Build a DIY magnetometer with a couple of seasoning bottles

Japanese Translation:

現在の要約はすべての主要ポイントを明確かつ簡潔に捉えているため、改善は不要です。

オリジナル再掲：

ドイツ人エンジニアが非常に低価格（$100未満）でプロトン回転磁力計を開発し、誰でもヘッドフォンを通じて地球の磁場を「聞く」ことができるようにしました。この装置は単純なDC極化水、電源ラインノイズを打ち消すための2つの逆巻きコイル、および安全スイッチング用のMOSFETベースの高出力ゼナーダイオードを使用しています。タンク回路は約2 kHzの回転周波数に合わせて調整され、Spectrum Labソフトウェアで確認された結果、局所的な地磁気値と約1％以内で一致しました。この装置は2022年に設計され、2025年12月に「Listening to Protons」として公開されました。標準の22ゲージワイヤーと113グラムのモートン調味料ボトル2本を使用しているため、日常品から低コストプロトタイプを構築できることが示されています。記事では将来的な改良点として、高い極化電圧（36 V）を用いてより強い信号を得ることや、鉄分のない環境で屋外運用して磁性物体からの干渉を避けることが提案されています。この磁力計は、学生・趣味人・研究者が高価な装置なしに地磁気測定を実験できる道を開き、低コスト教育キットや環境モニタリング・地球物理学のポータブルセンサーへのインスピレーションとなる可能性があります。

プロトンを聴く

MRI スキャンを受けると、装置は核磁気共鳴（NMR）という現象を利用します。水分子中の水素原子など、特定の種類の原子核は磁場内で振動させることができ、その振動をワイヤーコイルで検出できます。MRI スキャナーは数十メガヘルツから数百メガヘルツの共鳴周波数を作り出す強力な磁場を用います。

NMR を利用した別の装置は、より低い周波数で振動する「プロトン・プリセッションマグネトメーター」です。これは地球の磁場を測定するためによく使われます。プロトン・プリセッションマグネトメーターは何十年も前から存在し、かつて考古学や鉱物探査で一般的に使用されていました。高性能モデルは数千ドルしますが、2022 年にドイツのエンジニアアレクサンダー・ムームが極めてシンプルな回路を設計しました。

私は最近彼の回路を作り、22 ガウス線（重さ 22 g）で半キログラム未満、2 本の一般的な集積回路、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）、数個のディスクリート部品、および 113 グラムの空の Morton シーズニングボトルを使えば、地球磁場を非常に正確に測定できることを証明できます。

プロトンが地球磁場内でプリセッションする際に放出される信号は音域にあります。
ヘッドホンと 2 本の増幅集積回路を使えば、コイルに巻き付けたシーズニングボトル中の水からの信号を検出できます。
MOSFET はコイルを高速で制御するために使用します。
増幅回路は 9 ボルト電池で駆動し、36 ボルト電池がコイルを充電します。

原理

MRI スキャナーと同様に、プロトン・プリセッションマグネトメーターは水素核（プロトン）の振動を測定します。プロトンは「スピン」と呼ばれる量子特性を持ち、磁場中で回転するトップのように揺れます。この揺れがコーン状の軌道を描く現象をプリセッションといいます。マグネトメーターは多くのプロトンを同期して揺らせ、その揺れの周波数（環境磁場強度に比例）を測定します。

地球磁場は MRI の磁場より弱いため、プロトンは音域で揺れます。十分な数が同時に揺れると、回転するプロトンが近くのピックアップコイルに電圧を誘導します。その電圧を増幅しイヤホンへ送ることで可聴な音色が得られます。

ピックアップコイルの作り方

コイル型 – Morton シーズニングボトルは優れた型です。
- サイズで 22 ガウス線（約 450 g）を 500 回巻くことができます。
- 両端にある鋳造部品が滑らかなコイル端を形成します。
デュアルコイル – 反対向きに巻いた 2 本のコイルを直列に接続すると、電力線などから来る外部ノイズを打ち消しつつプロトン信号を強化できます。

安全注意: 室内や鉄製物質近くで試さないでください。

マグネトメーターのモード

DC ポリマイズ – コイルに DC 電流を流してプロトンを整列させます。
崩壊（Collapse） – 電源を切ると磁場が崩れ、瞬間的に高電圧が発生します。
リスニング – コイルを感度の高いオーディオ増幅器に接続します。

ムームは 3 位置スイッチでモード切替を行います：

スイッチ位置	モード
1	DC ポリマイズ
2	崩壊
3	リスニング

崩壊モードは高電圧で火花が発生する可能性があります。ムームは MOSFET を高出力ゼナーダイオードのように接続し、コイルへの過電圧を制限して安全に切替します。

リスナーのチューニング

強い信号を拾うためには、リスニング回路が期待されるプロトンプリセッション周波数（多くの場合約 2 kHz）で共振する必要があります。

磁場強度を推定 – オンラインの地磁気計算機で現地のテラにおける磁場値を取得。
周波数を計算 – テラ × 42.577 MHz/T（プロトンのギャリック比） = 周波数。
タンク回路設計 – コイルインダクタンスを直径と巻き数から推定し、目標周波数で共振するコンデンサを選択。

周波数発生器とオシロスコープで調整するか、ムームの提案通りに小型スピーカーを出力に接続し、ピックアップコイル近くへ置いて磁気フィードバックによる自己振動を誘導します。音色の周波数を測定し、タンクコンデンサを調整して目標周波数に合わせます。

実践的なヒント

勾配は避ける – プロトンマグネトメーターは大きな磁場勾配に敏感です。鉄パイプ、車両、地面近くを避けてください。
より強いポリマイズ電圧 – 36 V バッテリーの方が 12 V よりもポリマイズモードで効果的です。
屋外設置 – コイルは広い開放空間に配置し、地面から離してください。

結果

チューニングと上記の指針を守れば、プロトンの音色が簡単に聴こえます。ボトル内の水が抜けるとトーンは消失します。無料のオーディオ解析ソフト（Spectrum Lab）で確認したところ、トーン周波数は現地磁場に約 1 % の精度で一致しました。実用的なフィールド機器ではありませんが、10 万円未満で作成できるプロトン・プリセッションマグネトメーターは、プロトンの可聴性とシンプルなアナログ回路の威力を示しています。

この記事は「Listening to Protons」として 2025 年 12 月号に掲載されています。