МАГНИТОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01R33/24 

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для абсолютных измерений индукции магнитного поля в диапазоне 0,5•10^-4 Тл 16 Тл с использованием одного датчика.

Цель изобретения расширение диапазона и повышение точности.

На чертеже представлена блок-схема магнитомера.

Магнитомер содержит источник 1 света, волоконный световод 2, фотодетектор 3, резистор 4, конденсатор 5, катушку 6 индуктивности, устройство 7 с рабочими веществами, катушки 8 модуляции магнитного измеряемого поля, генератор 9 модуляции, диод 10, узкополосный усилитель 11, синхронный детектор 12, регистрирующий прибор 13, широкодиапазонный генератор 14, частотомер 15.

Магнитомер работает следующим образом.

Промодулированный генератором 14 световой поток источника 1 проходит через волоконный световод 2 и поступает на фотодетектор 3, ток которого с частотой, равной частоте широкополосного генератора 14, через резистор 4 и конденсатор 5 проходит по катушке 6 индуктивности и создает в ней линейно осциллирующее поле. При выполнении условия 2πf_o=γB_o (где f_о резонансная частота осциллирующего поля, γ гиромагнитное отношение протона или электрона, B₀ индукция измеряемого магнитного поля) устройством 7 с рабочими веществами поглощается магнитная энергия катушки, меняется ее добротность и, следовательно, меняется ток через катушку и падение напряжения на резисторе 4. Формируется резонансная кривая поглощения, ширина которой определяется внутриатомными взаимодействиями рабочих веществ. Катушка 8 модуляции подключена к низкочастотному генератору 9. Ток с частотой модуляции f_м <f₀, протекающий по катушке 8, модулирует измеряемое поле и с выхода диода 10 снимается производная кривой поглощения на фиксированной частоте модуляции. Сигнал ЯМР или ЭПР усиливается узкополосным усилителем 11, выход которого подключен к одному входу синхронного детектора 12, а ко второму входу подводится опорное напряжение от генератора 9 модуляции, выход синхронного детектора 12 подключен к регистрирующему прибору 13. Частота в момент резонанса измеряется частотомером 15.

Устройство 7 с рабочими веществами (фиг.2) состоит из двух ампул: внешней 16 и внутренней 17, вставленных одна в другую. Пространство между первой и второй ампулами заполнено веществом 18, например, органическим радикалом с узкой резонансной линией или парамагнитной солью, дающим сигнал ЭПР, а внутренняя ампула 17 заполняется рабочим веществом 19, например водным раствором MnSO₄, дающим сигнал ЯМР. Введение парамагнитных ионов Mn₊ уменьшает время релаксации протонов и исключает насыщение образца радиочастотным полем. Рабочие вещества берутся в соотношении 1:1 по объему. Это уменьшает коэффициент заполнения катушки 6 (фиг.1) одним рабочим веществом и, следовательно, приводит к снижению отношения сигнала к шуму. Однако уменьшение коэффициента заполнения компенсируется отсутствием электромагнитных наводок на волоконный световод и наличием высокочувствительных схем входных каскадов узкополосного усилителя.

Для измерения индукции поля в диапазоне (0,5 250)•10^-4 Тл методом ЭПР необходимо перекрыть частотный диапазон 1 700 МГц. С использованием протонного резонанса указанный диапазон частот позволяет измерять индукцию магнитного поля в пределах 0,025 16 Тл.

Устройство позволяет проводить абсолютные измерения индукции в широком диапазоне магнитных полей с использованием фундаментальных констант-гиромагнитных отношений электрона и протона. При этом датчик может быть только один и удален от основного измерительного блока на достаточно большое расстояние, так как затухание в волоконном световоде незначительное.

При измерении индукции переменного поля необходимо соблюдать определенные условия. Резонансная линия сканируется с конечной средней скоростью зависящей от частоты измеряемого поля и амплитуды индукции B, и это накладывает определенные ограничения на частоту и амплитуду поля. В слабом поле зеемановская частота ω_o=γB мала и, следовательно, адиабатический параметр может оказаться большим и сравнимым с B. С ростом поля скорость сканирования растет и в сильном поле становится сравнимой со скоростью поперечной релаксации спиновой системы τ^-1. В обоих случаях нарушаются условия адиабатического прохождения линии, что приводит к погрешности измерения амплитуды магнитной индукции.

Для наблюдения дифференциального сигнала требуется модуляция измеряемого поля, при этом на частоту модуляции w_м необходимо наложить некоторые ограничивающие условия. С одной стороны, ω_м должна быть меньше ω_o и частоты поперечной релаксации τ^-1 с другой достаточна велика, чтобы имело место усреднение поля модуляции за время q сканирования резонансной линии. Резонанс фиксируется в момент, когда поле достигает своего амплитудного значения.

Использование: контрольно-измерительная техника, в области магнитных измерений для абсолютных измерений индукции магнитного поля в диапазоне 0,5•10^-4 - 16 Тл с использованием одного датчика. Сущность изобретения: устройство состоит из источника 1 света, волоконного световода 2, фотодетектора 3, резистора 4, конденсатора 5, катушки 6 индуктивности, устройства 7 с рабочими веществами 18, 19, заполняющими ампулы 16, 17, вставленными одна в другую, катушки 8 модуляции, генератора 9 модуляции, диода 10, узкополосного усилителя 11, синхронного детектора 12, регистрирующего прибора 13, широкодиапазонного генератора 14 и частотомера 15. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитометр, содержащий перестраиваемый по частоте генератор накачки, частотомер, датчик, коаксиальный кабель, катушки модуляции измеряемого поля, генератор модуляции, последовательно соединенные усилитель, синхронный детектор и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен последовательно расположенными источником света, волоконным световодом и фотодетектором, а также устройством с рабочими веществами, при этом выход фотодетектора одновременно подключен через резистор, конденсатор и устройство с рабочими веществами и непосредственно к диоду, выход которого подключен к входу усилителя, а второй вход синхронного детектора подключен к одному выходу генератора модуляции, второй выход которого подключен к катушкам модуляции измеряемого поля, первый выход генератора накачки подключен к источнику света, а второй к частотомеру. 2. Магнитометр по п.1, отличающийся тем, что устройство с рабочими веществами выполнено в виде двух ампул, вставленных одна в другую, при этом пространство между внешней и внутренней ампулой заполнено веществом, дающим сигнал электронного парамагнитного резонанса, а внутренняя ампула заполнена веществом, дающим сигнал ядерного магнитного резонанса.