Способ определения компонент тензора градиента магнитного поля

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 R 33/035

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (21) 4751868/21 (22) 20.10.89 (46) 23.02.92, Бюл. М 7 (71) Институт металлофизики АН УССР (72) В,В. Немошкаленко, М.А. Иванов, С,А. Демин, Б.Г. Никитин, Ю.Г. Погорелов и К.И, Павлюк (53) 621.317.44 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Гч. 1404993, кл. G 01 R ЗЗ/035, 1986. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПОНЕНТ

ТЕНЗОРА ГРАДИЕНТА МАГНИТНОГО ПОЛЯ (57) Изобретение касается измерения магнитных, полей и может быть использовано при определении величин компонент тензора градиента магнитного поля, например многополюсных постоянных магнитов; С целью повышения разрешающей способности измерений компонент тензора градиенИзобретение касается измерения магнитных полей и может быть использовано для определения величин компонент градиента магнитного поля, например, многопо= люсных постоянных магнитов, 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 ЭДС датчика от величины внешнего магнитного поля находят пространственные распределения напряженности магнитного поля, дифференцируя которые;

„„. Ы„„1714544А1 та магнитного поля за счет прямого определения его компонент 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, состоит 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. 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 измерения параметров магнитного поля, включающий перемещение в измеряемом магнитном поле сверхпроводящего зонда, регистрацию его положения относительно

1714544 измерительного контура интерферометра и изменений магнитного потока в контуре для не менее чем четырех не находящихся в одной плоскости положений зонда.

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 полеи сложных конфигураций и меняющихся во времени по- лей. Причины этого недостатка заключены в необходимости выполнения замеров параметров 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 сверхпроводнике 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 выра5 жение а = где m — масса зонда, у

m — коэффициент жесткости системы. Таким образом, частота колебаний сверхпроводя10 щего зонда определяется двумя параметрами: а) жесткостью упругого элемента, величину которого определяют, измеряя частоту упругих колебаний зонда в несверхпроводящем состоянии; б) жесткостью за

15 счет закрепления в сверхпроводящем зонде вихревой магнитной решетки, которую оп, ределяют с учетом а), измеряя частоту упругих колебаний зонда в сверхпроводящем

СОСтоянии.

20 Количественные соотношения между частотой колебаний зонда и компонентой тензора напряженности магнитного поля

dHI/бХ1 в направлении колебаний определяются из выражения для свободной энер25 гии сверхпроводника при его смещении в неоднородном магнитном поле

Е (Х) = Б — ((- уу) + 4 к Mо 2 )х-х

" (X — Х,) + const, где (X — X<>) — смещение из положения равновесия;

35 Mp — намагниченность в точке Х, и при сферической форме сверхпроводящего зонда имеют вид для диагональных компонент

d Hx

dX

d Hy

40 сР(d Hz

45 и для недиагональных компонент

ЭН Н .Y = 2 „Z L. Y

-. Hy Н:, 1,,„- i Hy Hy при

4 - я=ж

= 8mÎ, (а — и, 3 где р, — плотность материала сверхпроводника;

55

1714544

25

35

45

55 их, cuv, Nz, Nq и а частоты колебаний в направлениях X, Y, Z и по биссектрисам между осями Х, Y и, Z.

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

d t

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

У1ВагСгзО 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.

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

его частоту колебаний в условиях свободного затухания Q4 = 370 Гц. После этого зонд располагают на оси CoSm магнита 8 в форме параллелепипеда 20х20х40 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 равновесия и определяют частоты колебаний а индукцион н ым датчиком, Измерения выполняют при ориентации направления колебаний зонда вдоль трех прямоугольных координат и их диагоналей. По измеренным значениям частот вычисляют диагональные и недиагональные значения величин и знаков компонент тензора 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 определя ют и роиз водную функции dH/dX. В упомянутой точке она составляет 2,25 10

Э/см. При измерениях по предлагаемому способу частота колебаний в этом направлении составляет coax = 483 Гц и dH/dX =

=2,23 10 Э/см. Таким образом, значения градиента магнитного поля в точке измерений совпадают с точностью 0,17, 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

1714544

Ъ )

/ r

) ) 50

Составитель В. Немошкаленко

Техред М.Моргентал Корректор М. Пожо

Редактор Т. Иванова

Заказ 691 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 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 локальности замеров. В целом это снижает трудоемкость измерений и повышает их эффективность.

Формула изобретения

Способ определения компонент тензора градиента магнитного поля, заключающийся в перемещении в магнитном, 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 компо5 нент

dHx

d Hy

dY = 3(R- а> — за(а-ы) и для недиагональных компонент

ЗН Н 1 Нг+,.,Нч

+Y 2(aqZ >Y

< Hy 3H 1 Нх 7,Ну

Х -.: 2(Х У )

2- - ж(31 Я )

20 ь Н вЂ” = Ь, (ф-. — о

С"" 3.

) где о — плотность материала сверхпро25

Nx, Ny, cdz, Ng и- N — частоты колебаний в направлениях Х, Y, Z и по биссектрисам между осями Х, Y и Y, Z.