Устройство для измерения намагниченности образца во внешнем нестационарном магнитном поле Российский патент 2025 года по МПК H01F5/02 G01N27/72 

Изобретение относится к технике измерения намагниченности веществ в импульсном или переменном магнитном поле.

Известно устройство датчика с аксиальной намоткой, описанное в работе S. Takeyama et al., J. Phys. E: Sci. Instrum. 21, 1025, 1988. Датчик (фиг. 1) содержит две соосные катушки, намотанные на одинаковый диаметр и содержащие одинаковое число витков, расположенные на расстоянии друг от друга и соединённые в электрическую цепь последовательно. Во внешнем магнитном поле с направлением магнитной индукции, параллельным оси катушек, в них наводятся электродвижущие силы противоположных знаков. В одну из катушек помещается исследуемый образец. Недостатком данной конструкции является зависимость сигнала датчика от однородности магнитного поля вдоль оси катушек.

Наиболее близким устройством (прототип), является устройство индукционного датчика измерения намагниченности исследуемого образца в нестационарном магнитном поле с радиальной намоткой, описанное в работе S. Takeyama et al., J. Phys. E: Sci. Instrum. 21, 1025, 1988. Датчик (фиг. 2) содержит две катушки с параллельными осями, намотанные на одинаковый диаметр, содержащие одинаковое число витков и находящиеся в одной электрической цепи. Во внешнем магнитном поле с направлением магнитной индукции, параллельным оси катушек, в них наводятся электродвижущие силы противоположных знаков. В одну из катушек помещается исследуемый образец. Особенность устройства данного датчика состоит в том, что катушки расположены параллельно друг другу. Эта особенность позволяет уменьшить вклад в полезный сигнал от продольной неоднородности магнитного поля. Прототип предназначен, в первую очередь, для выполнения измерений намагниченности образца в импульсных сильных и сверхсильных (>100 Тл) магнитных полях (одновитковый соленоид, устройства электродинамического и взрывного сжатия магнитного потока).

К недостаткам прототипа относится чувствительность сигнала датчика к неоднородности магнитного поля в перпендикулярном к осям катушек направлении. Данный недостаток усугубляется в устройствах взрывного сжатия магнитного потока типа МК-1, где возникающая в поперечном направлении неоднородность продольной компоненты напряжённости магнитного поля обусловлена магнитогидродинамическими процессами в схлопывающейся проводящей оболочке и, таким образом, отсутствует прямо пропорциональная связь между поперечным градиентом и значением напряжённости магнитного поля, характерная для соленоидов сильного магнитного поля. Наличие вклада в сигнал от неоднородности магнитного поля приводит к систематической погрешности измерения намагниченности образца и снижает точность измерения прототипом.

В связи с этим возникает техническая задача повышения точности измерения намагниченности образца.

Технический результат заключается в повышении точности измерения намагниченности образца за счет снижения систематической погрешности, обусловленной неоднородностью магнитного поля в направлении перпендикулярном осям катушек.

Дополнительный технический результат заключается в увеличении электрической прочности конструкции.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения намагниченности образца во внешнем нестационарном магнитном поле, содержащем первую пару цилиндрических катушек одинакового сечения с одинаковым числом витков, которые имеют параллельные оси, ориентированные вдоль направления внешнего магнитного поля, причем катушки включены в электрическую цепь последовательно, а направления намотки катушек выбраны так, чтобы знаки электродвижущей силы, возникающей в катушках под действием изменяющегося внешнего магнитного поля, были противоположными, и при этом внутри одной из катушек расположен исследуемый образец, а электрическая цепь подключена к регистратору электрических сигналов, новым является то, что в этой электрической цепи дополнительно последовательно включена вторая пара таких же катушек с тем же сечением и числом витков, каждая из которых расположена на одной оси с соответствующей катушкой первой пары, а направление намотки, выбрано так, чтобы знаки электродвижущих сил в находящихся на одной оси катушках первой и второй пар были противоположными.

В частном случае, если оси пространственно разнесены, намотка пар катушек выполняется поочередным добавлением витка в каждую катушку из этой пары.

Может быть установлен второй экземпляр образца внутри катушки второй пары так, что экземпляры образцов находятся в катушках, знаки электродвижущих сил которых совпадают.

Включение второй пары катушек указанным способом позволяет уменьшить, а в идеальном случае - исключить вклад радиальной неоднородности магнитной индукции. Также указанное подключение катушек снижает, а в идеальном случае - исключает, вклад возможной продольной неоднородности магнитного поля, которая могла бы появиться из-за удлинения датчика. Размещение дополнительного экземпляра образца того же материала внутри катушки второй пары,так, что экземпляры образцов находятся в катушках, знаки электродвижущих сил которых совпадают, позволяет увеличить полезный сигнал в два раза. Возможное увеличение электропрочности датчика описано в работе Kudasov et al., JETP Lett., Vol. 68, No. 4, 350, 1998.

Устройство для измерения намагниченности образца во внешнем нестационарном магнитном поле (индукционный датчик) (фиг. 3) содержит две катушки с пространственно разнесенными параллельными осями, намотанные на одинаковый диаметр, содержащие одинаковое число витков и находящиеся в одной электрической ветви. Во внешнем нестационарном магнитном поле с направлением магнитной индукции, параллельным оси катушек, в них наводятся электродвижущие силы противоположных знаков. В одну из катушек помещается исследуемый образец. Особенность устройства данного датчика состоит в том, что добавление витков в катушки во время намотки происходит поочерёдно в каждую катушку. Эта особенность позволяет увеличить электрическую прочность конструкции. Данный вариант устройства предназначен, в первую очередь, для выполнения измерений намагниченности образца в импульсных сверхсильных (>100 Тл) магнитных полях (одновитковый соленоид, устройства электродинамического и взрывного сжатия магнитного потока).

Изобретение поясняется фигурами.

На фиг.1 показан индукционный датчик измерения намагниченности с аксиальной намоткой по устройству аналогу.

На фиг.2 показан индукционный датчик измерения намагниченности с радиальной намоткой по устройству прототипу.

На фиг.3 показан индукционный датчик измерения намагниченности с радиальной намоткой и поочерёдным добавлением витков в каждую катушку.

На фиг.4 схематично изображен индукционный датчик измерения намагниченности, состоящий из 4-х катушек, где

1 - полые трубки, ориентированные вдоль направления внешнего магнитного поля;

2 - четыре одинаковые катушки с параллельными осями;

3 - образец, размещённый в одной из трубок внутри 1-й катушки;

4 - витая пара, предназначенная для присоединения к регистрирующему устройству.

На фиг.5 показана фотография индукционного датчика измерения намагниченности, состоящего из 4-х катушек.

Устройство (фиг. 4) работает следующим образом. Для определённости поместим экземпляр образца в первую катушку. В устройстве во внешнем нестационарном продольном к осям катушек магнитном поле напряжённости $$H$$ по закону Фарадея в $$i$$-ой катушке ($$i=\mathrm{1,2,3,4}$$) генерируется ЭДС индукции $${\epsilon }_i$$, определяемая суммарной площадью $$S_i$$ витков катушки, скоростью изменения магнитного поля в этой катушке и наличием экземпляра образца в этой катушке

,

,

,

,

где μ₀ - магнитная постоянная, S_обр - эффективная площадь образца, $$\dot{M}$$ - скорость изменения намагниченности экземпляра образца. Соединение катушек в электрическую цепь вышеописанным способом (фиг. 4) ведёт к тому, что в парах «ЭДС1 и ЭДС4» и «ЭДС2 и ЭДС3» знаки ЭДС совпадают и суммарная ЭДС устройства определяется согласно формуле

,

где - сигнал с пустого датчика (сигнал раскомпенсации). Наличие сигнала раскомпенсации ведёт к систематической погрешности при измерении намагниченности экземпляра образца, поэтому следует предпринимать меры, уменьшающие его.

При изготовлении катушек одинаковой площади ненулевой сигнал раскомпенсации обусловлен только неоднородностью магнитного поля

Как следует из последней формулы, именно чередование знаков ЭДС катушек позволяет уменьшить в результирующем сигнале раскомпенсации вклады от неоднородного распределения магнитного поля по катушкам за счёт их взаимного ослабления.

В примере конкретного выполнения устройство состоит из четырёх катушек, намотанных на двух полых акриловых трубках и соединённых друг с другом согласно описанию. Каждая катушка состоит из 10 витков и намотана проводом ПЭТВ-2 диаметра 90 мкм по изоляции на акриловой трубке диаметром 3 мм, длина намотки составляет 2 мм. Расстояние между катушками, расположенными на одной трубке, составляет 50 мм. Диаметр внутренней полости акриловой трубки составляет 2 мм.

Использование: для измерения намагниченности веществ в импульсном или переменном магнитном поле. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения намагниченности образца во внешнем нестационарном магнитном поле содержит первую пару цилиндрических катушек одинакового сечения с одинаковым числом витков, которые имеют параллельные оси, ориентированные вдоль направления внешнего магнитного поля, причем катушки включены в электрическую цепь последовательно, а направления намотки катушек выбраны так, чтобы знаки электродвижущей силы, возникающей в катушках под действием изменяющегося внешнего магнитного поля, были противоположными, и при этом внутри одной из катушек расположен исследуемый образец, а электрическая цепь подключена к регистратору электрических сигналов, дополнительно последовательно включена вторая пара таких же катушек, каждая из которых расположена на одной оси с соответствующей катушкой первой пары, а направление намотки выбрано так, чтобы знаки электродвижущих сил в находящихся на одной оси катушках первой и второй пар были противоположными. Технический результат: обеспечение возможности снижения систематической погрешности измерения намагниченности, обусловленной неоднородностью магнитного поля. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для измерения намагниченности образца во внешнем нестационарном магнитном поле, содержащее первую пару цилиндрических катушек одинакового сечения с одинаковым числом витков, которые имеют параллельные оси, ориентированные вдоль направления внешнего магнитного поля, причем катушки включены в электрическую цепь последовательно, а направления намотки катушек выбраны так, чтобы знаки электродвижущей силы, возникающей в катушках под действием изменяющегося внешнего магнитного поля, были противоположными, и при этом внутри одной из катушек расположен исследуемый образец, а электрическая цепь подключена к регистратору электрических сигналов, отличающееся тем, что в этой электрической цепи дополнительно последовательно включена вторая пара таких же катушек, каждая из которых расположена на одной оси с соответствующей катушкой первой пары, а направление намотки выбрано так, чтобы знаки электродвижущих сил в находящихся на одной оси катушках первой и второй пар были противоположными.

2. Устройство по п.1, в случае, если оси пространственно разнесены, намотка пар катушек выполняется поочередным добавлением витка в каждую катушку из этой пары.

3. Устройство по п.1, в котором второй экземпляр образца установлен внутрь катушки второй пары так, что экземпляры образцов находятся в катушках, знаки электродвижущих сил которых совпадают.