Mediciones del magnetómetro

1. Mediciones del magnetómetro

Se utilizó un magnetómetro de roca DC-SQUID (2G Enterprises modelo 755) alojado en el Laboratorio de Magnetismo Natural de la ETH de Zúrich se utilizó para escanear las muestras del detector de atrapamiento.

La calibración del magnetómetro se llevó a cabo con un método de convolución aplicado a un dipolo y se verificó de forma cruzada utilizando solenoides largos y delgados que imitan un monopolo de carga magnética [39].

Se utilizaron dos solenoides de 25 cm de longitud con diferentes áreas de bobina y diferente número de vueltas se utilizaron con corrientes que variaban de 0,01 a 10 A. La respuesta del magnetómetro se midió como lineal y simétrica a la carga en un rango correspondiente a 0,1 - 300gD.[pic 1]

Después de la calibración, la corriente medida se traduce en unidades de corriente esperadas de el paso de una carga magnética de Dirac,  con una incertidumbre estimada del 10% en la constante de calibración obtenida al comparar los diferentes métodos independientes [39]. Se midió una muestra de dipolo de calibración de momento magnético bien conocido al comienzo de cada corrida, con valores de corriente que se encontraron consistentes dentro del 1%, asegurando que la constante de calibración permaneciera estable. Cada una de las 606 muestras de aluminio del detector de atrapamiento pasó al menos una vez por el magnetómetro, la mayoría durante una campaña de medición en septiembre de 2013. Aproximadamente una de cada diez mediciones se realizó con un soporte de muestras vacío para la sustracción de la desviación.[pic 2]

El porta muestras del magnetómetro SQUID es un largo tubo telescópico de fibra de carbono que se extiende completamente a lo largo del eje de las bobinas de detección cuando está en la posición inicial, la muestra se coloca en la posición de máxima extensión y luego se mueve lentamente hacia atrás a través de las bobinas de detección hasta una posición final de mínima extensión del brazo porta muestras. Las impurezas de los dipolos magnéticos dentro de la muestra y del porta muestras pueden inducir corrientes en las bobinas. La figura 2 muestra las mediciones con una muestra de 20 cm en 76 posiciones diferentes antes, durante y después del paso por las bobinas de detección, tras restar las mismas mediciones con un porta muestras vacío. Puede observarse que la magnetización del propio porta muestras es del mismo orden que la magnetización típica de la muestra. Este proporciona un ejemplo de un perfil de respuesta típico del magnetómetro en función de la posición de la muestra. Una emulación de la respuesta esperada si un monopolo positivo o negativo estuviera en la muestra se da en la figura sumando o restando las mediciones obtenidas con un solenoide largo a escala de la corriente esperada de un monopolo de Dirac . Con un monopolo presente se registraría una corriente persistente sustancialmente diferente de cero. Por lo tanto, la firma del monopolo se mide en términos de la corriente persistente, definida como la diferencia entre las corrientes medidas después y antes del paso de la muestra a través de la bobina de detección, una vez ajustada la contribución del porta muestras.[pic 3]

Siempre que la corriente persistente difiere de cero en más de 0,25gD la muestra se consideraba candidata y se medía de nuevo varias veces. Los saltos espurios provocaban esto en ∼2% de las mediciones. Una muestra que contiene un monopolo genuino arrojaría sistemáticamente el mismo valor en las mediciones repetidas, mientras que se medirían valores repetidamente consistentes con cero cuando no hay monopolo. En la figura 3 se muestran múltiples mediciones de candidatos potenciales se muestran en la figura 3. En todos los casos en los que la primera medición mostró una gran fluctuación, las subsiguientes mediciones de comprobación adicionales de la misma muestra fueron consistentes con cero.

Se observó que los saltos se producían con mayor frecuencia en determinados periodos en los que la respuesta del magnetómetro era menos estable de lo habitual. Las inestabilidades pueden ser causadas por varios factores instrumentales y ambientales conocidos, entre ellos: saltos de flujo espurios que se producen cuando se aumenta la velocidad de giro [40] como, por ejemplo, cuando una muestra contiene impurezas ferromagnéticas o cuando se pasa una muestra grande por la bobina de detección a alta velocidad; corrientes de ruido en la bobina de detección. impurezas ferromagnéticas o cuando una muestra grande pasa por la bobina de detección a gran velocidad; corrientes de ruido en el bucle de retroalimentación del SQUID; la acumulación de agua condensada y hielo en el tubo del magnetómetro cerca de la región de detección fría; vibraciones físicas y golpes; pequeñas (∼mm) en la posición inicial del soporte de la muestra de una corrida a otra; y las variaciones en los campos magnéticos externos, en particular el campo geomagnético, pero también posiblemente los campos procedentes de la actividad de las líneas eléctricas de alta tensión en las proximidades del laboratorio. Las variaciones suaves de los campos magnéticos externos también provocan la desviación de la corriente, normalmente en un valor correspondiente a 0,05gD en el transcurso de una hora. Entre las precauciones que se toman a intervalos regulares para minimizar los saltos y las derivas de la corriente de la bobina SQUID se incluyen: la limpieza del tubo del magnetómetro SQUID por el que pasan la muestra y el porta muestras; el reajuste del desplazamiento de la corriente SQUID; y la realización de mediciones frecuentes del porta muestras vacío. Estas medidas de seguridad ayudan a mitigar el impacto de los efectos sistemáticos en la resolución de la carga magnética.

[pic 4]

Figura 2. Perfil de respuesta del magnetómetro a lo largo del eje del tubo para el porta muestras vacío (izquierda) y una muestra típica de aluminio del detector de atrapamiento después de restar la respuesta de del porta muestras vacío (derecha). La muestra de 20 cm está dentro de la región de detección para posiciones longitudinales posiciones entre 110 mm y 310 mm. Las líneas sólidas simplemente conectan los puntos. Las líneas discontinuas muestran las respuestas cuando la medición de un solenoide largo se suma y se resta para emular la presencia de un monopolo de Dirac en la muestra.

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Figura 3. Resultados de las mediciones múltiples de la corriente persistente (en unidades de la carga de Dirac) para las 12 muestras que dieron valores grandes ) en la primera medición. Los repetidos valores medidos consistentes con una carga magnética cero muestran que la primera medición fue afectada por un salto espurio. Las flechas indican los valores que están fuera de la escala del gráfico.[pic 6]

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Figura 4. Carga magnética (en unidades de la carga de Dirac) medida en las 606 muestras de aluminio del detector de atrapamiento MoEDAL 2012. Las mediciones se presentan para días individuales en la parte superior: las inestabilidades relativas del SQUID pueden verse para el 10 de septiembre y la segunda mitad del 17 de septiembre, y la característica de diente de sierra más claramente visible para el 11 de septiembre se produce por las derivas de desplazamiento debidas a las variaciones de los campos magnéticos externos combinadas con la escasez de mediciones de soportes vacíos. El gráfico inferior muestra los mismos datos en forma de histograma.

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