CN115803583A - 带量子接收器的磁感应无线雷管 - Google Patents

Abstract

目前有两种类型的电子雷管:有线和无线。有线雷管体积很大，尤其是在地下矿井中。目前的无线雷管被称为磁感应雷管，其直径比有线雷管大得多，生产成本也高得多，并且钻入岩石以将其放置到位的过程也长得多，成本也高得多。本发明涉及一种无线磁感应雷管，该无线磁感应雷管配备有量子无线电，该量子无线电结合有掺杂氮的微型金刚石(2)。所述量子无线电由量子接收器组成，该量子接收器包括一个或多个集成电路，特别地结合了微型金刚石(2)和微波天线系统(5)，该微波天线系统(5)能够增加皮特斯拉范围内的磁场检测灵敏度。

Description

带量子接收器的磁感应无线雷管

前言：

目前市场上的炸药引爆系统(通常被称为“雷管”)一般是电气式雷管。装药通常通过电缆连接至点火系统；点火系统发出电脉冲(延期或不延期)，以优化点火模式。

近年来，采矿业出现了新的“无线”技术，从而优化了生产力并摆脱了电缆束缚。然而，目前使用的新无线技术虽然实现了摆脱电缆束缚的这一主要目标，但其在操作安全方面产生了重大负面附带影响，这一点值得注意。

技术领域

本发明涉及一种配备掺氮金刚石量子无线电装置的微型无线磁感应雷管；所述量子无线电装置能够对所有轴线(X、Y和Z)上的弱磁场进行测量。所述量子无线电装置由一个量子接收器组成；所述量子接收器可以实现无线通信系统的小型化。

背景技术

目前，电子雷管主要分为两大类：有线雷管和无线雷管。有线雷管具有两大突出优势，即：体积极小、制造成本低。另一方面，有线雷管的装放非常麻烦，需要大量的布线工作，特别是对地下矿山而言。因此，行业人员对开发无线雷管的兴趣越来越大。

相比于有线雷管，目前市场上的无线磁感应雷管的直径大得多，制造成本也高得多。此外，由于无线雷管的直径较大，用于凿钻雷管安装孔的钻头的直径也必须与之成正比。因此，凿岩钻孔过程就会耗时更长、成本更高。这些就是无线雷管自约五年前诞生以来从未获得过专利(据我们所知)并且目前尚未广泛使用的原因。目前，无线雷管在行业内的使用率仅约1％。

然而，这些磁感无线雷管有一些非常重要的独特优势：它们不与电缆连接，便于寻找金属线，而且便于自行部署。

如今的无线磁感雷管使用强大的单频表面发射天线(图1，第1项)，使用双频通信系统(FSK)传输二进制信息。

传送的信息通常是发射参数，如“前导码”，用于“唤醒”雷管和选择最佳接收轴、起爆延迟和发射指令。

强大的单频表面发射天线由于其重量和尺寸，可以达到几米的直径，以单轴方式发射信号。地下雷管(图1，第2项)通常放置在任何轴线上的钻孔中(图1，第3项)，特别是当它们位于地下走廊内时(图1，第4项)。因此，雷管应在所有3个轴上配备一个磁场检测系统。所有的天线(X、Y和Z)都应该有足够的距离，以避免它们之间的相互感应干扰。这些天线由缠绕在铁氧体棒上的电线组成，这使得磁场集中在它们内部。每根天线的直径通常至少为2至5厘米。

为了有效，这些天线必须在电容的帮助下进行完美的调谐，形成一个单一频率的谐振电路。这种谐振电路提高了天线的灵敏度，以获得非常窄的频率响应，以消除主要由电网(50/60Hz及其谐波)产生的周围噪声源。即使是天线或电容器特性的微小变化，也会在谐振电路中产生频率偏移，并降低雷管之间增益的均匀性。

在一个标准的发射计划中，必须能够在一个超过1公里见方的区域内同步引爆几百枚雷管，并在地下30米深处引爆。

磁感雷管的通信时间非常长，这是因为必须在起爆程序中加入前导码，前导码最长可达15秒左右。

雷管的电子电路必须通过扫描选择最佳接收轴(选择X、Y或Z天线)，以获得最佳的信号完整性。这迫使发射器在启动与雷管的指令交换之前至少重复3次其前导码序列。不难理解，这些重复导致与雷管同步通信困难的风险大大增加，从而影响了这种操作所需的效率。

目前的无线雷管也给人员带来了很大的安全问题。鉴于发射器的射程较远，这些雷管系统很容易出现不利的操作失误，如在非预定发射序列的区域启动。

例如，在岩石中30米深处的1公里半径范围内，可能计划进行一次射击，但信号很容易被地表上超出这一区域的人误捕捉到。如果在计划区域之外的地方启动雷管，一个操作者或一组操作者可能遭受致命的事故。另一个例子是，在发射计划之外的地区，卡车上的雷管被错误地激活，可能会意外地爆炸。

最后，无线雷管也比标准电雷管对环境的影响要大得多，因为它们的体积较大(会产生废塑料和金属，如铜和铁氧体)。

由于所有这些原因，采矿业正在寻求缩小其无线雷管的尺寸，目前其最小直径约为3厘米。

发明内容

提交的发明旨在创建一个基于磁感原理的无线雷管系统，该系统利用低频磁场与半径超过1公里的埋在地下几十米处的发射器进行通信。

这个无线雷管系统使用了一个量子接收器，它依赖于一种新的磁力计技术，该技术基于一个将一些碳原子替换为氮原子的金刚石，使得该结构对磁场极为敏感。

氮原子在结构内的排列方式使金刚石内的任何磁场矢量都可以被测量。

对这种磁场的检测是通过量子电子学特有的荧光原理实现的。当金刚石被绿色光源(532纳米)照亮时，它出现了红色，其强度与通过它的磁场成正比。

这种红色光谱中的光子强度可以由可见光范围内的光敏电阻来测量。为了测量磁场的频率含量，金刚石被微波场(约2.8GHz)极化。这一原理被称为"泽曼效应"。

因此，利用量子接收器，可以测量一个范围从0赫兹到几千赫兹的宽带磁场的强度，通过略微改变微波极化，可以使用“锁定型”滤波器以极高的灵敏度(≤10皮特斯拉)测量特定频率下的磁场振幅。

量子接收系统包括一个或多个集成电路，以实现无线电的小型化并降低大批量制造的成本。

将被集成在电路中的功能元件包括以下内容：

a.一个带有发光二极管或激光二极管的光源(图2，第1项)；

b.集成在基底内的掺氮微型金刚石(图2，第2项)；

c.基于干涉原理的光学滤波层(图2，第3项)(金属导体阵列相隔几纳米)，形成一个干涉图案，消除532纳米的残余光子，以提高皮奥特拉斯范围内的磁场检测灵敏度；

d.光电探测器单元，用于测量红色范围内的光子数量和测量光源发出的光子强度(图2，第4项)；

e.一个微波天线系统(图2，第5项)，允许微型金刚石均匀地极化，以提高皮特斯拉范围内的磁场探测灵敏度；

f.用于控制磁感信号检测频率的微波激励电路(图2，第6项)；

g.用于从光电探测器单元获取数据的超敏感电路(图2，第7项)；

h.一个“锁定型”的数字滤波器，允许对磁感信号进行数字解调(图2，第8项)。

i.一个可以对炸药进行解码和激活的处理单元(图2，第9项)；

j.冗余处理单元，以确保信息安全，防止与主处理单元故障有关的故障(图2，第10项)；

k.供电电路，为基底的各种元素提供电源(图2，第11项)；

I.一个带有集成点火系统的通信电路(图2，第12项)。

所提交的发明为传统的有线雷管和目前较新的无线雷管所造成的问题提供了一个完整、快速、经济、生态和安全的解决方案，因为:

1.本发明使得有可能消除有线雷管的非常笨重的性质，同时由于微型化，保留了它们的主要优点，即体积小和制造成本低；

2.本发明使目前的无线雷管形式小型化成为可能，使其直径减少40-50％，同时保持其灵敏度(≤10皮特斯拉)；

3.由于直径的减少，本发明有可能通过减少引信的直径和同样地减少钻孔时间来获得显著的效率；

4.本发明使消除轴线天线成为可能，然后由量子接收器取代；

5.本发明允许消除天线选择过程，从而改善发射器和雷管之间的信息传输时间，因为量子磁强计能够同时测量所有轴上的磁场；

6.本发明由于带来了重要的时间节省，也允许在选择时减少集成在无线雷管中的电池的尺寸，或通过保持现有尺寸来增加其自主性；

7.本发明允许雷管的直径减少40-50％，同时保持其灵敏度(≤10皮特斯拉)，允许减少插入雷管所需的钻孔直径；

8.本发明通过简单地调制激励微波场，可以同时检测几个频率(多频接收)；

9.本发明通过多频接收器，允许在量子接收器检测到便携式短程保护系统发出的预定信号模式时，可以选择在某些区域暂时停用雷管，从而大大改善工艺的安全性；

10.本发明至少减少了50％与当前无线雷管的制造和使用有关的负面环境足迹，这些雷管由于尺寸和材料较大，产生了非常多的废塑料和金属，如铜和铁氧体。

附图说明

图1：无线雷管系统在其环境中的整体视图，显示它们被安装在所有可能的轴线上的地下。

图2：集成在无线雷管中的量子基底的整体视图。

Claims (3)

1.本发明的实施方案，对其要求有专属的所有权或特权，其内容如下：

一种微型超灵敏(≤10皮特斯拉)磁感起爆雷管，具有无线通信功能并包括一个掺氮金刚石量子接收器；

2.一种包括多频量子接收器的雷管；

3.一种包括使用多频量子接收器的区域保护系统的雷管。

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