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
Cập nhật vào: Thứ năm - 23/02/2023 10:21 Cỡ chữ
Các phép đo trực tiếp từ trường của trái đất (Geomagnetic field) đã được thực hiện từ hơn 400 năm về trước và được biết đến với việc xác định ra góc lệch giữa cực Bắc từ và cực Bắc địa lý. Cho đến tận thế kỷ 19 và nửa sau thế kỷ 20, các nghiên cứu, khảo sát địa từ trường mới được thực hiện trên các trạm quan sát đặt trên các vệ tinh quĩ đạo trái đất tầm thấp sử dụng các thiết bị từ kế tải trọng nhỏ.
Theo thuyết dynamo, phần lớn từ trường của trái đất được tạo ra bởi khối chất lỏng dẫn điện chuyển động bên trong lòng trái đất tạo ra (từ trường lõi). Các nguồn khác đóng góp cho trường địa từ bao gồm dòng điện trong tầng điện ly và từ quyển (nguồn trường ngoài), đá bị từ hóa trong thạch quyển (từ trường vỏ) và dòng điện cảm ứng của đại dương. Từ trường lõi, vỏ và từ cảm ứng kết hợp được gọi là trường bên trong. Từ trường này, còn được gọi là trường chính thường thay đổi theo thời gian.
Bằng cách đo từ trường ở bề mặt Trái đất hoặc ở độ cao của khi gắn thiết bị trên trạm quan sát đặt tại vệ tinh quay quanh Trái đất tầm thấp có thể được sử dụng để phân tích các đóng góp từ trường từ các nguồn bên ngoài và bên trong.
Xuất phát từ thực tiễn trên, Cơ quan chủ trì Trường Đại học Công nghệ cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài PGS.TS. Đỗ Thị Hương Giang thực hiện “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” với mục tiêu: Chế tạo hoàn chỉnh hệ thống đo và định vị từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo - áp điện và kỹ thuật GPS phục vụ thăm dò, xây dựng bản đồ từ trường Trái đất và đặt các trạm cảnh báo dị thường từ trên biển, tự động truyền tín hiệu về đất liền.
Sự có mặt của vật chất có từ tính trong đất đá, đặc biệt là quặng sắt (magnetite), hoặc các khối sắt thép nhân tạo, gây ra thay đổi của trường ở địa phương. Nếu đo đạc và trừ đi phần từ trường bình thường của từ trường trái đất, thì phần còn lại gọi là dị thường từ đặc trưng cho khối vật liệu đó. Mức độ xáo trộn này phụ thuộc vào vị trí và kích thước vật thể từ tính.
Dựa vào đặc tính là những lớp trầm tích ở trên nguồn dầu thô sẽ làm thay đổi từ trường của Trái đất. Bằng cách sử dụng thiết bị nhận cảm từ trường (sensitive magnetic survey equipment), tàu thăm dò có thể đi qua vùng biển nào đó và định vị chính xác những vùng từ trường bất thường. Những số liệu này sẽ giúp họ tìm ra những dấu hiệu chỉ điểm cho nguồn dầu phía dưới.
Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đo lường trong việc lập bản đồ từ trường trái đất với độ chính xác và phân giải càng cao, cung cấp cung cấp cho nhà địa vật lý một bức tranh đầy đủ hơn về địa tầng đất đá ở dưới lòng đất (thăm dò thô) giúp cho việc thu thập dữ liệu nhanh chóng hơn, thu hẹp vùng tìm kiếm và do đó có thể khoanh vùng cho việc dò tìm mỏ dầu bằng phương pháp địa chấn được hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Trên Hình 1.6 là dữ liệu dị thường từ trường thẳng đứng khi có vật sắt từ hoặc mỏ dầu ở dưới biển với cường độ lên tới vài chục nT.
Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:
Sử dụng vật liệu mới, hiệu ứng mới để chế tạo sensơ đo từ trường thế hệ mới, siêu nhạy từ trường trái đất, có khả năng phát hiện một sự thay đổi rất nhỏ của từ trường ở bề mặt trái đất với độ chính xác ở cấp độ nano Testla… Việc nghiên cứu tính toán mô phỏng và đưa ra được cấu hình thiết kế tối ưu dạng dãy gồm nhiều nan mắc song song và gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp trong một đơn cảm biến cho phép tạo ra linh kiện cảm biến đơn trục với độ nhạy cao, đáp ứng được năng lực thực thi của mạch điện tử cho độ phân giải đáp ứng yêu cầu đặt ra trong thuyết minh đề tài.
Các kết quả nghiên cứu được thực hiện trong đề tài được thực hiện từ nghiên cứu cơ bản bao gồm chế tạo nghiên cứu vật liệu đến nghiên cứu ứng dụng để chế tạo ra cảm biến đo từ trường trái đất ứng dụng trong việc khảo sát thăm dò trường địa từ, phát hiện bất cứ một sự thay đổi rất nhỏ nào của từ trường trái đất tại bề mặt từ đó đưa ra các cảnh báo sớm về động đất, giảm thiệt hại cả về người và vật chất. Nội dung nghiên cứu trong đề án đòi hỏi tính liên ngành giữa ngành Khoa học và công nghệ vật liệu, công nghệ linh kiện, điện tử, viễn thông truyền dữ liệu… được tích hợp một cách hệ thống để hình thành một sản phẩm hoàn chỉnh.
Việc triển khai đề tài đồng bộ các lĩnh vực nghiên cứu và phát triển công nghệ liên ngành có thể tạo ra một sản phẩm hoàn chỉnh, vừa tiếp thu được các công nghệ của thế giới, vừa có sáng tạo và bản quyền của Việt Nam (về sensơ). Trước mắt, có thể sử dụng trong dân dụng và quốc phòng, an ninh đặc biệt trong lĩnh vực an ninh biển đảo trong giai đoạn hiện nay.
Thông qua đề tài đã hỗ trợ đào tạo sau đại học và đào tạo đội ngũ cán bộ kỹ thuật làm chủ công nghệ lõi thiết kế chế tạo thiết bị đo từ trường với độ nhạy và độ chính xác cao có khả năng giải quyết các vấn đề kỹ thuật liên quan. Xây dựng nhóm nghiên cứu mạnh về vật liệu và linh kiện từ tính, được Giám đốc ĐHQGHN công nhận năm 2014 và phát triển thành PTN trọng điểm cấp ĐHQGHN năm 2016. Nhóm này vừa có các nghiên cứu công bố được các bài báo quốc tế có uy tín, vừa kết hợp với phát triển sản phẩm ứng dụng.
Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 18165/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
Đ.T.V (NASATI)