Устройство для поверки средств измерения магнитной индукции Советский патент 1981 года по МПК G01R33/02 

(54)УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Изобретение относится к измерительной технике и метрологии и предназначено для исследования, поверок и аттестации средст измерения магнитной индукции. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройст- во для поверки магнитометров, содержащее трехкомпонентную систему взаимноперпендикулярных катушек магнитной индукции с обмотками для компенсации постоянного магнитного поля Земли и образцовыми обмотками, источники питания, соединенные с обмотками компенсации и образцовыми обмотками, измеритель и регулятор силы электрического тока, включенные в цепь образцовой обмотки, образцовый квантовый магнитометр с устройством для измерения частоты прецессии, сверхпровод5щщй источник магнитной индукции , выполненный в виде сверхпроводяшей тонкостенной цилиндрической труби, расположенной в гелиевом: криостате, уст ройство для измерения, регулирования и поддержания на заданном уровне температуры сверхпроводящей трубы, герметичный трубопровод, соединяющий гелиевый криос- тат с устройством для измерения, регулирования и поддержания на заданном уровне температуры сверхпроводящей трубы Г1 . Недостатком известного устройства для поверки магнитометров является недостаточно высокая точность измерений и относительно узкий рабочий диапазон в области сверхслабых магнитных полей,.обусловленные недокомпенсацией вариаций магнитного поля Земли и промыщленных магнитных помех при переводе трубы в сверхпроводящее состояние. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерений устройства для поверки средств измерения магнитной индукции. Эта цель достигается тем, что устрюйство для поверки средств измерения маг ниткой индукции, содержащее трехкомпонентную систему взаимно перпендикулярных катушек магнитной индукции с об эазцовыми обмотками, источники питания, из- мерители и регуляторы электрического тока, включенные в цепи образцовых обмоток, образцовый квантовый магнитометр с измерителем частоты прецессии, поворотный механизм, сверхпроводящую цилиндрическую трубу, гелиевый криостат и блок для измерения, регулирования и поддержания па заданном уровне температуры сверхпроводящей трубы с кабелем и герметичным трубопроводом для их соединения, снабжено ферромагнитным экраном, в экранированном объеме которого размешен гелиевый криостат со сверхпроводящим магнитным экраном, состоящим из од ной или нескольких коаксиально расположенных сверхпроводящих цилиндрических оболочек с дном, с толщиной стенки на два порядка меньше их диаметра, каждая из которых снабжена выводной трубкой гелиевого сифона и двумя коаксиально расположенными термоизолирующими рубашками, одна из которых размещена на наружной, а другая - на внутренней поверхности сверхпроводящей оболочки, соленоидами, размешенными коаксиально сверхпроводящей цилиндрической трубе сна ружи и внутри ее полости, при этом упо- мяиvтaя труба размещена в сверхпроводящем магнитном экране, коаксиально ему, на термоизолирующей рубащке, расположенной на внутренней поверхности сверхпроводящей оболочки, выполнено осевое отверстие, трохкомпонентная система взаимно перпендикулярных катущек магнитной индукции размешена в экранированном объеме внутренней сверхпроводящей оболтчки, центр системы катушек совмещен . центром экранированного объема, ось одной из катушек совмещена с продольной осью внутренней сверхпроводящей обо лочки, а° первичный преобразователь образ цового квантового магнитометра разме- lea в центре экранированного объема свер проводящего магнитного экрана и соединен с немагнитным поворотнъ1м механизмом На чертеже изображена структурная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит трехкомпонентную систему катушек 1, состоящую из трех взаимно перпендикулярных пар катушек 2 3, 4, например катушек Гельмгольца, ось одной из пар катушек 2 ориентирована по вертикали, а оси других катушек 3 и 4 по горизонтали. Каждая пара катушек 2, 3 и 4 содержит образцовые обмотки, пре дназначе 5ные для создания заданного эта лонного магнитного поля. Образцовые обмотки в каждой из пар катушек 2, 3 и 4 соединены последовательно, а каждая из пар обмоток раздельно подключается через переключатель 5 к источнику 6 питания. В цепи питания образцовых обмоток установлен измеритель 7 и регулятор 8 силы электрического тока. Устройство содержит также сверхпроводящий магнитный экран 9, состоящий из двух коаксиально расположенных сверхпроводящих тонкостенных оболочек 1О, 11 с дном, термоизолирующих рубащек 12,13, 14 и 15, а также трубок гелиевых сифонов 16, 17 и 18. Между внутренней рубашкой 13 наружной оболочки 10 и наружной рубашкой 14 внутренней оболочки 11 установлен зазор 19, в котором размешена трубка гелиевого сифона 17. Трубка гелиевого сифона 18 размещена в полости 20 внутренней оболочки 11, а трубка гелиевого сифона 16 размешена в гелиевой ванне гелиевого криостата 21, снаружи сверхпроводящего магнитного экрана 9. На внутренних термоизолирующих рубашках 13 и 15 в центрах днищ выполнены отверстия 22 и 23 соответственно. В месте отверстий 22 и 23 соответственно расположены области 24 и 25 внутренних поверхностей оболочек 10 и 11 не защищенные термоизолируюшими рубашками. Трехкомпонентная система катушек 1 размещена в рабочем экранированном объеме 26 сверхпроводящего магнитного экрана 9 так, что ее центр совмещен с центром рабочего экранированного объема 26, ось пары катушек 2 совмещена с про- дольной осью внутренней сверхпроводящей оболочки 11. Под рабочим экранированным объемом понимается объем, окружающий средство и объект измерения, изолированный (до заданного значения магнитной индукции на верхней его границе) от воздействия внешних постоянных и переменных магнитных полей. В сверхпроводящем магнитном экране 9, состоящем из сверхпроводящих оболочек 10 и 11 с дном, экранированный рабочий объем 26 расположен в нижней части внутренней оболочки 11, выше ее дна. Центр рабочего экранированного объема расположен посредине его, т.е. высота экранированного объема равна С, то его центр лежит на расстоянии S /2 от дна внутренней оболочки, Устройство содержит также сверхпроводяшую цилиндрическую трубу 27, размешенную в экранированном объеме 26 сверх проводящего магнитного экрана 9, коаксиально ему, источники магнитной индукции, например соленоиды 28 и 29, размешены коакснально сверхпроводяшей тру- бе 27, Соленоиды 28 и 29 раздельно под ключаются через переключатель 3 О к источнику 31 питания. В цепи питания соленоидов установлены измеритель 32 и регулятор 33 силы электрического тока. Сверхпровод5шщй магнитный экран 9, трех компонентная система катушек 1, сверхпроводящая труба 27, соленоид 28 разме шены в гелиевом криостате 21, который размещен в экранированном объеме 34 фер ромагнитного экрана 35, Гелиевый криостат 21 должен быть изготовлен из немагнитного материала, так как в противном случае, магнитные включения в стенках криостата 21, особенно его внутренних оболочек 36, расположенных в экранированном объеме 26 сверхпроводящего магнитного экрана 9, будут создавать остаточное магнитное поле конечного значения в экранированном объеме 26 сверхпроводящего экрана 0 или искажать однородность замороженного пол сверхпроводящей трубы 27 изменять его значение, т,е, фактически создавать магнитные помехи. Кроме того, материал, из которого изготовлен криостат 21 должен быть непроницаем для газообразного гелия, так как в противном газообразный гелий из гелиевой ванны криостата 21 проникает в изолирующие вакуумные промежутки криостата 21 и жидкий гелий испаряется из него, а следовательно, сверхпроводящий магнитный экран 9 и сверхпроводящая труба 27 не смогут быть переведены в сверхпроводящее состояние. Гелиевый криостат 21 герметично соединен тру бопроводом 37 с блоком 38 для измере. ния, регулирования и поддержания на заданном уровне температурь сверхпроводящего магнитного экрана 9 и сверхпроводящей трубы 27 и кабелем 39. В состав блока 38 может входить вакуумный насос, дифференциальный манометр, маностат, вакуумные трубопроводы и вакуум-ные вентили. Изменяя давление газообразного гелия над поверхностью жидкого гелия в гелиевом криостате 21, изменяется температура жидкого гелия, а следователь но, я температура трубы 27. Откачивая вакуумным насосом блока 38 газообразный гелий по трубопроводу 36 из гелиевого криостата 21, можно понизить те пературу сверхпроводящего экрана 9 и трубы 27 значительно ниже 4, 2 К - тем пературы кипения жидкого гелия при нормальком атмосферном давлении. С помощью маностата, дифференциального манометра и системы вакуумных вентилей устанавливается и стабилизируется заданное значение давления газообразного гелия в криостате 21, а, следовательно и заданное значение температуры и ее стабильность сверхпроводящего магнитного экрана 9 и сверхпроводящей трубы 27. При этом температура экрана 9 и трубы 27 измеряется косвенным путем - измеряядавление газообразного гелия над зеркалом жидкого гелия в гелиевой ванне кри- остата 21 с помощью дифференциального манометра блока38. В центре рабочего экранированного объема 26 сверхпроводящего магнитного экрана 9 размещены первичные преобразователи 40 и 41, соедионенные соответственно с образцовым квантовым магнитометром 42 и поверяемым магнитометром 43. Образцовый квантовый магнитометр 42 соединен с измерителем 44 частоты прецессии, а первичные преобразователи 40 и 41 соединены с немагнитным поворотным механизмом 45. Устройство для проверки средств измерения магнитной индукции работает следующим образом. Ферромагнитный экран 35 устройства находится под воздействием магнитных полей Земли, промышленных установок и электрофицированного транспорта. 13 экранированном объеме 34 ферромагнитного экрана 35 индукция Biiemfjero магнитного поля BQ ослабляется ферромагнит 1ыми слоями экрана 35 до значения В. Оболочки 10 и 11 магнитного экрана 9 находится в нормальном состоянии (при температуре значительно превыщаюшей критическую температуру Т матери,ала оболочек 1О и 11 - температуру перехода в сверхпроводящее состоя1ше) и под действием индукции магнитного поля В, которое пронизывает упомянутые оболочки, полость 20, трехкомпонентную систему катущек 1, трубу 27, соленоиды 28 и 29, первичные преобразователи 4О и 41 и поворотный механизм 45. Подачей жидкого гелия в трубку гелиевого сифона 17 начинает охлаждаться оболочка Ю. Благодаря наличию на оболочке 10 тёрмоизо;шрующих рубащек 12 и 13, изготовленных, например из пенопласта, и отверстия 22 во внутренней термоизолирующей рубашке 13 быстро охла.ждается только область 24 внутренней поверхности оболочки 10, расположенная в месте отверстия 22. Остальная часть оболочки, защищенная от доступа к ее поверхности холодного испй«ряющегося газообразного гелия и жидкого геЛия термоизолирующая рубашками 12 и 13 охлаждается значительно медленнее и. в основном, только за счет передачи холода от открытой области 24 внутренней поверхности оболочки 1О по дну и стенка упомянутой оболочки. Для устранения доступа холодного газообразного гелия к по верхности оболочки Ю термоизолирующие рубашки 12 и 13 выполнены по форме аналогичными соответствующим, поверхно тям оболочки 1О и плотно прилегают к этим поверхностям, при этом длина рубашек 12 и 13 превышает длину оболочки 10, Таким образом, после начала охлаждения на оболочке Ю возникает температурное поле, которое имеет равномерный градиент температуры вдоль оболочки, наиболее низкой температурой обладает область 24 внутренней поверхности оболочки 10, а наиболее высокой температурой обладает открытый конец оболочки 1О. Вследствие этого, первоначально в сверхпровод5ацее состояние переходит область 24, температура которой достигла значения критической температуры Т сверхпроводникового материала из которого из готовлена оболочка Ю. Как только нижняя часть дна оболочки Ю становится сверхпроводящей, силовые линии магнитного поля & в силу эффекта Мейсснера обтекают эту часть оболочки. По мере продвижения границы сверхпроводя1цей фазы к открытому концу оболочки 10 все большая часть материала оболочки и ее внутренняя полость оказываются- в ослабленном магнитном пояев.В ослабленном поле BQI оказываются оболочка 11 (которая благодаря наличию термоизолирующих рубашек 14 и 15 находится в нормальном состоянии), полость 2О, трехкомпо- нентная система катушек 1, труба 27, ис точники магнитной индукции 28 и 29, пер вичные преобразователи 40 и 41 и поворотный механизм 45. После перехода в сверхпроводящее состояние всей оболочки Ю подается жидкий гелий в трубку гелиевого сифона 18 и охлаждается оболочка 11. Благодаря наличик) на оболочке 11 термоизолирующих рубашек 14 и 15, изготовленных из пенопласта, и отверстия 23 во внутренней термойзолирующей рубащке 15 быстро охлаждается только область 25 внутренней поверхности обсмючки 11, расположенная в месте отверстия 23. Остальная часть оболочки 11, защищенная от доступа к ее поверхности холодного испаряющегося газообразного гелия и жидкого гелия термоизолируюшими рубашками 14 и 15 охлаждается значительно медленнее и, в основном, только за счет передачи холода от открЬ той области 25 внутренней поверхности оболочки 11 по дну и стенкам упомянутой оболочки. Для устранения доступа холодного газообразного ге/шя к поверхностям оболочки 11 термоизолируюшие рубашки 14 и 15 выполнены по форме аналогично форме соответствующих поверхностей оболочки Ю и плотно прилегают к этим поверхностям, при этом длина рубашек 14 и 15 превышает длину оболочки 11. Таким образом, после начала охлаждения на оболочке 11 возникает температурное поле, которое имеет равномерный градиент температуры вдоль оболочки, при этом наиболее низкой температурой обладает область 25 внутренней поверхности оболочки 11, а наиболее высокой температурой обладает открытый конец оболочки 11. Вследствие этого, первоначально в сверхпроводящее состояние переходит область 25, температура Т которой достигла значения критической температуры Т сверхпроводникового материала, из которого изготовлена оболочка 11. Как только нижняя часть дна оболочки 11 становится сверхпроводящей, силовые линии магнитного поля 6ri в силу эффекта Мейсснера обтекают эту часть оболочки. По мере продвижения границы сверхпроводящей фазы к открытому концу оболочки 11 все большая часть материала оболочки и ее внутренняя полость 20 оказываются в ослабленном магнитном поле В ослабленном поле & оказываются трехкомпонентная система катушек 1, труба 27, соленоиды 28 и 29, первич 1ые преобразователи 4О и 41 и поворотный механизм 45. Сверхпроводящая труба 27 находится при этом в нормальном состоянии, поскольку критическая темпера- тура TC. материала, из которого изготовлена труба 27 ниже температуры 4,2 К кипения жидкого гелия при нормальном атмосферном давлении. Дая дальнейшего ослабления магнитного поля может использоваться третья, четвертая и т.д. сверхпроводящие оболочки с термоизолирующими рубащками аналогичной конструкции. Количество сверхпроводящих оболочек в сверхпроводящем экране устанавливается исходя из необходимого значения остаточного магнитного поля В п i равного 1 О л. Эффективное экранирование постоянной части магнитного поля Земли, вариаций мапнитного поля Земли и промышленных магнитных помех, проникающих в полость 20 оболочки 11 через ее открытый конец и экспоненцидльно затухающих вглубь полости обеспечивается выбором размеров оболочки 11 - отношения длины оболочки L к ее диаметру с1. Чем больше отношение Ь/сЗ , тем выше коэффициент экранирования в нижней части полости 20 оболочки 11, т.е. в экранированном объеме 26. По сигналу с первичного преобразователя 40 образйового квантового магнито- метра 42, поступающему на измеритель 44 частоты пренессти с высокой точностью определяется значение остаточного магнитного поля В,. Затем первичный пре- образователь 40 удаляется с центра экранирования объема 26 и на его место устанавливается первичный преобразователь 41 поверяемого магнитометра 43. Затем производится отсчет его выходного сиг- нала, т.е. осуществляется его поверка. Задаваемое значение вертикальной составляющей эталонного магнитного поляб, R создается путем подачи электрического тока от источника 6 питания через переключатель 5 в катушки 2, постоянные которых определяются расчетным или экспериментальным путем. Необходимые значения тока в катушках 2 устанавливаются регулятором 8 и измеряются измерителем 7 силы тока. Задаваемые значения горизон тальных составляющих эталонного .магнитного поля ftj, , By ву,создаются поочередно путем подачи электрического тока от источника 6 питания через переключатель 5 соответственно в катушки 3 и 4. С помощью поворотного механизма. 45 производится вращение первичных преобразователей 40 и 41 для совмещения их магнит ных осей чувствительности с соответствующими магнитными осями катушек 2, 3 и 4, Учитывая, что магнитные катушки 2, 3 и 4 размещены в гелиевой ванне гелиевого криостата 21 и находятся при температуре 4,2 К жидкого гелия, их магнитные постоянные обладают высокой стабильностью, вследствие высокой ста- бильности температуры жидкого гелия, порядка 0,01-0,0001 К, и низких значений коэффициентов температурного расширения материалов, используемых для изготовления катушек 2, 3 и 4. С помощью Katy- шек 2, 3 и 4 создаются эталонные потя,. например, в диапазоне от 10 Тл. Для создания заданного значения эталонного поля в диапазоне, например, от 10 до 10 Тл подается электрический ток от источника 31 питания через переключатель 30 в сточник магнитной индукции, например соленоид 28, постоянная которо го определяется расчетным или экспериМен тальным путем. Необходимые значения тока в соленоиде 28 устанавливаются регулятором 33 и измеряются измерителем 1 П ,в 32 силы тока. Путем откачки паров газообразного гелия из гелиевой ванны гелиевого криостата 21 по герметичному трубопроводу 37 блоком 38, темперютура трубы 27 понижается ниже Т.. т.е. труба 27 переводится в сверхпроводящее состояние. Затем температура сверхпроводящей трубы 27 понижается до значения равного или меньшего 0,87 и на-этом уровне поддерживается неизменной с точностью равной или больше О,ОО1 К. Вышеизложенное треиоиание вызвано тем,что при Т близкой к Т изменение глубины проникновения магнитного поля в стенки трубы 27 от изменения ее температуры на несколько порядков больше, чем при температуре трубы 27 меньшей или равной 0,8Тс,а следовательно, стабильность замороженного поля сверхпроводящей трубы 27 приТ 0,8Тс,на несколько порядков выше. Требования к стабильности температуры трубы определяется также требованиями к температурной стабильности площади поперечного сечения трубы 27, которая также влияет на стабильность замороженного поля. Благодаря явлению захвата магнитного потока трубой 27 при ее переходе в сверхпроводящее состояние, приложенное эталонное поле В замораживается в ней. По сигналу с первичного преобразования 40 образцового квантового магнитометра 42, поступающему на-измеритель 44 частоты прецессии определяется значение замороженного эталонного поля BJ. .Затем первичный преобразователь 40 образцового квантового магнитометра 42 удаляется с центра сверхпрОБод5Ш1ей трубы 27 и на его место устанавливается первичный преобразователь 41 поверяемого магнитометра 43. Затем производится отсчет его выходного сигнала, т.е. осуществляется его поверка. Вследствие того, что токи, поддерживающие замороженное магнитное поле в полости сверхпроводящей трубы 27 являются незатухающими (сверхпроводник . обладает идеальной проводимостью), то замороженное поле обладает чрезвычайно высокой стабильностью. Теоретически рассчитано и экспериментально подтверждено, что относительная стабильность замороженного магнитного поля сверхпроводящей трубы, стабильйость температуры которой порядка 0,001 К, не хуже чем 10, т.е. стабильность инщгкции поля 10 Тл, не хуже чем ± . При этом промышленные магнитные помехи и вариации магнитного ПОЛЯ Земля экранируются ферромаг нитным экраном 35, сверхпроводящим маг11sнитным экраном 9 и сверхпроводящей трубой 27, Сверхпроводящая труба 27 выпол няется цилиндрической исходя из высоких требований к однородности замороженного магнитного поля. После проведения поверки магнитометра 43 в замороженном поле помощью блока 38 температура трубы 27 повышается до значения выше критической температуры т, и труба 27 переводится в нормальное состояние, а за мороженное поле В ± сбрасывается. Соленоидом 28 создается второе заданное значение эталонного магнитного поля температура трубы 27 вновь понижается до значения О.. и на этом уровне стабилизируется. Труба 27 при переходе в сверхпроводящее состояние замораживает поле 8 значение которого определяется образцовым квантовым магнитометром 42 а затем в этом поле поверяется поверяемый магнитометр 43, При дальнейшем з мораживании в сверхпроводящей трубе 27 ряда заданных значений эталонного магнитного поля , , Sf, процедура нагрева трубы 27 выше Т, и охлаждения ниже Tj- повторяются вышеописанным способом. Для создания заданного значения индукции калибровочного поля подается электрический ток от источника 31 питания через переключатель 30 и источник индукции, например соленоид 29. Необходимые значения тока в соленоиде 29 устанавливаются регулятором 33 ti измеряются измерителем 32 силы тока. Таким образом, учитывая высокую вре менную стабильность замО роженного магнитного поля порядка 10 в диапазоне полей Тл, а также высокую суммарную эффективность экранирования феррома1гнитного экрана, сверхпроводящего магнитного экрана и сверхпроводящей трубы, позволяющих уменьшить внешние магнитные помехи до значения порядка , можно сделать- вывод о том что погрешность поверки с помощью пред лагаемого усгройсгва в диапазоне полей - 10 Тл будет составлять 1 %, а в диапазоне полей 10 -10 Т - . В то время как для известного устройства погрешность поверки только в диапазоне полей Ю - 1О Тл будет составлять 0,, что на три порядка хуже. Приведенные вьпие данные также показывают, что предлагаемое устройство, .в отличие от известного, позволяет производить поверку магнитометров с низким порогом чувствительности и вы соким классом точности в диапазоне полей Тл, т.е. позволяет расaширить рабочий диапазон примерно на четыре порядка. Формула изобретений Устройство для поверки средств измерения магнитной индукции, содержащее трехкомпонентную систему взаимно перпендикулярных катушек магнитной индукции с образцовыми обмотками, источники питания, измерители и регуляторы электрического тока, включенные в цепи образцовых обмоток, образцовый квантовый магнитометр с измерителем частоты прецессии, поворотный механизм, сверхпроводящую цилиндрическую трубу, гелиевый криостат и блок для измерения, регулирования и поддержания на заданном уровне температуры сверхпроводящей трубы с кабелем и герметичным трубопроводом для ку соединения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, оно снабжено ферромагнитным экраном, в экранированном объеме которого размещен гелиевый криостат со сверхпроводящим магнитным экраном, состоящим из одной или нескольких коаксиально расположенных сверхпроводящих цилиндрических оболочек с дном, с толщиной стенки на два порядка меньше их диаметра, каждая из которых снабжена Ъыводной трубкой гелиевого сифона и двумя коаксиально расположенными термоизолирую1Щ1- ми рубашками, одна из которых размещена на наружной, а другая - на внутренней поверхности сверхпроводящей оболочки, соленоидами, размешенными коаксиально оверхпроводящей цилиндрической трубе снаружи и внутри ее полости, при этом упом1шутая труба размещена в сверхпроводящем магнитном экране, коаксиально ему, на термоизолирующей рубашке, расположенной на внутренней поверхности сверхпроводящей оболочки, выполнено осевое отверстие, трехкомпонентная система взаимно перпендикулярных катушек магнитной индукции рйймещена в экранированном объеме внутренней сверхпроводящей оболочки, центр системы катушек совмещен с центром экранированного объема, ось одной из катушек совмещена с продольной осью внутренней сверхпроводящей оболочки, а первичный преобразователь образцового квантового магнитометра размешен в центре экранированного объема сверхпроводящего магнитного экрана и соединен с немагнитным поворотным механизмом. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2685134/18-21, кл. G 01 Р 33/02, 1978.