Способ измерений геомагнитных полей и устройство для его осуществления

 

Использование: в криоэлектронике и криогенной технике в высокочувствительных магнитоизмерительных системах с длительным сроком автономности. Сущность изобретения: способ заключается в том, что размещают два идентичных антенных блока магнитометра на сквиде в двух одинаковых криостатах, попеременно охлаждают антенные блоки и поочередно изменяют выходные сигналы того из них, температура которого ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние материала, из которого изготовлены антенна и сквид. Устройство содержит по два охлаждаемых антенных блока, резервуара с жидким хладагентом, тепловых экрана, а также коммутатор антенных блоков, неохлаждаемый электронный блок, компрессор, блок управления, два блока охлаждения, коммутатор блоков охлаждения, емкость для газа, два автоматических клапана и два электромагнитных клапана. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к криоэлектронике и криогенной технике и может использоваться в высокочувствительных магнитоизмерительных системах с длительным сроком автономности.

На фиг.1 представлена схема, поясняющая способ непрерывных геомагнитных измерений; на фиг.2 структурная схема устройства для его осуществления; на фиг.3 схема блока управления; на фиг.4 схема коммутатора блока охлаждения.

Два идентичных антенных блока 1 (см.фиг.1) магнитометра помещают в стеклопластиковые криостаты 2, в один из которых заливают жидкий хладагент, обеспечивающий криостатирование антенного блока при температуре ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние материала антенны и сквида. С помощью коммутатора 3 подключают охлажденный антенный блок к неохлаждаемому электронному блоку магнитометра 4 и измеряют его выходные сигналы, пропорциональные внешнему магнитному полю. По мере проведения измерений хладагент в криостате, обеспечивающий рабочую температуру, будет испаряться со скоростью, определяемой параметрами криостата. Не дожидаясь полного испарения хладагента из первого криостата, начинают заполнение хладагентом второго криостата. После охлаждения второго антенного блока подключают его с помощью коммутатора 3 к электронному блоку 4 вместо первого антенного блока и происходит измерение магнитного поля. Время переключения коммутатора 3 может составлять 1 мкс при выполнении коммутатора, например, на микросхеме 590КН7, что практически не влияет на непрерывность геомагнитных измерений, проводимых в полосе частот не более 1 кГц. Во время работы второго антенного блока возобновляют запас хладагента в первом криостате. После испарения хладагента во втором криостате вновь переключают антенные блоки. Процедуру повторяют в течение времени, необходимого для проведения измерений. При этом объем криостата 2 должен быть таким, чтобы время криостатирования антенного блока на одной заливке хладагента было больше времени, необходимого для проведения новой заливки криостата.

Кроме того, в предложенное устройство введены еще один антенный блок, размещенный в дополнительно введенном блоке охлаждения, коммутатор антенных блоков, коммутатор блоков охлаждения и два электромагнитных клапана.

Устройство (см. фиг.2) содержит два идентичных антенных блока 1 сквид-магнитометра, размещенных в двух резервуарах 2 с жидким хладагентом, коммутатор антенных блоков 3, неохлаждаемый электронный блок магнитометра 4, два одинаковых блока охлаждения 5 МКС Гиффорда-Макмагона со специальными тепловыми экранами 6, емкость для газа 7, компрессор 8, два автоматических клапана 9 и 10, два электромагнитных клапана 11 и 12, блок управления МКС 13 и коммутатор блоков охлаждения 14.

Выходом устройства служит выход электронного блока 4, с входом которого через коммутатор 3 соединены выходы антенных блоков 1. Пневматический выход компрессора 8 подключен параллельно к пневматическим входам 1 блоков охлаждения 5, входу автоматического клапана 10 и через электромагнитные клапаны 11 и 12 к пневматическим входам 2 блоков охлаждения. Выход клапана 10 подключен к входу емкости для газа 7, выход которой подключен к входу автоматического клапана 9. Пневматические выходы 1 блоков охлаждения 5 подключены к пневматическому входу компрессора 8, пневматические выходы 2 блоков охлаждения 5 подключены к выходу автоматического клапана 9 и пневматическому входу 2 компрессора 8. Выход 1 блока управления 13 соединен с электрическим входом компрессора 8, электрический выход которого соединен с входом компрессора 8, электрический выход которого соединен с входом 1 блока управления, выход 2 блока управления 13 соединен с входом 1 коммутатора 14, выход которого соединен с входом 2 блока управления 13. Выходы 2, 3 коммутатора 14 соединены с электрическими входами первого и второго блоков охлаждения 5 соответственно. Электрические выходы первого и второго блоков охлаждения 5 соединены с входами 2,3 коммутатора 14 соответственно. Выходы 4, 5 коммутатора 14 соединены с управляющими входами электромагнитных клапанов 11 и 12 соответственно, причем выход 5 коммутатора 14 одновременно соединен с управляющим входом 3 коммутатора 3. Электропитание устройства осуществляется от трехфазной сети 380 В 50 Гц и на схеме не показано.

Антенный блок 1 содержит рамочную антенну, выполненную из сверхпроводящего материала (например, ниобия) и индуктивно связанную со сквидом, выполненным также из сверхпроводящего материала, контур накачки сквида (катушку индуктивности и конденсатор) и линию связи с неохлаждаемым блоком магнитометра. Неохлаждаемый электронный блок 4 предназначен для усиления, детектирования и фильтрации выходных сигналов антенного блока 1.

Антенный блок 1 и электронный блок 4 вместе представляют собой непосредственно магнитометр на сквиде.

Коммутатор 3 антенных блоков 1 предназначен для поочередного подключения выходов антенных блоков 1 к входу электронного блока 4.

Блоки охлаждения 5, компрессор 8, клапаны 9-12, емкость для газа 7, блок управления 13 и коммутатор 14 представляют в совокупности микрокриогенную систему (МКС), предназначенную для криостатирования антенных блоков 1 магнитометра при температуре ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние материала антенны и сквида.

Блок охлаждения МКС предназначен для накопления жидкого хладагента в резервуаре, где размещен охлаждаемый антенный блок. Блок охлаждения, кроме резервуара с хладагентом, содержит трехступенчатый микроохладитель Гиффорда-Макмагона (температура ступеней 80, 30 и 17 К соответственно), микротеплообменники и тепловой экран, имеющий температуру первой ступени охлаждения. Для обеспечения магнитопрозрачности в заданном диапазоне частот нижняя часть кожуха блока и резервуара для хладагента выполняются из стеклопластика, а тепловой экран изготавливается из изолированных медных полос.

Электромагнитные клапаны 11 и 12 предназначены для отключения пневматических входов 2 (вход микротеплообменников) блоков охлаждения 5 от пневматического входа компрессора 8 при выключении блоков (после накопления жидкого хладагента) и для обратного их подключения (после испарения жидкого хладагента) по командам коммутатора 14.

Автоматические клапаны 9,10 и емкость для газа 7 предназначены для хранения газа, испаряющегося из резервуара отключенного блока охлаждения во время криостатирования в нем антенного блока, а также для поддержания постоянства температуры криостатирования.

Кроме того, клапаны 9,10 и емкость 7 позволяют изменять количество газа в циркуляционном контуре МКС, что дает возможность при захолаживании поддерживать постоянный режим работы системы.

Компрессор 8 предназначен для обеспечения заданного давления хладагента на пневматических входах блоков охлаждения 5 и для нагнетания испаряющегося газа в емкость 7.

Блок управления 13 (см.фиг.3) предназначен для управления режимами работы МКС и контроля ее параметров. Он состоит из панели управления 15 и блока контроля температуры 16.

Коммутатор 14 (см.фиг.4) блоков охлаждения предназначен для попеременного включения и выключения блоков охлаждения 3 по мере испарения и накопления в них жидкого хладагента. Он состоит из компаратора 17, триггера 18, дешифратора 19, мультиплексора 20, ключей 21, 22, реле 23 26 и кнопки 27.

Вход 2 компаратора соединен с источником регулируемого опорного напряжения, вход 3 компаратора с выходом 4 мультиплексора 20, входы 3 и 2 которого соединены с входами 4 и 16 ключей А1, А2 соответственно. Эти входы являются вторым и третьим входами коммутатора. Параллельно соединенные выходы 1 и 3 ключа А1 являются первым выходом коммутатора. Выход 7 компаратора 17 соединен с входом 3 триггера 18, выход 5 которого соединен параллельно с управляющими входами 13 дешифратора 19 и 1 мультиплексора 20. Выход 9 дешифратора 19 соединен параллельно с управляющими входами 15 ключей 21, 22. Входы 5, 9 ключа 21 и входы 4, 16 ключа 22 соединены параллельно с источником напряжения +5 В, а выходы 6, 8, 3, 1 подключены к обмоткам реле 23-26. Контакты 2 реле 23,24 соединены параллельно с источником напряжения +27 В, а контакты 3 являются четвертым и пятым выходами коммутатора соответственно. Контакты 2 реле 25 и 26 соединены параллельно и являются первым входом коммутатора, а контакты 3 вторым и третьим выходами коммутатора соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Сначала включают МКС с первым блоком охлаждения. В этом случае дешифратор 19 коммутаторов блоков охлаждения сигналов с выхода 9 включает ключи 21, 22 (см. фиг.4) так, что ключ 21 подключает электрический выход первого блока охлаждения к входу 2 блока управления 13 МКС, включает обмотку реле 23 и тем самым подает управляющее напряжения 27 В на электромагнитный клапан 11, который подключает пневматический выход компрессора 8 к пневматическому входу 2 первого блока охлаждения, а ключ 22 включает обмотку реле 25 и тем самым подключает выход 1 блока управления 13 МКС к электрическому входу первого блока охлаждения (питание двигателя микроохладителя Гиффорда-Макмагона).

В момент включения МКС оба блока охлаждения 5 имеют комнатную температуру, а в емкости 7 находится гелий под давлением заполнения системы. После включения компрессора 8 газ под давлением около 2,0 МПа поступает в микроохладитель и через открытый клапан 11 в микротеплообменики первого блока охлаждения. Во второй блок охлаждения газ не поступает, так как микроохладитель этого блока и клапан 12 не включены. После охлаждения газ с выхода (микроохладителя) 1 под давлением около 0,5 МПа поступает на вход 1 компрессора, а с выхода (микротеплообменников) 2 под давлением около 0,13 МПа на вход 2 компрессора. Время выхода на заданный температурный режим 4,5 К для системы магнитопрозрачным блоком охлаждения составляет 12 ч.

После выхода на рабочий температурный режим начинается накопление жидкого гелия в резервуаре 2 (см.фиг.2). Газ для ожижения поступает из емкости для газа 7. После накопления заданного объема жидкости выключают первый блок охлаждения, подключают первый антенный блок 1 через коммутатор 3 к неохлаждаемому электронному блоку 4 магнитометра и одновременно включают второй блок охлаждения.

Для этого с помощью кнопки 17 коммутатора 14 (см.фиг.4) подают импульс на вход триггера 18, который устанавливается в состояние, противоположное исходному, и переключают дешифратор 19. Сигнал с выхода дешифратора переключает ключи 21, 22 так, что ключ 21 подключает электрический выход второго блока охлаждения к входу 2 блока управления 13 МКС, включает реле 24 и тем самым подает управляющее напряжение на электромагнитный клапан 12, который подключает пневматический выход компрессора 8 к пневматическому входу 2 второго бока охлаждения, а ключ 22 включает обмотку реле К4, которое подключает выход 1 блока управления 13 МКС к электрическому входу второго бока охлаждения (питание двигателя микроохладителя). Сигнал с выхода 5 коммутатора является сигналов переключения коммутатора 3 антенных блоков, который подключает охлажденный антенный блок к блоку 4.После этого магнитометр на сквиде готов к проведению измерений.

Время работы первого антенного блока определяется объемом гелия в резервуаре 2 и скоростью его испарения, которая зависит от теплопритоков в зону криостатирования. Испаряющийся гелий компрессор 8 закачивает в емкость 7. Клапан 10 автоматически поддерживает постоянным давление нагнетания в магистрали, подключенной к пневматическому выходу компрессора 8. Клапан 9 автоматически поддерживает постоянным давление всасывания в магистрали, подключенной к пневматическому входу 2 компрессора 8. В этом время включенный второй блок охлаждения аналогично выходит на режим и накапливает жидкий гелий в резервуаре 2, где размещен второй антенный блок.

После накопления хладагента во втором блоке охлаждения и полного испарения хладагента из первого блока охлаждения для продолжения измерений магнитного поля вместо первого антенного блока к неохлаждаемому антенному блоку 4 магнитометра подключается второй антенный блок. Это происходит следующим образом.

Выходное напряжение датчика температуры зоны криостатирования первого блока охлаждения через мультиплексор 20 (см.фиг.4) поступает на вход 3 компаратора 17. При повышении температуры из-за полного испарения гелия это напряжение начинает расти, что приводит к срабатыванию компаратора в момент превышения опорного напряжения на его входе 2. Датчик температуры в зоне криостатирования расположен выше охлаждаемого антенного блока, так что при повышении температуры в месте установки датчика отогрев антенного блока еще не наступает и магнитометр продолжает измерения. Выходной сигнал компаратора переключает триггер в противоположное состояние, после чего процесс переключения блоков охлаждения происходит так, как описано выше. Одновременно триггер переключает мультиплексор 20 и на вход компаратора подается выходное напряжения датчика температуры второго блока охлаждения, имеющего к этому времени полный запас жидкого гелия. Сигналом с выхода 5 коммутатора 14 (см. фиг. 2) переключается коммутатор антенных блоков 3, после чего измерения магнитного поля можно продолжать.

Процедура автоматически повторяется в течение времени, необходимого для проведения измерений. При этом объем резервуара 2 должен быть таким, чтобы выполнялось условие t(_исп) > t(_реж) + t(_ож); где t(_исп.), t(_реж),t(_ож) время испарения хладагента, время выхода блока на рабочий температурный режим и время ожижения заданного объема хладагента соответственно.

С целью исключения взаимных наводок блоки охлаждения необходимо разнести на некоторое расстояние друг от друга. Для этого измеряют с помощью антенного блока, криостатируемого, например, в первом блоке охлаждения, уровень наводок от работающего второго блока охлаждения. Затем разносят блоки охлаждения на такое расстояние, чтобы уровень взаимных наводок стал меньше порога чувствительности магнитометра. При этом учитывают, что в ближней зоне магнитное поле убывает пропорционально кубу расстояния до источника поля. При использовании МКС типа МСКЦ-700А-1,2/4,5 расстояние ограничено длиной гибких трубопроводов (100 м), соединяющих блоки охлаждения 5 с компрессором 8.

Формула изобретения

1. Способ измерений геомагнитных полей, включающий охлаждение антенного блока магнитометра в криостате и измерение выходных сигналов антенного блока, отличающийся тем, что размещают второй антенный блок во втором криостате, попеременно охлаждают антенные блоки и поочередно измеряют выходные сигналы того из них, температура которого ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние материала, из которого изготовлены антенна и сквид.

2. Устройство для измерений геомагнитных полей, содержащее охлаждаемый антенный блок, неохлаждаемый электронный блок и систему охлаждения, состоящую из компрессора, блока управления, блока охлаждения, в котором размещен антенный блок, емкости для газа и двух автоматических клапанов, причем выход блока управления соединен с электрическим входом компрессора, электрический выход которого соединен с входом блока управления, пневматический выход компрессора подключен параллельно к пневматическому входу блока охлаждения и входу первого автоматического клапана, первый и второй пневматические выходы блока охлаждения подключены соответственно к первому и второму пневматическим входам компрессора, а выход первого автоматического клапана через емкость для газа подключен к входу второго автоматического клапана, выход которого подключен параллельно с вторым выходом блока охлаждения к второму пневматическому входу компрессора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены еще один антенный блок, размещенный в дополнительно введенном блоке охлаждения, коммутатор антенных блоков, коммутатор блоков охлаждения и два электромагнитных клапана, причем выходы первого и дополнительного антенных блоков соединены с первым и вторым входами коммутатора антенных блоков соответственно, выход коммутатора антенных блоков соединен с входом неохлаждаемого электронного блока, выход которого является выходом всего устройства, второй выход блока управления соединен с первым входом коммутатора блоков охлаждения, первый выход которого соединен с вторым входом блока управления, второй и третий выходы коммутатора блоков охлаждения соединены с электрическими входами первого и второго блоков охлаждения соответственно, четвертый и пятый выходы коммутатора блоков охлаждения соединены с управляющими входами первого и второго электромагнитных клапанов соответственно, причем параллельно с управляющим входом второго электромагнитного клапана соединен управляющий вход коммутатора антенных блоков, электрические выходы первого и второго блоков охлаждения соединены с вторым и третьим входами коммутатора блоков охлаждения соответственно, пневматический выход компрессора подключен параллельно к первому пневматическому входу второго блока охлаждения и к пневматическим входам первого и второго электромагнитных клапанов, пневматические выходы которых подключены к вторым пневматическим входам первого и второго блоков охлаждения соответственно, пневматические первый и второй выходы второго блока охлаждения соединены соответственно с первым и вторым входами компрессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4