Магнитный экран Советский патент 1984 года по МПК G12B17/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может бить исполь зовано длг защиты магниточувствительных элементов различных физических и измерительных приборов и уст новок, например, от составляющих ве тора индукции земного магнитного поля. Непосредственное назначение предлагаемого устройства - избирательное уменьшение интенсивности одной заданной квадратурной компоне ты вектора индукции магнитного поля что позволяет использовать подобный экран совместно с модульным квантовым магнитометром в .качестве, напри мер, измерителя вариаций геометриче ской суммы двух других неослабленны компонент вектора индукции. Известен магнитный экран, содержащий однослойную ферромагнитную оболочку Cl3. Однако данный экран имеет низкий коэффициент анизотропии и невысокую стабильность коэффициента экранирования. Известен также магнитный экран, содержащий m ферромагнитных цилиндр ческих оболочек и немагнитные прокладки, расположенные между ними 2 Данному экрану также свойственна малая анизотропия и низкая стабильность, Применение известных экранов для селективного ослабления одной из компонент вектора индукции магнитног поля полностью исключено, вследствие чего подобные Устройства не могут использоваться для измерительных целей. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей магнитного экрана. Указанная цель достигается тем, что в магнитном экране, содержащем ферромагнитную оболочку с круглым поперечным сечением и п немагнитных прокладок, ферромагнитная оболочка выполнена в виде п стержней, между которыми расположены прокладки, а поперечные размеры стержней и прокла дok выбираются из соотношения Н«4); №Г-т4Г |-| Г где В и Т - линейные размеры соотве ственно ферромагнитных стержней и прокладок в плоскости, ортогонально оси экрана, в направле НИИ, касательном к экра нирующей оболочке; tf- и К соответственно толщина экранирующей оболочки и радиус, поперечного сече ния ее центральной част ий|л.|(и.- соответственно относительная магнитная проницаемость материала ферромагнитных стержней и ее нестабильность; till - минимальная относительная интенсивность вариаций вектора индукции магнитного поля. Кроме того, площади поперечного сечения оболочки в центре экрана и у его торцов выбирают из соотношения 1 1,3, где 5ц и 5ц - соответственно площади поперечного .сечения торцов и центральной части экрана. На фиг. 1-3 представлены различные варианты выполнения магнитного экрана на фиг. 4 - зависимость характеристик экрана от его диаметра 2R, где К, Кд - коэффициенты экранирования в поперечном и продольном направлениях соответственно Магнитный экран содержит ферромагнитные стержни 1 и немагнитные прокладки 2, Поперечные размеры стержней 1 и прокладок 2 ( и t) выбирают много меньше радиуса экрана R « Стержни 1 могут быть пряггаугольного, круглого или квадратного сечения, а прокладки 2 - воздушными о В любом случае выполняется соотношение L , 1з) где С - длина экрана. Устройство работает следующим образом. При помещении экрана BQ внешнее магнитное поле компонента поля, нап.равленная вдоль оси экрана, подавляется практически полностью, поскольку силовые линии магнитного поля замыкаются через стержни 1. Две другие же компоненты поля ослабляются незначительно, ввиду большого магнитного сопротивления в поперечном направлении. Отношение длины L и диаметра 2R экранирующей оболочки данного экрана лежит в диапазоне от двух до четырех. Именно такое соотношение, размеров обычно выбирается у цилиндрических магнитных экранов с открытыми концами, так как при увеличении или . уменьшении этого отношения относительно указанного значения продольный коэффициент экранирования уменьшается. Характеристики предлагаемого экрана в осевом направлении весьма близки к соответствующим характеристикам известных однослойных экранов со сплошной экранирующей оболочкой. В данном случае из-за наличия немагнитных прокладок 2 лишь незначительно уменьшается эффективная относительная магнитная проницаемость /U. экранирующей оболочки в продольном .направлении в сравнении с относлтельной магнитной проницаемостью используемого ферромагнитного матер ала: М (l-v)jU+ V, где V- отноше ние суммарной площади поперечных се чений прокладок к площади поперечно го сечения экранирующей оболочки Эффективную относительную магнит ную проницаемость |U э экранирующей оболочки в поперечном направлении, ортогональном прокладкам, можно опр из 44K-7f l.w где /W - относительная магнитная проницаемость ферромагнитного материала. Тогда коэффициент экранирования в поперечном направлении сост вит . (/vl4-Ь:1, ,„ где f и R - соответственно толщина экранирующей оболочки и ее радиус. Отметим, что рассчитанный по формулам (4 ) и (5 ) коэффициент экранирования К отличается от экспериментальных значений К j (,см. фиг. 41 на 7-10%. В этом случае нестабильность Kj, вызванная, например, темп ратурной нестабильностью магнитной проницаемости - , составит И-1)(й 2 сЛ д(и 2jU.R |U.

r±IZrJlL IZnZrj IiL ErLT.. Левая часть (81 X Ю 0,07 0,12 0,18 0,26 0,36 0,49 Используя таблицу,можно выбрать максимально допустимое значение отношения l/Vf которое обеспечивает достаточную стабильность коэффициента экранирования К и позволяет применять предлагаемое устройство при выде лении искомых вариаций с интенсивностью, превосходящей |Ь| . Устранение мещаюмей продольной компоненты вектора индукции магнитного поля в рабочей полости предлагаемого экрана не вызывает существенных затруднений. Выше отмечено, что в осе вом направлении предлагаемое устройство по своим Характеристикам близко к цилиндрическому экрану со сплошной экранирующей оболочкой. Построение цилиндриче.ского экрана с продольным коэффициентом экранировани порядка 100 - задача легко решаемая. Именно такой коэффициент экранирования в направлении оси должен иметь рассматриваемый экран для эффективного полав

15 В результате в рабочей полости крана возникает вариация Лв индук 1и, например горизонтальной компоненты магнитного поля, обусловленная неконтролируемым изменением дК коэфЛициента экранирования при B const je::-e--tПотребуем, чтобы отношение ДВ/В оставалось меньше минимальной относительной интенсивности tti| искомых вариаций вектора индукции магнитного поля. В этом случае из выражений (4 ) -(7 ) получим соотношение, связывающее поперечные размеры ферромагнитных стержней и прокладок, проницаемость материала стержней, размеры экранирующей оболочки и величину Результаты табулирования левой части неравенства (8) для экрана с воздушными прокладками и стержнями из материала 79НЗМ с и температурным коэффициентом проницаемости 0,25%/град при f/f- 2-19 и перепаде температур, который вызывает изменение йК , равном , приведены в таблице. 0,63 0,80 0,99 1,20 1,44 ления продольной компоненты магнитного поля.. Измерение суммарного вектора индукции магнитного поля в полости экрана производят с помощью модульного квантового магнитометра. Известно, что такие магнитометры неудовлетворительно работают в неоднородных полях. Поэтому необходимо наложить ограничение на соотношение шага f+t магнитной экранирующей решетки (экранируюгаей оболочки ) и радиуса экрана C + C«R. В этом случае градиент вектора индукции магнитного поля в точке рабочей полости, удаленной на расстояние, например 2(+т) от экранирующей оболочки, уменьшается до 4 1C от значения этого градиента вблизи оболочки. Подобная неоднородность поля не сказывается на работе квантового магнитометра, : Соотношение площадей поперечных сечений рабочей полости экрана в его

центральной части и у концов получено в результате моделирования экрана. образом, предлагаемый магнитный экран характеризуется резко выраженной анизотропией экранирующих свойств, что позволяет расширить об- 5 ласть пр1 менения подобных устройств при измерении вариаций компонент веЛгора индукции магнитного поля.

Предлагаемый экран может эффективно использоваться в магнитометрических системах, предназначенных для измерения, например, горизонтальной составляющей вектора индукции поля Земли. Метающая вертикальная компонента полностью подавляется устройством и , практически не влияет на результаты наблюдений.

1, МАГНИТНЫЙ ЭКРАН, содержащий ферромагнитную оболочку с круглым поперечным сечением и п немагнитных прокладок, отличающийс я тем, что/ с,целью расширения функциональных возможностей экрана, ферромагнитная оболочка выполнена в виде п стержней, между которыми расположены прокладки, а поперечные размеры стержней и прокладок выбирают из, соотношения 4-1). где t и f - линейные размеры соответственно ферромагнитных ° стержней и прокладок в плоскости, ортогональной оси экрана, в направлении, касательном к экранирующей оболочке; сЛ и R - соответственно толшина экранирующей оболочки и радиус поперечного сече. ния ее центральной части; ju, d/u.//4. - соответственно относительная магнитная-проницаемость материала ферромагнитных стержней и ее нестабильность; Ihl - минимальная относительная интенсивность вариа ций вектора индукции магнитного поля. « (Л 2. Экран по п. 1, отличающийся тем, что площади поперечного сечения оболочки в центре экрана и у его торцов выбирают из соотношения5 1 SJS 1,3 , где 5ц и 5о - соответственно площади поперечного сечения торцов и центральной части экрана. CD СХ)

/I

х

$9

SR

Фиг./

Фиг,2

1,к.,кд

55 ttO

JO 20

.

/(/Я

П 2R,CM

1Z

ФигМ