mẫu vật liệu mô phỏng Wm Kích thước của thanh vật liệu từ giảo αE Hệ số từ-điện δ-, δ+ Điện tích ở hai mặt của vật liệu áp điện λ(µ0.H) Từ giảo khi có tác dụng của từ trường H σ Độ lệch chuẩn σac Ứng suất dao động σk Ứng suất tác dụng τ Thời gian duy trì điện tích của áp điện χM Độ cảm từ χλ Độ cảm từ giảo vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Số lượng công bố đưa ra có từ khóa magnetoelectric và multiferroic [33] .......2 Hình 1.1. Từ trường Trái đất dưới tác động của Mặt trời (nguồn: NASA) .....................4 Hình 1.2. Mô phỏng hoạt động của các vật chất bên trong của Trái đất (XSHELLS) ...5 Hình 1.3. Hệ tọa độ tham chiếu quốc tế hướng về tâm Trái đất (North-East-Center) ....6 Hình 1.4. Từ trường gây ra bởi mỏ quặng sắt từ và bản đồ từ tại vùng khảo sát ............8 Hình 1.5. Dữ liệu dị thường từ trường thẳng đứng khi có mỏ dầu..................................8 Hình 1.6. Hình minh họa đường sức từ trường không gian trong vùng có tầu ngầm .....9 Hình 1.7. Sơ đồ cấu tạo và ảnh chụp thiết bị đo từ trường flux-gate ............................10 Hình 1.8. Ảnh thiết bị, sơ đồ khối và phổ tín hiệu đo của máy đo từ trường proton ....11 Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy đo từ lượng tử .....................................12 Hình 1.10. Biểu đồ giao động của từng vật liệu của cảm biến từ-điện [3]....................14 Hình 1.11: Liên kết từ-điện trong vật liệu từ-điện thay đổi phân cực điện bởi từ trường ngoài (a); thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài (b) ................................................15 Hình 1.12. Sơ đồ phân loại các loại vật liệu đa pha sắt (Multiferroic) [32] ..................17 Hình 1.13. Đường cong từ hóa của các vật liệu sắt từ ..................................................18 Hình 1.14. Ảnh chụp ba cảm biến từ trường đơn trục và mô hình của từ kế vector với ba cảm biến đơn trục .....................................................................................................20 Hình 2.1. Thiết bị từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 ......................................................22 Hình 2.2. Vật liệu PZT dạng tấm (a); vật liệu FeSiC dạng màng mỏng (b) .................24 Hình 2.3. Hệ máy cắt phiến Sherline 5410 và máy tính điều khiển ..............................24 Hình 2.4. Sơ đồ lắp đặt hệ đo khảo sát tín hiệu cảm biến. ............................................26 Hình 3.1. Kết quả mô phỏng phân bố từ thông (a); Cảm ứng từ hiệu dụng Beff trên toàn bộ thể tích của vật liệu (b) .............................................................................................28 vii
Hình 3.2. Phân bố từ thông trên bề mặt của tấm vật liệu từ giảo với các cấu hình (a); Độ đồng nhất về phân bố từ thông trong vùng khả dụng của các cấu hình (b) .............30 Hình 3.3. Đường cong từ hóa của vật liệu FeSiC 0.8x50 mm ......................................32 Hình 3.4. Kết quả đo phân tích thành phần vật liệu FeSiC ...........................................33 Hình 3.5. Ảnh chụp SEM độ dày của vật liệu FeSiC ....................................................34 Hình 3.6. Ảnh chụp SEM bề mặt của vật liệu FeSiC ....................................................34 Hình 3.7. Mô tả các cấu hình cảm biến được chế tạo ...................................................35 Hình 3.8. Tín hiệu của cảm biến theo tần số (a); Tín hiệu của cảm biến theo từ trường ngoài (b) .........................................................................................................................36 Hình 3.9. Kích thước thanh và khoảng rỗng giữa hai thanh vật liệu ............................38 Hình 3.10. Tỷ số hiệu ứng “shear lag” theo số thanh (màu đỏ); Tỷ số tỷ phần thể tính giữa hai pha vật liệu (màu đen) .....................................................................................38 Hình 3.11. Cảm biến với cấu hình đa thanh nối liền chế tạo được ...............................39 Hình 3.12. Kết quả tín hiệu cảm biến (a) và Hệ số từ-điện và độ nhạy với số thanh khác nhau (b) .................................................................................................................39 Hình 3.13. Cấu hình tối ưu của vật liệu từ giảo trong cảm biến từ-điện (a); Cấu tạo cảm biến từ-điện với cấu hình tối ưu (b) .......................................................................41 Hình 3.14. Kết quả tín hiệu cảm biến của các cảm biến dãy có số đơn vị cảm biến khác nhau (a); Hệ số từ-điện với cảm biến dãy có số đơn vị khác nhau (b) ..........................42 Hình 3.15. Tín hiệu của cảm biến dãy trong dải từ trường thấp (a); Tín hiệu cảm biến theo bước nhảy cố định (b) ............................................................................................43 Hình 3.16. Tín hiệu thả trôi của cảm biến trong từ trường (a); Đồ thị phân bố kết quả thả trôi của hai cảm biến dãy với m = 1 và m=4 (b),(c) ................................................43 Hình 3.17. Tín hiệu cực đại của cảm biến khi tăng từ trường kích thích ......................45 Hình 3.18. Độ nhạy tín hiệu cảm biến khảo sát trong một vùng từ trường rất nhỏ ......45 viii
MỞ ĐẦU Trong vài thập kỷ trở lại đây, các nghiên cứu liên quan tới từ trường Trái đất đang ngày một phổ biến và cho thấy những lợi ích trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. Từ trường Trái đất cũng đóng một vai trò quan trọng, khi xem xét một cách vĩ mô nó là lớp khiên chắn, bảo vệ chúng ta khỏi những bức xạ tiêu cực từ ngoài vũ trụ, còn ở góc độ vi mô thì chúng giúp ta đang dự đoán những hiểm họa thiên nhiên, thăm dò, khảo sát và tìm kiếm những nguồn năng lượng hóa thạch. Tuy từ trường không thể quan sát thấy bằng mắt thường, nhưng nếu vận dụng đúng cách thì bằng từ trường chúng ta có thể “thấy” được những thứ chúng ta không thể nhìn thấy. Để làm được điều này chúng ta cần phải ghi nhận được những tín hiệu rất nhỏ (cỡ 10-4 Tesla) của từ trường Trái đất. Việc này buộc chúng ta phải thực hiện thông qua những thiết bị có độ nhạy rất cao đủ để có thể khảo sát được vùng từ trường thấp này. Đến nay, các nhà khoa học vẫn đang tiến hành nghiên cứu nguyên lý, tính chất và hiệu ứng của nhiều loại vật liệu để tạo ra những cảm biến từ trường có độ nhạy cao cho phép ghi nhận tín hiệu từ trường Trái đất. Trong đo có thể kể đến một số loại cảm biến nổi bật hiện nay như cảm biến từ flux-gate, cảm biến proton hay cảm biến từ lượng tử,…Mỗi loại cảm biến này lại sở hữu những ưu điểm và nhược điểm riêng nên chúng sẽ có những mục đích ứng dụng thích hợp. Gần đây, có một loại vật liệu đang nổi lên và rất được quan tâm bởi tiềm năng của vật liệu này có thể sẽ thay thế các vật liệu truyền thống đã giảm dần đi sức hút. Đó chính là vật liệu từ-điện ở dạng phổ biến hiện nay là dạng tổ hợp đa pha từ vật liệu sát từ và sắt điện. Ưu điểm vượt trội của vật liệu này là dễ dàng trong thiết kế, công nghệ chế tạo đơn giản và điện kiện làm việc ở nhiệt độ phòng. Chính những ưu điểm này đã tạo ra tiềm năng lớn để khai thác vật liệu này vào các ứng dụng trong đời sống. Cụ thể đã có một số ứng dụng đã có được đưa vào sử dụng như thiết bị chuyển đổi tín hiệu [26], thiết bị lưu trữ thông tin [21] và nổi bật nhất là ứng dụng trong chế tạo cảm biến từ trường với độ nhạy cao [1,3,23]. Vật liệu từ-điện (Magnetoelectric) hay còn được gọi là vật liệu đa pha sắt từ-sắt điện thuộc trong nhóm các vật liệu đa pha sắt (Multiferroics) với hiệu ứng từ-điện cho phép chuyển đổi trực tiếp từ năng lượng từ sang năng lượng điện. Cảm biến chế tạo từ vật liệu này có thể ứng dụng được trong các khảo sát và đo đạc từ trường Trái đất, thăm dò khoáng sản, nhiên liệu, cảnh bảo sớm thiên tai và các ứng dụng trong quân sự khác. Sức hút này được thể hiện rõ nhất qua số lượng các bài báo và công bố với nội dung liên quan đến vật liệu này đang có xu hướng tăng lên. Sự phổ biến của các nghiên cứu liên quan về nội dung này với từ khóa là Magnetoelectric và Multiferroic được thể hiện trong hình 1. 1
Hình 1. Số lượng công bố đưa ra có từ khóa magnetoelectric và multiferroic [33] Ban đầu, các nghiên cứu về vật liệu này tập trung vào dạng vật liệu đơn pha [19], sau đó phát triển sang vật liệu dạng khối đa pha [34] và gần đây các nghiên cứu vật liệu từ-điện chuyển hướng mạnh sang nghiên cứu vật liệu dạng tổ hợp đa pha. Xu hướng phát triển này diễn ra bởi trong một vài nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng độ nhạy của cảm biến này có thể cải thiện đáng kể bằng cách tối ưu hóa cấu hình thiết kế của cảm biến chế tạo [1,29]. Từ những cơ sở trên, luận văn đặt mục tiêu chế tạo ra cảm biến đo từ trường có độ nhạy nanoTesla dựa trên nền tảng của các nghiên cứu về hướng ứng dụng này đã được công bố trước đây. Với hướng tiếp cận chính để đạt được mục tiêu trên là cải thiện và tối ưu hóa cấu hình của cảm biến, thông qua hai cách là cải thiện cấu hình dưa trên các yếu tố ảnh hướng tới tín hiệu cảm biến và cải thiện độ phân cực điện cảm biến bằng phương pháp ghép dãy. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tín hiệu của cảm biến dựa trên vật liệu sắt từ- sắt điện tuy nhiên trong luận văn này một số yếu tố sẽ tác động trực tiếp sẽ được tập trung. Việc tối ưu cấu hình cho cảm biến cũng sẽ bám sát theo những yếu tố là tính đơn trục của cảm biến, hiệu ứng “shear-lag”, tỉ phần thể tích và sự tiểu hình hóa cho cảm biến. Theo hướng nghiên cứu như trên luận văn sẽ lựa chọn nghiên cứu trên hai loại vật liệu sắt từ và sắt điện phổ biến và sẵn có trên thị trường hiện nay là băng từ FeSiC và áp điện PZT. Bên cạnh đó luận văn cũng kế thừa những kết quả nghiên cứu đã được công bố để tối ưu thời gian nghiên cứu cho luận văn. Trong khoảng thời gian thực hiện, theo mục tiêu và hướng nghiên cứu đặt ra, các nội dung cụ thể sau sẽ được tiến hành nghiên cứu: 2
* Khảo sát và phân tính chất của vật liệu sắt từ FeSiC * Thiết lập thông số vật liệu, dự đoán cấu hình và tiến hành mô phỏng mật độ tập trung từ thông độ, đồng đều của từ thông trên bề mặt của vật liệu sắt từ FeSiC với các cấu hình khác nhau nhằm so sánh hiệu quả của cấu hình * Chế tạo các cảm biến theo những cấu hình đã mô phỏng để đánh giá hiệu quả cải thiện tín hiệu của cảm biến theo cấu hình trong thực tế đo đạc * Đánh giá kết quả tín hiệu của cảm biến thu được với các cấu hình khác nhau, từ kết quả đưa ra kết luận về cấu hình tối ưu nhất * Chế tạo các cảm biến với cùng cấu hình tối ưu nhất và tiến hành ghép nối các đơn cảm biến này thành một cảm biến có cấu trục dạng dãy. Khảo sát tín hiệu lối ra của các cảm biến dạng dãy với số đơn cảm biến khác nhau và đánh giá hiệu quả * Sử dụng cảm biến có kết quả tín hiệu lớn nhất đã chế tạo được để khảo sát, đánh giá và tính toán độ nhạy và độ phân của cảm biến. 3
Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về từ trường Trái đất Theo các phép đo đạc niên đại phóng xạ và những bằng chứng khoa học khác, các nhà khoa học nhận định rằng Trái đất được hình thành từ hơn 4,5 tỷ năm trước và là vật thể thiên văn duy nhất được biết đến có tồn tại sự sống. Nhiều nhà khoa học đã chứng minh rằng hành tinh của chúng ta đang được bảo vệ khỏi những “cơn giận dữ” của Mặt trời bởi một “bong bóng” từ tính khổng lồ gọi là từ quyển hay từ trường Trái đất. Nó làm lệch đi hầu hết các nguyên tử mang năng lượng cao từ Mặt trời quét về hướng chúng ta. Điều này cho thấy rằng, rõ ràng là từ trường Trái đất đã bảo vệ Trái đất và giúp nơi đây trở thành một hành tinh có sự sống. Hình 1.1. Từ trường Trái đất dưới tác động của Mặt trời (nguồn: NASA) Bên cạnh lợi ích mang tính vĩ mô như vật thì xuyên suốt lịch sử loài người đến này từ trường Trái đất đã trở thành một lĩnh vực khoa học riêng, được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều vào cuộc sống. Lần đầu tiên vào năm 1600, nhà vật lý William Gilbert đã là người đầu tiên giải thích về sự tồn tại từ trường trên Trái đất, ông đã ví Trái đất như một thanh nam châm khổng lồ. Tuy nhiên, điều mà đến nay vẫn còn đang gây ra tranh luận giữa những nhà khoa học lại là nguồn gốc thực sự của từ trường Trái đất là gì? 1.1.1. Nguồn gốc của từ trường Trái đất Trong hệ mặt trời của chúng ta, Trái đất và sao Thủy là hai hành tinh đặc biệt, với mỗi hành tinh được bảo vệ bởi một lớp từ trường riêng biệt có nguồn gốc xuất phát từ chính bản thân của hai hành tinh. Vào năm 1940, giả thuyết “geodynamo” đã được đưa ra bởi một số nhà vật lý để giải thích cho nguồn gốc của lớp từ trường này trên 4
Trái đất. Giả thuyết này cho rằng nguồn gốc tạo ra từ trường của Trái đất được bắt đầu từ lớp lõi ngoài của hành tinh cách bề mặt Trái đất khoảng 2900 km và được cấu tạo chủ yếu từ sắt là các vật liệu dẫn điện khác. Nhiệt độ tại lõi ngoài của Trái đất nơi được cho là đã tạo ra từ trường có thể lên đến 6000oC [10]. Ban đầu, do sức nóng tạo ra từ lõi trong của Trái đất, các vật chất ở lõi ngoài sẽ bị nóng chảy. Dòng vật chất này sẽ chuyển động cùng với chuyển động tự quay và quay quanh Mặt trời của Trái đất đã tạo thành các dòng xoáy, từ đó tạo ra từ trường tán xạ bao bạo lấy Trái đất [24]. Từ trường này sẽ liên tục được tạo ra trong một vòng lặp tuần hoàn của vật chất bên trong lõi Trái đất. Các dòng vật chất trong lõi này đủ mạnh mẽ để có thể tạo ra những đường sức khuếch tán ra xa bên ngoài không gian và bảo vệ lấy toàn bộ Trái đất. Đường sức từ này có hình dạng như đường sức từ của một thỏi nam châm, kéo dài từ cực Bắc xuống cực Nam của Trái đất. Lý thuyết này còn được gọi là lý thuyết “máy phát điện” và đây cũng là lý thuyết khả thi nhất đến nay để lý giải cho nguồn gốc về từ trường Trái đất [17]. Hình 1.2. Mô phỏng hoạt động của các vật chất bên trong của Trái đất (XSHELLS) 1.1.2. Cường độ từ trường Trái đất Cường độ từ trường của Trái đất lần đầu được đo bởi Johann Carl Friedrich Gauss vào năm 1835 và được đo lại nhiều lần kể từ đó [30]. Cường độ từ trường thường được đo bằng đơn vị Gauss (G), tuy nhiên trong nhiều báo cáo khoa học được công bố gần đây, đơn vị cường độ từ trường được sử dụng nhiều hơn là nanoTesla (nT) với 1 Gauss = 100.000 nT. Cường độ từ trường đo được trên bề mặt Trái đất dao động trong khoảng 23.000 nT đến 62.000 nT, tại Việt Nam giá trị này vào khoảng 40.000 nT [15]. 5
Nếu so với từ trường của một thỏi nam châm thông thường có cường độ từ vài chục đến vài trăm Gauss thì từ trường của Trái đất là nhỏ hơn rất rất nhiều. Từ trường trên bề mặt của Trái đất tại những vị trí khác nhau là khác nhau, với cường độ mạnh nhất tại hai cực và yếu dần về xích đạo. Tuy nhiên, các thay đổi của cường độ từ trường không phải là tuyến tính giữa hai cực mà là thay đổi theo cả không gian và thời gian. Ở hai cực từ, từ trường gồm nhiều các thành phần thẳng đứng với về bặt Trái đất hơn còn ở xích đạo các đường sức nằm ngang lại xuất hiện nhiều hơn. Hai vị trí có từ trường thẳng đứng gọi là Bắc cực từ và Nam cực từ. Hai cực từ của từ trường Trái đất tạo với trục của Trái đất một góc nghiêng 11,3 độ và có cực Bắc Nam ngược với cực địa lý của Trái đất. Bằng cách đo và lập biểu đồ thể hiện các đường đẳng từ là đường nối những vị trí có cùng cường độ từ trường trên bề mặt chúng ta có thể khảo sát được đặc điểm từ trường ở một khu vực nhất định. Điều này mang lại nhiều ý nghĩa bởi có nhiều yếu tố tác động đến từ trường tại một khu vực như các nguồn từ trường ẩn dưới lớp vỏ Trái đất, từ trường của môi trường xung quanh và từ trường nền. Hiện tại trên Trái đất, những biến động từ trường đang được đo đạc và ghi nhận bởi 170 đài quan sát địa từ trên khắp thế giới [10]. Việc này giúp chúng ta dự đoán sớm được các sự biến đổi bất thường của thời tiết hoặc thiên tai trên Trái đất. 1.1.3. Thành phần của từ trường Trái đất Từ trường Trái đất luôn luôn có hướng và độ lớn tại mọi điểm trong không gian. Ba thông số đặc trưng để mô tả cho một vector từ trường là cường độ từ trường F tại điểm đo; góc từ trường tạo ra với phương ngang hay còn được gọi là góc nghiêng từ I và độ suy giảm hay độ từ thiên D là góc giữa kinh tuyến và vector thành phần trên mặt phẳng ngang [28]. Tại bất kỳ vị trí nào, từ trường Trái đất cũng có thể được biểu diễn bởi một vector 3 thành phần trong không gian 3 chiều (Hx, Hy, Hz). Hình 1.3. Hệ tọa độ tham chiếu quốc tế hướng về tâm Trái đất (North-East-Center) 6
Thông thường, véc tơ từ trường được phân tích thành ba thành phần trong hệ tọa độ được sử dụng phổ biến là X (hướng Bắc), Y (hướng Đông) và Z (hướng xuống). Hệ tọa độ này được gọi là hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm Trái đất (North-East-Center). Từ hệ tọa độ này ta có thể phân tích ra độ nghiêng từ I của từ trường là góc tạo bởi vector từ trường Trái đất với mặt phẳng nằm ngang tại điểm quan sát. Giá trị này tại hai cực từ của Trái đất tương ứng là +90o và -90o. Độ từ thiên D trong trường hợp này được xác định là góc giữa hướng Bắc địa lý và hướng Bắc từ hay chính là góc lệch giữa kinh tuyến địa lý và kinh tuyến từ của Trái đất. Khi xét về độ lớn các giá trị này được xác định bằng cách sử dụng các công thức sau : Y D = arctg X (1.1) Z I = arctg H (1.2) F = H2 + Z2 (1.3) Với: H = X 2 +Y2 (1.4) Theo hệ đơn vị quốc tế SI đơn vị từ trường thường sử dụng là Tesla (T). Các thành phần của hệ tọa độ Descartes cũng được tính theo đơn vị nanoTeslas và được xác định như sau: X = HcosD, Y = HsinD, Z = FsinI (1.5) 1.2. Ứng dụng của từ trường Trái đất Những ghi nhận về sự tồn tại từ trường Trái đất đã xuất hiện từ rất lâu và đến nay nó vẫn tiếp tục thể hiện tầm quan trọng của mình trong vai trò là một lĩnh vực khoa học. Dấu ấn sơ khai nhất về khảo sát từ trường có thế kể đến là thiết bị la bàn của người Trung Quốc vào giai đoạn thế kỷ 11 [25]. Đến năm 1701, bản đồ từ trường đâu tiên đã được tạo ra bởi nhà vật lý Halley, bản đồ này bao trùm toàn bộ Đại Tây Dương [31]. Đến nay, một số ứng dụng nổi bật trong lĩnh vực này có thể kể đến là: * Thăm dò khoáng sản Khảo sát từ trường là phương pháp cho phép đánh giá các vật chất có từ tính ở bên dưới lòng đất mà không phải thực hiện các phương pháp xử lý trực tiếp. Từ trường tại những vị trí có mặt của nguồn từ tính mạnh như quặng sắt, hay các khối sắt thép nhân tạo sẽ có thay đổi so với từ trường địa phương. Nếu tiến hành đo đạc và trừ đi phần của từ trường xung quanh có thể giúp đánh giá được đặc tính từ của khối vật liệu, điều này tùy thuộc vào bản chất từ tính của vật liệu mà các phần từ dị thường này là khác nhau. 7
Hình 1.4. Từ trường gây ra bởi mỏ quặng sắt từ và bản đồ từ tại vùng khảo sát Các khảo sát thăm dò khoáng sản thường sử dụng phương pháp lập bản đồ từ trường tại những vùng có từ trường đặc biệt. Bản đồ từ trường với các đường đẳng từ sẽ giúp đánh giá được vị trí cũng như các tính chất của nguồn từ này. Theo quy luật, từ trường dị thường khoảng 1 nT được tạo ra bởi 1 tấn sắt ở khoảng cách vài chục mét (100 feet) [10]. * Thăm dò nhiên liệu hóa thạch Dựa vào đặc tính từ trường của lớp trầm tích ở bên trên các nguồn dâu thô hay than đá để ứng dụng tìm kiếm và phát hiện nguồn nhiên liệu hóa thạch. Tàu thăm dò sẽ có nhiệm vụ tìm kiếm những vùng có từ trường bất thường, định vị và ghi chép những số liệu giúp phát hiện ra những nguồn dầu nằm bên dưới biển. Độ nhạy và độ phân giải của các thiết bị thăm dò càng cao thì bức tranh tổng thể về từ trường của lớp địa tầng đất đá ở khu vực thăm dò càng được biểu diễn một cách rõ ràng giúp việc khảo sát và đánh giá nhanh chóng và tiết kiệm hơn. Hình 1.5. Dữ liệu dị thường từ trường thẳng đứng khi có mỏ dầu. 8
* Cảnh báo thiên tai động đất, sóng thần, sạt lở,… Trong lĩnh vực khí tượng thủy văn, đo đạc và theo dõi biến động của từ trường Trái đất theo thời gian có thể giúp cảnh bảo sớm các hiện tượng thiên nhiên cực đoan như động đất, sóng thần hay một số thiên tai khác. Đặc biệt đối với các nước nằm trong khu vực thường xuyên xảy ra thiên tai như các quốc đảo hay các nước có đường bờ biển dài như Việt Nam. Các phương pháp cảnh bảo động đất không sử dụng từ trường gặp hạn chế vì việc phát hiện thường chậm trễ, tuy nhiên với phương pháp từ trường có thể giúp cảnh bảo sớm thiên tai để đưa ra các ứng phó kịp thời hơn. * Dò tìm phát hiện tàu ngầm, thủy lôi và các vật thể sắt từ dưới đáy biển Những cuộc chiến tranh đã kết thúc từ rất lâu nhưng nước ta cũng như một số quốc gia khác vẫn đang ngày ngày phải khắc phục hậu quả do bom mìn để lại từ những cuộc chiến này. Với sự tham gia của các thiết bị dò tìm băng phương pháp khảo sát từ trường đã giúp khắc phục được phần nào những hậu quả trên. Ngoài ra, trong quân sự cũng đang tập trung khai thác từ trường Trái đất để phát triển các ứng dụng liên quan như phát hiện tàu ngầm, thủy lôi,...[11]. Bằng phương pháp khảo sát từ trường gắn trên máy bay đã giúp cho lực lượng tuần tra hải quân triển khai các biện pháp bảo vệ vùng biển hiện nay. Hình 1.6. Hình minh họa đường sức từ trường không gian trong vùng có tầu ngầm * Hàng không vũ trụ Như được nhắc tới trong phần đầu, Trái đất đang được bảo vệ bởi các tác động tiêu cực từ Mặt trời bởi một lớp từ khuyển. Hoạt động của vệ tinh hay các tàu thăm dò không gian bị tác động rất nhiều khi hoạt động ở bền ngoài không gian nơi cường độ từ trường Trái đất khá thấp. Các bức xạ có tác động tiêu cực này có thể gây nhiễu cho các trạm không gian hay máy tính trên máy bay. Do đó, dự đoán về hoạt động từ tính, như một máy cảnh báo giúp giảm thiểu các hậu quả không mong muốn. Đây cũng là một ví dụ khác về từ trường của Trái đất và là mối nguy hiểm mới trong thế giới hiện đại hiện nay. * Lĩnh vực xây dựng, khảo cổ 9
Lĩnh vực xây dựng và khảo cổ cũng là những lĩnh vực có khai thác các yếu tố của từ trường Trái đất. Một số ứng dụng đáng chú ý như định vị đường ống, cáp điện trong xây dựng hay thăm dò phát hiện các cổ vật, công trình di tích khảo cổ,… 1.3. Một số loại cảm biến đo từ trường Trái đất Ứng với mỗi dải từ trường cần khảo sẽ có những loại cảm biến hoạt động tốt trong khoảng từ trường đó. Đối với cảm biến sử dụng để do từ trường của Trái đất thì độ nhạy là yêu cầu đầu tiên cần phải đáp ứng được. Do cường độ từ trường của Trái đất là rất nhỏ nên chỉ có một vài loại cảm biến đáp ứng được với dải từ trường này. * Cảm biến từ trường Flux-gate Cảm biến từ Flux-gate là thiết bị hoạt động dựa trên sự phụ thuộc của độ cảm từ của vật liệu sắt từ theo từ trường ngoài H. Thiết bị này sử dụng đầu thu là hai thanh kim loại sắt từ, thường là permalloy và hai cuộn dây quấn quanh dọc lõi sắt từ kích thích nhằm tạo từ trường để từ hóa thanh sắt từ. Một cuộn thứ cấp được sử dụng để thu tín hiệu cảm ứng sẽ được cuốn dọc theo hệ này theo hướng ngược lại với cuộn dây kích thích. Thiết bị này chỉ đo được thành phần của vector từ trường dọc theo trục cuộn dây. Ngay nay, bằng việc tổ hợp hệ thống ba cảm biến trực giao với nhau cho phép cảm biến này đo từng thành phần của từ trường từ đó xác định được hướng của từ trường Trái đất. Thiết bị dựa trên hiệu ứng này cho độ nhạy của từ trường tốt nhất hiện nay trong khoảng 0.1 nT và độ phân giải đạt tới 0.01 nT [11]. Hình 1.7. Sơ đồ cấu tạo và ảnh chụp thiết bị đo từ trường flux-gate Cảm biến này có ưu điểm là công nghệ chế tạo đơn giản, chi phí thấp, kích thước nhỏ, độ bền cao, làm việc ổn định và chịu được điều kiện nhiệt độ cao. Tuy vậy, cảm biến loại này lại gặp phải những giới hạn do độ phân giải của dòng điện nên ở dải từ trường 40.000 nT thiết bị có độ nhạy thấp. Hiệu ứng cảm ứng điện từ trong vật liệu cũng tạo ra nhiều nhiễu nền nên thiết bị này gặp hạn chế trong ứng dụng. Cũng chính bởi cấu tạo gồm nhiều cuộn dây nên cảm biến này gặp khó khăn trong việc nâng cao chất lượng. 10