Способ создания в исследуемых объектах локальных электрических и магнитных полей Российский патент 2017 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к электромагнетизму и может быть использовано для одновременного исследования магнитного, электронного и кристаллического микросостояния объектов.

В частности известно, что физические свойства высокотемпературных сверхпроводников очень чувствительны к незначительным пространственным неоднородностям, так как их длина когерентности является величиной одного порядка по сравнению с межатомным и межэлектронным расстояниями. Следовательно, исследование особенностей проникновения магнитного потока в такие среды имеет большое научное и прикладное значение. Обычно для исследования пространственных неоднородностей используют разного рода микроскопы, которые позволяют наблюдать интегральные характеристики сверхпроводников, так как внешнее поле после его выключения или уменьшения плавно выходит из образца и частично захватывается образцом. Это обстоятельство не позволяет одновременно получить информацию о магнитной и кристаллографической микроструктурах образца [1, 2]. Также известно, что одновременно изучать магнитную и кристаллографическую микроструктуру образцов возможно с помощью дифракции нейтронов. Однако, несмотря на то, что распределение полей регистрируется локально, эта методика так же, как и известные к настоящему времени методики, является интегральной, так как магнитная структура образца исследуется в однородном магнитном поле или после его плавного снятия [3].

Традиционно для создания локальных магнитных полей используют концентраторы силовых линии магнитного поля [4], а для создания локальных электрических полей в качестве электродов используют заостренные штыри, на которые подают высоковольтный относительно земли электрический потенциал [5]. Эти способы имеют существенные недостатки. Во-первых, величина области локализации полей ограничена размерами кончиков концентраторов и электродов, а также расстоянием между концентраторами и электродами. Особенно это сильно сказывается тогда, когда исследуются толстые образцы из-за эффекта растекания поля на толщине образца. Электроды быстро выходят из строя из-за разогрева их кончиков. Для регистрации сигнала отклика необходимо сначала приблизить концентраторы к образцу, а потом, с целью исключения влияния остаточных (захваченных) в концентраторах магнитных полей на результаты измерения, отодвигать концентраторы от объекта. Эти требования усложняют конструкцию установки. Делают способ дорогостоящим и не надежным. Кроме этого, эти методики не позволяют одновременно создавать локальные электрические и магнитные поля. Для каждого случая необходимо применять свою установку. Для решения этих проблем разработка новых прецизионных методик на принципиально другой физической основе является актуальной задачей. В настоящее время нам не известны способы, решающие аналогичные задачи.

Техническим результатом изобретения является создание в исследуемых объектах в одном цикле локальных электрического и магнитного полей, а также повышение пространственного разрешения электромагнитного поля за счет повышения степени локализации электрического и магнитного полей.

Технический результат достигается тем, что в способе создания в исследуемых объектах локальных электрических и магнитных полей, включающем размещение объекта либо внутри соленоида, либо между обкладок конденсатора управляемого колебательного LC-контура, вначале с помощью источника тока заряжают соленоид, затем отключают источник тока и подключают к соленоиду конденсатор, при этом созданное в соленоиде магнитное поле изменяется по закону , а электрическое поле в конденсаторе по закону , где H_i,j и E_i,j - заданные напряженности магнитного и электрического полей, Ω - заданная частота колебаний, β - заданная скорость затуханий колебаний, t - время, i,j=0, 1, 2, …N, где N целое число.

Кроме сказанного, отличительной особенностью от обычного способа возбуждения электромагнитных колебаний в пассивных и активных LC контурах, где фаза колебания произвольна, предлагаемый способ позволяет фиксировать фазу, что очень важно не только для создания нужных полей, но и проведения исследования селективным образом.

На фиг. 1 представлена блок-схема установки для реализации способа, где 1 - исследуемый объект, 2, 3, 4 - токовые ключи, 5 - блок управления, 6 - биполярный источник тока.

Способ реализуется следующим образом: при одновременном поступлении в токовые ключи 2 и 3 от блока управления (компьютера) 5 импульсов прямой и обратной полярности происходит соединение регулируемого биполярного разрядного источника тока 6 с соленоидом L. Таким образом происходит накопление магнитной энергии в соленоиде. При смене полярностей импульсов, поступающих от блока управления 5 в токовые ключи 2 и 3, происходит отключение биполярного источника тока 6 и включение в цепь соленоида L емкости С. Это приводит к зарядке конденсатора C и к преобразованию магнитной энергии в электрическую. В результате последовательных преобразований магнитной энергии в электрическую, и наоборот, в LC-контуре возникает однополярное переменное затухающее во времени магнитное поле H(t)=H_iexp(-βt)cosΩt. В этом выражении β=r/(2L) - коэффициент затухания, Ω=(ω²-β²)^1/2 - собственная частота колебательного контура, ω²=1/(LC). Так как амплитуда колебания H_iexp(-βt) экспоненциально затухает от значения H_i до нуля, захват потока от переменного поля не происходит и фиксируется только от поля H_i. При получении от блока управления 5 управляющего импульса о смене полярности выходного напряжения биполярного источника 6 через соленоид L протекает ток обратного направления. В этом случае процесс накопления магнитной энергии в L, зарядка и разрядка емкости С происходят аналогично вышеописанному способу. В результате в LC-контуре создается осциллирующее затухающее во времени переменное высокостабильное однородное магнитное поле отрицательной полярности H(t)=-H_jexp(-βt)cosΩt.

На фиг. 2 приведена временная зависимость поля H(t) для произвольных параметров LC контура: 2.1 - для случая положительной полярности выходного напряжения источника 6; 2.2 - для случая отрицательной полярности выходного напряжения источника 6. С помощью изменения индуктивности L и емкости С можно обеспечить устойчивую работу LC контура в широком частотном диапазоне. Амплитуду, частоту и скорость затухания магнитного поля можно задавать независимо друг от друга в широком диапазоне.

Для создания постоянного однополярного или биполярного однородного магнитных полей от блока управления 5 в токовый ключ 4 поступают разнополярные импульсы, которые отключают из цепи емкость С и включают в цепь резистор R. Биполярный источники тока 6, подробно описанный в [6], представляет собой управляемый двоичным кодом биполярный преобразователь код-ток, построенный по принципу биполярного источника. Путем чередования переключений выходных напряжений источника 6 в LC-контуре будет создаваться осциллирующее затухающее во времени высокостабильное биполярное переменное однородное магнитное поле . Для создания в образце локального электрического поля исследуемый объект помещается между обкладками конденсатора С. Благодаря использованию в качестве задающего поля фронта переменного затухающего магнитного и электрического полей H(t), E(t) существенно улучшается пространственное разрешение магнитных и электрических микроскопов и повышается точность измерения. Это, в отличие от традиционных методик, позволяет одновременно исследовать кристаллические, электронные и магнитные микросостояния объектов и установить взаимосвязь между ними, а также обнаруживать незначительные пространственные разбросы локальных характеристик образца и изучить их влияние на диэлектрические и магнитные свойства объектов. Так, например, использование переменного затухающего во времени магнитного поля H(t) в качестве зондирующего поля позволило в отличие от высокоинформативных методов рентгенографического анализа и сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения (позволяющие обнаружить границы двойникования размером до 50 ) в сильных внешних магнитных полях в эпитаксиальных пленках, монокристаллических и монодоменах квазимонокристаллических ВТСП образцах обнаружить и исследовать границы двойникования мелкого масштаба, являющиеся замаскированными со стороны границ двойникования больших размеров. Между тем, проведение такого рода анализа позволит получить полезную информацию о магнитном микросостоянии (локальных критических параметров монодоменов, кристаллитов и субкристаллитов, а также междоменных, межкристаллитных и межсубкристаллитных слабых связей; энергии междоменных, межкристаллитных и межсубкристаллитных джозефсоновских переходов; энергии конденсации в монодоменах, кристаллитах и субкристаллитах; сил пиннингов в них и т.д.) и кристаллографического микросостоянии (линейных размерах монодоменов, кристаллитов и субкристаллитов, степени изменения анизотропии; плотности границ двойникования; усиления ближнего порядка с уменьшением размеров монодоменов, кристаллитов и субкристаллитов; а также морфологии разномасштабных дефектов, локализованных дислокаций, пластических деформаций и других возможных дефектов микроструктуры и т.д.) сверхпроводников. Ответы на эти и другие вопросы позволят более подробно установить взаимосвязь кристаллографической и магнитной микроструктур ВТСП и помогут развитию многих перспективных технологий, основанных на использовании ВТСП. Методику можно также использовать для одновременного исследования магнитного и кристаллографического микросостояний ферромагнетиков, антиферромагнетиков, парамагнитных жидкостей, химических и других физических объектов. Путем создания локальных электрических полей разной напряженности, частоты и скорости затухания в широком температурном диапазоне исследовать диэлектрические свойства объектов, а именно такие, как поляризация и деполяризация диэлектриков, переориентация доменов сегнетоэлектриков, антисегнетоэлектриков и т.д. Электромагнитным полем возбуждать локальный звук (фонон) в металлах. Исследовать акустические кристаллы. Кроме этого следует подчеркнуть, что методика позволит в локальном магнитном поле измерить также гальваномагнитные эффекты, например, такие как проводимость, магнитосопротивление и эффект Холла. Заменяя датчик Холла на микросоленоид, внутри которого будет помещен образец, можно в локальном поле измерить интегральные характеристики образца, такие как магнитный момент, магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость образца и т.д. Сопоставление локальных и интегральных магнитных и диэлектрических свойств объектов, которые изучались в локальных и нелокальных однородных постоянных и переменных электромагнитных полях, может послужить хорошим информативным способом для построения моделей адекватного описания физических и химических свойств объектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Zola D., Polichetti M., Senatore C. et al. // Phys. Rev. B. 2004. V. 70. P. 224504.

2. Jooss Ch., Albrecht J., Kuhn H. et al. // Rep. Prog. Phys. 2002. V. 65. P. 651.

3. Забенкин B.H., Аксельрод Л.А., Воробьев А.А. и др.// Письма в ЖЭТФ. 1999. Т. 70. С. 771.

4. Ozmanyn Kh. R., Sandomirskii V.В. and. Sukhanov A.A.. Supercond. Sci. Technol. 255 (1990).

5. Воннегут Б., Мур Г.Б. Журнал геофизических исследований. Т. 67. США: 1962, N 3.

6. Ростами X.Р. Преобразователь код-ток// Патент RU N 2007862 С1, 15.02.94., Бюл. №3.

Изобретение относится к электромагнетизму и может быть использовано для одновременного исследования магнитного, электронного и кристаллического микросостояния объектов. Способ создания в исследуемых объектах локальных электрических и магнитных полей содержит этапы, на которых осуществляют размещение объекта либо внутри соленоида, либо между обкладок конденсатора управляемого колебательного LC-контура, при этом вначале с помощью источника тока заряжают соленоид, затем отключают источник тока и подключают к соленоиду конденсатор, при этом созданное в соленоиде магнитное поле изменяется по закону , а электрическое поле в конденсаторе по закону , где H_i,j и E_i,j - заданные напряженности магнитного и электрического полей, Ω - заданная частота колебаний, β - заданная скорость затуханий колебаний, t - время, i, j=0, 1, 2, … N, где N целое число, а фаза является фиксированной и равной нулю. Технический результат – повышение точности измерения и улучшение пространственного разрешения магнитных и электрических микроскопов. 3 ил.

Способ создания в исследуемых объектах локальных электрических и магнитных полей, включающий размещение объекта либо внутри соленоида, либо между обкладок конденсатора управляемого колебательного LC-контура, при этом вначале с помощью источника тока заряжают соленоид, затем отключают источник тока и подключают к соленоиду конденсатор, при этом созданное в соленоиде магнитное поле изменяется по закону , а электрическое поле в конденсаторе по закону , где H_i,j и E_i,j - заданные напряженности магнитного и электрического полей, Ω - заданная частота колебаний, β - заданная скорость затуханий колебаний, t - время, i, j=0, 1, 2, … N, где N целое число, а фаза является фиксированной и равной нулю.