Способ определения компонент тензора градиента магнитного поля Советский патент 1992 года по МПК G01R33/35 

Изобретение касается измерения магнитных полей и может быть использовано для определения величин компонент градиента магнитного поля, например, многополюсных постоянных магнитов.

I.

Известен способ измерения напряженности магнитного поля и его градиента, по которому в магнитном поле перемещают полупроводниковую пластину (датчик Холла), регистрируя в каждой точке пространства наведенную в ней ЭДС, после чего по предварительно построенной градуировочной зависимости ЭД(3 датчика от величины внешнего магнитного поля находят пространственные распределения напряженности магнитного поля, дифференцируя которые.

определяют градиенты магнитного поля в направлениях перемещения датчика.

Основным недостатком этого способа является длительность измерений градиента магнитного поля, связанная с необходимостью проведения серий замеров в каждом направлении, вдоль которого определяется градиент, причем чем сложнее конфигурация поля, тем больше требуется измерений для построения аналитической зависимости,

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерен ля параметров магнитного поля, включающий перемещение в измеряемом магнитном поле сверхпроводящего зонда, регистрацию его положения относительно

измерительного контура интерферометра и изменений магнитного потока в контуре для не менее чем четырех не находящихся в одной плоскости положений аонда.

Этот способ позволяет с учетом размеров и магнитной проницаемости зонда по измеренным параметрам находить модуль и вектор индукции магнитного потока, а после определения значений магнитной индукции в нескольких областях - и градиент магнитного поля.

Однако этот способ не позволяет осуществлять локальные и экспрессные измерения, а следовательно, не может быть применен при изучении полей сложных конфигураций и меняющихся во времени полей. Причины этого недостатка заключены в необходимости выполнения замеров пара-метров магнитного поля в нескольких точках пространства.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности измерений компонент тензора градиента магнитного поля за счет прямого определения его компонент непосредственно в точке магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения параметров магнитного поля, включающем перемещение в магнитном поле сверхпроводящего зонда и регистрацию его положения относительно измерительного контура, измеряют частоты свободных колебаний упруго закрепленного зонда в несверхпроводящем состоянии вне магнитного поля и в сверхпроводящем состоянии в магнитном поле в заданных направлениях, по которым рассчитывают величины компонент тензора градиента магнитного поля.

Физическая сущность изобретения заключается в том, что высокотемпературные сверхпроводники выше температуры сверхпроводящего перехода являются слабыми парамагнетиками и поэтому прозрачны для магнитных силовых линий, в связи с чем частота колебаний определяется лишь жесткостью упругого элемента. Ниже температуры .сверхпроводящего перехода они начинают сильно взаимодействовать с магнитным полем так, что часть магнитного поля выталкивается из сверхпроводника (эффект Мейсснера), и в то же время силовые линии магнитного поля закрепляются в сверхпроеоднике на центрах пиннинга (дефектах и нарушениях кристаллической решетки), образуя вихревую магнитную решетку. В результате этого сверхпроводящее тело при колебаниях деформирует магнитную вихревую решетку, образованную магнитным полем. Это адекватно увеличению жесткости

упругого элемента крепления сверхпроводящего зонда и находит отражение в увеличении частоты его свободных колебаний, которое качественно описывает выра

жение О) уТГ где m - масса зонда, у m

- коэффициент жесткости системы. Таким образом, частота колебаний сверхпроводящего зонда определяется двумя параметрами: а) жесткостью упругого элемента, величину которого определяют, измеряя частоту упругих колебаний зонда в несверхпроводящем состоянии; 6) жесткостью за

счет закрепления в сверхпроводящем зонде вихревой магнитной решетки, которую определяют с учетом а), измеряя частоту упругих колебаний зонда в сверхпроводящем состоянии.

Количественные соотношения между частотой колебаний зонда и компонентой тензора напряженности магнитного поля dHi/dXj в направлении колебаний определяются из выражения для свободной энергии сверхпроводника при его смещении в неоднородном магнитном поле

d Н

()

dx2

(Х-Хо) + const.

где (Х-Хо) - смещение из положения равновесия;Мо - намагниченность в точке Хо,

и при сферической форме сверхпроводящего зонда имеют вид для диагональных компонент

dHx.

«(-,4) VS()

У1(-й|)

и для недиагональных компонент

1 , 50

Щ

V8 л:рз ( - й)

Ц U . . ч

Ib. )

о ч о )

(3

PS

плотность материала сверхпроика;

(Ov., (ay, (Oi, (Drj л (Or частоты колебаний в направлениях X, Y, Z и по биссектрисам между осями X, Y и Z.

При измерениях закономерностей изменения градиента напряженности магнитного поля во времени должно соблюдаться условие

d Н dt

«(У Но

Таким образом, именно возможность сообщения свободных колебаний сверхпроводящему зонду в заданном направлении и измерения их частот с помощью предлагаемого устройства обеспечивает условия для определения изменения частоты собственных колебаний зонда, в результате его взаимодействия с магнитным полем, и вычисления компонент его градиента согласно предлагаемому способу.

Наличие новых операций и элементов устройства в заявляемых технических решениях по сравнению с прототипами позволяет заключить, что они соответствуют критерию новизна. При изучении других известных технических решений в данной области техники не обнаружено использования признаков, отличающих изобретения от прототипов, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию существенные отличия.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство состоит из зонда 1 в форме сферы из сверхпроводящего материала, плоского упругого элемента 2, соединенного одним концом с зондом 1, а другим - с устройством для перемещения 3, катушки индуктивности 4, усилителя 5, частотомера 6 и источника 7 колебаний зонда.

Выбор сверхпроводящего материала зонда обусловлен необходимостью обеспечить изменение взаимодействия зонда с магнитным полем при колебаниях, а сферическая форма - возможностью аналитического описания этого взаимодействия. Плоский упругий элемент, на котором закреплен зонд, обеспечивает колебания последнего в одном выбранном направлении в силу того, что жесткость такого упругого элемента в плоскости значительно превышает его жесткость по нормали к плоскости. Возможность перемещения упругого элемента обеспечивает установку зонда в нужном месте магнитного поля и ориентацию

направления колебаний в интересуемом направлении.

Способ осуществляют следующим образом.

Зонд из сверхпроводящей керамики

У1Ва2Сгз07 с плотностью 5,9 г/см в форме шара диаметром 4 мм закрепляют на упругой пластине из бериллиевой бронзы с отношением ширины к толщине, равным 20.

0 Второй конец пластины закрепляют на координатном столике. Механическим толчком выводят зонд из состояния равновесия и определяют оптическим датчиком (состоящим из фоторезистора и источника света)

5 его частоту колебаний в условиях свободного затухания (Оо 370 Гц. После этого зонд располагают на оси CoSm магнита 8 в форме параллелепипеда 20x20x40 мм на расстоянии 6 мм от торца, охлаждают струей газообразного азота (которую получают, испаряя электронагревателем жидкий азот) ниже температуры сверхпроводящего перехода (94 К), после чего опять выводят зонд механическим толчком из состояния равно5 весия и определяют частоты колебаний 0) индукционным датчиком. Измерения выполняют при ориентации направления колебаний зонда вдоль трех прямоугольных координат и их диагоналей. По измеренным

0 значениям частот вычисляют диагональные и недиагональные значения величин и знаков компоненттензора градиента магнитного поля для места положения центра сверхпроводящего зонда. Описанный в прототипе способ не позволяет определить значения градиента магнитного поля в точке. Для сравнения проводят измерения магнитной индукции вдоль одного направления (оси магнита) в пяти точках, средняя из которых совпадает с местом положения зонда при испытаниях по предлагаемому способу. Описывают полученные значения напряженности аналитическим способом и определяют производную функции dH/dX. В

5 упомянутой точке она составляет 2,25 10 Э/см. При измерениях по предлагаемому способу частота колебаний в этом направлении составляет й)х 483 Гц и dH/dX 2,23 10 Э/см. Таким образом, значения

градиента магнитного поля в точке измерений совпадают с точностью 0,1%, что подтверждает достоверность предлагаемого способа. Сравнение предлагаемого и известного способов показало, что при измерениях по известному способу потребовалось в пять раз больше измерений, чем при использовании.предлагаемого способа.

Использование изобретения представляет уникальную возможность определения

компонент тензора градиента магнитного поля непосредственно в любой точке магнитного поля. В результате этого метод особенно эффективен при определении градиентов магнитных полей сложных конфигураций, с немонотонным изменением напряженности. Предлагаемый способ также позволяет сократить время измерений пропорционально уменьшению числа измерений, требовавшихся для построения аналитической функции по известным способам, и повысить их точность за счет ло1 альности замеров, В целом этб снижает трудоемкость измерений и повышает их эффективность.

Формула изобретения Способ определения компонент тензора градиента магнитного поля, заключающийся в перемещении в магнитном1 поле сверхпроводящего зонда и регистрации его, положения относительно измерительного контура, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности измерений компонент тензора градиента магнитного поля, измеряют частоты свободных упругих колебаний закрепленного зонда в несверхпроводящем состоянии вне магнитного поля и в сверхпроводящем

состоянии в магнитном поле в заданных направлениях, по которым определяют величины компонент тензора градиента магнитного поля для диагональных компонент

1Н

(cok-fol,)

Vr )

гональных компонент

j . , ЦНуч

ъУ 2 -(Z

/дНх , QC-- 2 Y

/BWps(

I з

где PS - плотность материала сверхпроводника;

(Ух , UJY , uJz , и- й)- частоты колебаний в направлениях X, У, Z и по биссектрисам между осями X, Y и Y, Z.

д

Изобретение касается измерения магнитных лолей и может быть использовано при определении величин компонент тензора градиента магнитного поля, например многополюсных постоянных магнитов; С целью повышения разрешающей способности измерений компонент тензора градиента магнитного поля за счет прямого определения его компбнент непосредственно в точке магнитного поля перемещают в магнитном поле сверхпроводящий зонд и регистрируют его положение/относительно измерительного контура, измеряют частоты затухания свободных упругих колебаний закрепленного зонда в несверхпроводящем состоянии вне магнитного, поля и в сверхпроводящем состоянии в магнитном поле в заданных направлениях, по которым рассчитывают величины компонент тензора градиента магнитного поля. Устройство, реализующее способ, со'стоит из зонда 1 в форме сферы из сверхпроводящего материала, плоского упругого .элемента 2, соединенного одним концом с зондом 1, а другим - с устройством 3 для перемещения, катушки индуктивности 4, усилителя 5, частотомера 6 и источника колебаний зонда 7. 1 ил.слс