Способ измерения индукции магнитного поля

 

Использование: в измерительной технике, предназначено для измерения индукции магнитного поля, основанного на регистрации отклонения движущегося с известной скоростью перпендикулярно вектору индукции циклически формируемого электронного пучка. Сущность изобретения: способ заключается в формировании пучка свободных прямолинейно движущихся к аноду электронов, определении скорости движения этого пучка в условиях экранирования действия магнитного поля, определении величины отклонения его от прямолинейного направления под действием магнитного поля с момента выхода пучка из зоны экранирования при известности расстояния от зоны экранирования до анода и расчете магнитной индукции по формуле. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении индукции магнитных полей, в частности при измерении магнитного поля Земли в целях навигации наземных и воздушных объектов.

Известен способ измерения индукции магнитного поля, основанный на методе свободной ядерной пpецессии. Способ заключается в возбуждении поля чувствительного элемента с последующей регистрацией частоты прецессии вектора ядерной намагниченности рабочего вещества чувствительного элемента вокруг вектора измеряемой магнитной индукции. Способ достаточно точен, однако его недостатком является невысокое быстродействие, что затрудняет его использование в ряде случаев, например для решения задачи навигации по совокупности нормального и аномального магнитного поля Земли различных подвижных объектов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, включающий прикладывание линейно изменяющегося напряжения к электродам чувствительного элемента, ориентированным так, чтобы ось, соединяющая их, была перпендикулярна вектору измеряемой магнитной индукции, регистрирование временного интервала от момента приложения напряжения до момента исчезновения (появления) тока во внешней цепи и расчет измеряемой индукции до соотношению, учитывающему геометрию и расстояние между электродами, а также величину напряжения, при котором фиксируется исчезновение (появление) тока во внешней цепи.

Недостатком способа является недостаточно высокие точность и быстродействие, а также узкий диапазон измерения.

Цель изобретения повышение точности, быстродействия и расширение диапазона измерения.

Это достигается за счет того, что в вакуумированном чувствительном элементе, электроды которого ориентированы так, чтобы соединяющая их центры ось была перпендикулярна вектору измеряемой магнитной индукции, формируют узкий пучок свободных прямолинейно движущихся к аноду электронов путем кратковременного воздействия на подогреваемый катод ускоряющим электрическим полем, определяют скорость движения этого пучка в условиях экранирования действия магнитного поля, определяют величину отклонения попадающего на анод пучка электронов от прямолинейного направления под действием магнитного поля с момента выхода пучка из зоны экранирования при известности расстояния от зоны экранирования до анода и находят искомое значение магнитной индукции по соотношению B (1) где m и q масса и заряд электрона; V скорость движения пучка свободных электронов; а расстояние между зоной экранирования и анодом; х отклонение оси пучка электронов от прямолинейного направления.

Рассмотренная совокупность признаков позволяет считать заявляемый способ отвечающим как критерию "новизна", так и критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображено для осуществления устройство способа.

Оно содержит экранированный корпус 1 с вакуумированным гермообъемом, в котором размещен подогревной катод 2, анод 3, состоящий из трех размещенных на близком (несколько мкм) расстоянии друг от друга плоскостей, первая из которых наиболее удалена от катода и представляет собой заземленный проводящий слой, а две другие два ряда параллельно расположенных проводников, причем проводники первого и второго рядов перпендикулярны и образуют квадратную сетку (см. фиг. 2); электроды 4, 50 6 с соосными отверстиями, выполняющими функции коллиматоров, причем отверстие в электроде 5 минимально и определяет толщину используемого электронного пучка; магнитный экран 7; источник питания 8, через ключ 9 и ограничительное сопротивление 10 соединенный с электродов 6, а через ключ-кнопку 11 и первый вход схемы ИЛИ 12 с формирователем одиночного импульса (ФОИ) 13; связанные с электродами 4 и 5 ФОИ 14 и 15, выходы которых через схему ИЛИ 16 связаны с входом триггера 17; схему И 18, второй вход которой связан с выходом триггера 17, кварцевый генератор 19, через первый вход схемы И 18, связанный со счетчиком 20; связанные с проводниками соответствующего ряда блоки токовых ключей 21 и 22 и регистры 23, 24; связанные с электродом 5 формирователи с линией задержки (ФЛЗ) 25 и 26 и связанный с выходами счетчика 20, регистров 23, 24 и ФЗЛ 25 спецвычислитель 27, причем выход ФЛЗ 26 соединен с вторым входом схемы ИЛИ 12, а выход ФОИ 13 соединен с управляющим входом ключа 9 и R-входами триггера 17, счетчика 20 и регистров 23, 24.

Для уменьшения влияния магнитного поля на участке формирования пучка электронов в состав устройства входит магнитный экран 7. Перед началом измерений устройство ориентируют так, чтобы ось, соединяющая центры его электродов, была перпендикулярна вектору измеряемой магнитной индукции.

Устройство работает следующим образом.

При замыкании на небольшое время ключа-кнопки 11 в ФОИ 13 формируется короткий импульс, обеспечивающий приведение в исходное состояние триггера 17, счетчика 20, регистров 23, 24, а также подачу через открытый ключ 9 напряжения от источника питания на электрод 6. Это напряжение вызывает формирование пучка электронов, движущегося в направлении анода 3 через щели в электродах 4, 5, 6. Длительность и напряжение этого импульса с учетом расстояния между катодом 2 и электродами 6 и 4 выбираются такими, чтобы к электроду 4 пучок электронов подлетал уже по инерции со скоростью, соответствующей диапазону измерения индукции. В момент прохождения электрода 4 в ФОИ 14 формируется импульс, обеспечивающий перебрасывание триггера 17 в единичное состояние, что вызывает поступление в счетчик 20 импульсов кварцевого генератора 19. В момент прохождения электрода 5 в ФОИ 15 формируется импульс, возвращающий триггер 17 в нулевое состояние и прекращение записи импульсов кварцевого генератора 19 в счетчик 20. Записанное в счетчике 20 количество импульсов пропорционально времени прохождения свободным пучком электронов расстояния между электродами 4 и 5. Это время далее используется для расчета скорости движения электронов с учетом расстояния между электродами 4 и 5.

Выходящий из отверстия электрода 5 пучок электронов подвергается воздействию магнитного поля и траектория его отклоняется от прямолинейного направления (см. фиг. 3). Причем диаметр отверстия в электроде 6 выбирается таким, чтобы электронный пучок при отклонении не касался стенок этого отверстия. Если при отсутствии магнитного поля пучок попадал в точку В, то при наличии поля он попадал в точку С, отстоящую от точки В на расстоянии Х.

Величина этого расстояния определяется по координатам точки попадания пучка электронов на сетку анода 3 следующим образом.

В исходном состоянии все проводники находятся под высоким потенциалом вследствие закрытого состояния транзисторов (количество которых равно количеству проводников, см. фиг. 2) блока транзисторных ключей. При попадании на сетку пучка электронов, размер которого должен чуть превышать размер ячейки сетки, этот пучок на короткое время вызывает перемыкание между собой и замыкание на заземленный слой тех проводников сетки, на которые этот пучок попадает. В результате транзисторы этих проводников открываются, через них течет коллекторный ток и на выходе этих транзисторов появляется импульс, записываемый в соответствующий регистр. Координата каждого проводника известна, поэтому приход импульса по соответствующему проводнику автоматически позволяет определить координаты точки попадания пучка электронов на анод, а следовательно, и искомое расстояние Х. Зная это расстояние, можно определить радиус r окружности, по которой бы вращался пучок электронов вокруг вектора магнитной индукции при отсутствии механических препятствий: r (2) Эта зависимость получается из следующих соображений. Известно, что длина хорды определяется центральным углом α и радиусом r как l 2r·sin (3) Также известно, что угол, образованный касательной к окружности (а) и хордой (l) равен половине центрального угла α т.е. β= α/2. Кроме того, из треугольника АВС следует, что
β arctg (4)
l (5)
Из зависимостей (2).(5) несложно получить выражение (2).

Но радиус r определяется известным выражением
r (6) где q и m заряд и масса электронов;
В индукция магнитного поля;
V скорость движения электронов в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции.

Из зависимостей (2) и (6) следует выражение для определения В
B
(7)
Записанные в регистрах 23, 24 коды координаты попадания электронного пучка на анод, также как и код временного интервала, записанный в счетчике 20, опрашиваются спецвычислителем по команде, формируемой ФЛЗ 25, величина задержки которого чуть превышает временный интервал, необходимый пучку электронов для прохождения расстояния от электрода 5 до анода 3. Спустя некоторое время, достаточное для опроса регистров 23, 24 и счетчика 20, ФЛЗ 26 формирует импульс, вызывающий формирование импульса в ФОИ 13, что вызывает сброс регистров 23, 24 и счетчика 20, а также открытие ключа 9 с повторением всех рассмотренных операций.

П р и м е р. Пусть r 10 мм. При ВВ_{maxземли} 65 мкТл требуемая скорость движения электронов составляет 114235 м/с. Эта скорость обеспечивается прохождением пучком электронов разности потенциалов 0,04 В. Причем среднюю скорость движения равной 60˙10³ м/с (так как начальная скорость равна нулю). Если расстояние между электродами 4 и 5 равно 15 см, то это расстояние пучок пройдет за 2,5 мкс. Используя кварцевый генератор на 250 мГц (что вполне реально), в счетчике 20 будет накоплено 625 импульсов. Это обеспечивает погрешность измерения скорости не более 0,16% что сопоставимо с требуемой погрешностью измерения индукции магнитного поля. Будем считать, что а 6 мм. Тогда для r 10 мм, решая выражение (2), находим, что Х 2 мм. Изменим измеряемую индукцию на 0,1 мкТл, т.л. В 65,1 мкТл. Тогда получим r 10,0154 мм, а Х 1,996 мм, т.е. изменение Х составляет 4 мкм. Если увеличить а, то очевидно (см. фиг. 3) увеличится Х и соответственно Х. Для тех же условий при а 8 мм получим Х 4 мм, а Х 121 мкм. Создание решетки анода со стороной ячейки несколько микрометров в настоящее время не представляет трудностей (расстояние между слоями также несколько микрометров). Например, размеры конденсаторных элементов памяти в СБИС составляют 2,5х4 мкм, а площадь кристалла микросхемы памятью 4 МБит составляет не более 2 см². Поэтому вполне реально в качестве анода использовать кристалл СБИС с "оголенными" конденсаторными элементами памяти, заряд которых производится непосредственно путем попадания электронного пучка в соответствующую точку. Если же использовать выполненную сетку из проводников, известно создание запоминающих сеток навигационных систем с плотностью размещения проводников до 800 проводников на 1 см.

На фиг. 4 приведена другая схема устройства, реализующая предложенный способ. Отличия этой схемы от схемы на фиг. 1 незначительны и касаются лишь способа определения скорости движения пучка электронов. Если в устройстве на фиг. 1 скорость определяется посредством измерения времени прохождения заданного расстояния, то здесь скорость находится по зависимости
V (8) где U пройденная пучком электронов разность потенциалов.

Схема содержит экранированный корпус 1 с вакуумированным гермообъемом, подогревной катод 2, анод 3 (такой же, как и на фиг. 1), расположенные на одном уровне электроды 5 и 4, причем в центре электрода 5, расположено отверстие диаметром, равным требуемому диаметру пучка электронов, магнитный экран 6, источник питания 7, через ключ 8 и ограничительное сопротивление 9 соединенный с электродом 5, а через ключ-кнопку 10, первый вход схемы ИЛИ 11 с ФОИ 12, выход которого через линию задержки 13 и первый вход схемы ИЛИ 14 соединен с триггером 15, выход которого связан с управляющим входом ключа 8, связанный с электродом 4 ФОИ 16, выход которого соединен с вторым входом схемы ИЛИ 14, связанные с анодом блоки токовых ключей 17 и 18, регистры 19, 20, связанные с электродом 4 формирователи с линией задержки 21, 22 и спецвычислитель 23, причем выход ФЛЗ 22 связан с вторым входом схемы ИЛИ 11, выход ФОИ 12 связан с R-входами регистров 19, 20 и триггера 15, а выход ФЛЗ 21, как и выходы регистров 19, 20, связаны со спецвычислителем 23.

Работа устройства аналогичная работе устройства на фиг. 1 с той лишь разницей, что ускоряющее напряжение будет присутствовать на электроде 5 до тех пор, пока электроны не достигнут расположенного на одном уровне с электродом 5 электрода 4. Это обеспечивается за счет использования триггера 15, который открывает ключ 8, через который напряжение источника питания 7 подается на электрод 5 на время с момента перебрасывания триггера 15 в единичное состояние импульсом с ФОИ 12 до момента возвращения триггера в исходное состояние при поступлении на его вход импульса с ФОИ 16, возникающего при достижении потоком электронов электрода 4. Линия задержки 13 обеспечивает разновременность прихода импульса с ФОИ 12 на основной вход и R-вход триггера 15. Требуемая для расчета индукции скорость электронов определяется по зависимости (8). Все элементы устройства известны. Реализация спецвычислителя осуществляется на основе микропроцессоров.

Положительный эффект предложенного способа подтверждается следующими рассуждениями. Недостатки известного способа (невысокая точность, быстродействие и узость диапазона измерения) объясняются необходимостью иметь генератор линейно изменяющегося напряжения, обеспечивающий изменения напряжения по закону
u u_o + pT. (9)
Очевидно, что источником погрешностей является нестабильность u_о и непостоянство коэффициента р, т.е. нелинейность формируемого напряжения. В настоящее время генераторы линейно измеряющегося напряжения (ГЛИН) могут быть выполнены в аналоговом или аналого-цифровом виде. Аналоговый вариант реализуется с помощью интегратора, на вход которого поступает постоянное напряжение. Линейность такого ГЛИН и диапазон изменения формируемого напряжения невелики, причем стремление повысить линейность неизбежно приводит к сужению диапазона формируемого напряжения и, как следствие, к малому диапазону измерения индукции магнитного поля. Тем более, что изменению напряжения в n раз соответствует изменение измеряемой индукции лишь в раз. Кроме того, источником погрешности является нестабильность интегрируемого постоянного напряжения.

Аналого-цифровой ГЛИН содержит счетчик, изменение состояния которого за счет поступления на вход импульсов заданной частоты преобразуется с помощью цифроаналогового преобразователя в ступенчатое изменение напряжения. Очевидно, что в этом случае основным способом повышения линейности формируемого напряжения является увеличение разрядности счетчика и повышение стабильности источника питания. Однако следует учитывать, что максимальное напряжение, формируемое с помощью такого ГЛИН, ограничено напряжением источника питания счетчика. Для увеличения формируемого напряжения можно использовать управляемые разрядами счетчика высоковольтные ключи, однако это дополнительно усложняет схему и является дополнительным источником погрешностей. Довольно сложным для реализации такого ГЛИН является обеспечение требуемой кратности веса разрядов счетчика. Кроме того, сам факт наличия постоянного электрического поля между анодом и катодом в известном способе ухудшает потенциальную чувствительность к магнитному полю, так как электрическое поле препятствует проявлению эффекта отклонения электронов в магнитном поле от прямолинейного направления. Кроме того, дополнительным источником погрешности является возможная неоднородность электрического поля в зазоре между анодом и катодом.

Сложность обеспечения линейности ГЛИН в достаточно протяженном диапазоне изменения напряжения приводят к узкому диапазону измерения, а необходимость в каждом цикле измерений обеспечивать изменение напряжения во всем диапазоне его возможных значений ограничивает быстродействие способа. Причем требования по обеспечению одновременного расширения диапазона и повышения быстродействия противоречивы.

В заявляемом способе электрическое поле используется лишь для формирования пучка электронов и не влияет на его метрологические свойства. Частота следования циклов измерений может быть весьма высока (до сотен килогерц), поэтому данный способ может с успехом применяться при измерении быстроизменяющихся магнитных полей. Ширина диапазона определяется максимально регистрируемым отклонением пучка электронов от прямолинейного напряжения и легко может корректироваться за счет изменения скорости движения пучка электронов путем изменения величины ускоряющего напряжения.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, включающий ориентацию оси, соединяющей центры электродов вакуумированного чувствительного элемента перпендикулярно вектору измеряемой магнитной индукции, приложение к электродам ускоряющего напряжения и регистрацию результатов взаимодействия электронов с измеряемым магнитным полем, отличающийся тем, что воздействуют на подогревной катод чувствительного элемента ускоряющим электрическим полем, определяют скорость движения узкого пучка свободных прямолинейно движущихся к аноду электронов в условиях экранирования действия магнитного поля, определяют величину отклонения попадающего на анод пучка электронов от прямолинейного направления под действием магнитного поля с момента выхода пучка из зоны экранирования при известном расстоянии от зоны экранирования до анода и находят искомое значение магнитной индукции по соотношению

где m и q - масса и заряд электрона соответственно;
v - скорость движения пучка свободных электронов;
a - расстояние между зоной экранирования и анодом;
x - отклонение оси пучка электронов от прямолинейного направления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4