Устройство для управления полем электромагнита

 

е (, О П И С А Н И" 11) 553606, ИЗОБРЕТЕН И

И АВТОРСКОМУ СВИДИЕДЬСТВУ

Сеюь Советских

Социалистических

Республик (61) дополнительное к авт. свил-вуЯ) М. Кл. 605 F 7/00 (22) Заявлено 14.10.75 (21) 2180690/07 с присоединением заявки №(23) Г)рноритет (43) Опубликовано 05.04,77. Бюллетень М (45) Дата опубликования описании !0.11.

Государственный ноиитет

Соаета Министров СССР оо делам нэооретений и открытий

53) УДК 621.318.56(088.8) (72) Авторы изобретения

А. Г. Семенов, Э. В. Дворников и Э. Г. Михальцов

Специальное конструкторское бюро научного приборостроения Сибирского отделения

АН СССР и Институт химической кинетики и горения Сибирского отделения АН СССР (71) Заявители (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТА

Устройство предназначено для использования в областях науки и техники, где требуется создание магнитных полей с точно заданным значением магнитной индукции, а также точное автоматическое изменение магнитного поля во времени. В частности, такое устройство может найти применение в магнитной радиоспектросконии.

Известны устройства управления полем электромагнита, в которых дпя с табилизации поля используется явление ядерного магнитного резонанса (1).

Иэ известных устройств управления полем электромагнита наиболее близким по технической сущности является устройство (2), содержащее датчик ядерного магнитного резонанса (ЯМР), цифро-аналоговый преобразователь, генератор модуляции и блоки, образующие две петли авторегулирования. Датчик ЯМР состоит из автогенератора с катушкой индуктивности, помещаемой в управляемое поле электромагнита и содержащей ЯМРвещество, амплитудного детектора, управляющего элемента и модуляционных катушек. Первая петля авторегулирования осуществляет фазовую стабилизацию частоты автогенератора и включает в себя делитель частоты с переменным коэффициентом давления, фазовый детектор и источник напряжения стабильной частоты. Значение частоты автогенератора определяется величиной коэффициента деления делителя с переменным коэффициентом деления, устанавливаемого переключателем установки частоты. Вторая петля анторегупирования стабилизирует попе электромагнита и содержит блок обработки сигнала ЯМР и регулируемый источник питания электромагнита с аналоговым сумматором на

1О входе. Вепнчши индукции магнитного поля в зазоре электромагнита устанантвтвается автоматически и определяе шься ныбраннылт значением частоты автогенератора. С целью ускорения пооцесса захвата во второй петле анторегуп иронания предусмотрена грубая установка магнитной индукции, осуществляемая с помощью цифро-аналогового преобразователя.

К недостаткам известного устройства относятся отсутствие воэможности автома тического шагового изменения магнитного поля но времени, что необходимо, например, для развертки спектров в радиоспектроскопии магнитного резонанса; слишком большой шаг изменения поля (2,3 10 Т). Например,- в спектроскопии электрощтого парамагнитного резонанса макси553606

20

Автоматическая шаговая развертка поля электро-10 мальная величина шага не должна превышать 1 ° 10Г Т. Уменьшение шага в известном устройстве возможно лишь при снижении частоты колебаний опорного напряжения на фазовом детекторе петли авторегулирования частоты автогенератора. Однако при снижении частоты опорного напряжения возрастает инерционность системы авторегулирования частоты автогенератора, что приводит к снижению скорости изменения поля электромагнита и ухудшению кратковременной стабильности магнитного поля; отсутствие отсчета магнитного поля в значениях магнитной индукции, что затрудняет, например, оперативную обработку спектров магнитного резонанса; низкое отношение сигнала к шуму в петле стабилизации магнитного поля, обусловленное применением метода быстрого прохождения через ядерный магнитный резонанс с использованием магнитной модуляции большой амплитуды. (Получаемые при этом узкие импульсы сигнала ЯМР требуют широкой полосы пропускания усилительной части датчика ЯМР) . Следствием низкого отношения сигнала к шуму является низкая точность управления магнитным полем.

Цель изобретения — осуществление автоматической шаговой развертки поля электромагнита, увеличение быстродействия при любой величине. малости шага ускорение обработки данных магнитHblY; измерений путем получения отсчета поля в единицах магнитной индукции. магнита и увеличение быстродействия при любой величине малости шага установки и развертки поля достигаются тем, что в известное устройство, содержащее регулируемый источиик питания электромагнита с аналоговым сумматором на входе, датчик

ЯМР с модуляционными катушками, цифро-аналоговый преобразователь, блок обработки сигнала

ЯМР, генератор модуляции, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, переключатель установки частоты, фазовый детектор и источник напряжения стабильной частоты, дополнительно введены программный генератор импульсов шаговой развертки и счетчик, причем переключатель установки частоты подключен к установочным входам счетчика, кодовые выходы старших разрядов счетчика соединены с установочными входами делителя частоты с переменным коэффициентом деления, кодовые выходы младших разрядов счетчика подключены к цифровым входам цифро-аналогового преобразователя, аналоговый выход которого соединен с модуляционными катушками датчика

ЯМР, выход программного генератора импульсов шаговой развертки подключен к счетным входам счетчика.

Повышение точности управления полем достигается применением в датчике ЯМР метода малой магнитной модуляции с вьщелением в качестве управляющего сигнала первой производной линии поглощения ЯМР, в связи с чем блок обработки сигнала ЯМР полностью изменен: к выходу ампли35

60 тудного детектора датчика ЯМР подключены первый и второй фильтры, выделяющие соответственно сигналы ядерного магнитного резонанса с первой и второй гармониками частоты магнитной модуляцйи; Выход первого ильтра подключен к синхронному детектору, опор IM вход которого соединен с генера ром модуля ., Выход второго фильтра подклю н к амплитудному детектору. Выходы синхронн m и амплитудного детекторов соединены со входа генератора напряжения автопоиска, выход которого и выход синхронного детектора подключены ко входам аналогового сумматора регулируемого ист ка питания электромагнита.

Ускорение обработки данных магнитных измерений путем получения отсчета поля в единицах магнитной индукции достигается тем, что частота колебаний опорного напряжения фазового детектора выбирается, исходя иэ условия:

10 оп 2ат где у - гиромагнитное отношение ядер ЯМР вещества, n - целое положительное или отрицательное число, а также нуль, определяющее величину шага перестройки, частоты автогенератора датчика ЯМР.

На чертеже представлена блок-схема устройства управления полем электромагнита.

Устройство управления полем электромагнит содержит датчик ЯМР 1, делитель 2 частоты с переменным коэффициентом деления, фазовый детектор 3, источник напряжения стабильной частоты 4, счетчик 5, программный генератор 6 импульсов шаговой развертки, переключатель установки частоты 7, цифро-аналоговый преобразователь 8, блок 9 обработки сигнала ЯМР, аналоговый сумматор 10, регулируемый источник питания электромагнита 11, генератор модуляции 12, Автогенератор 13 датчика ЯМР 1 соединен с измерительной катушкой индуктивности 14, содержащей ЯМР вещество и помещаемой в поле электромагнита 15. Модуляционные катушки 16 подключены к генератору модуляции 12. Вход амплитудного детектора 17 соединен с автогенератором 13. Управляющий элемент 18 подключен к выходу фазового детектора 3 и к автогенератору

13. Программный генератор импульсов шаговой развертки 6 содержит последовательно включенные генератор периодической последовательности. импульсов 19, ключ 20, делитель частоты 21 и переключатель скорости развертки 22, а также селектор 23 импульсов с переключателем 24 шага развертки, коммутирующие ключи 25 и выключатель развертки 26. Входы селектора 23 импульсов подключены к делителю частоты 21 и к ключу 20, а выход — к коммутирующим ключам 25, управляющие входы которых соединены с переключателем шага развертки 24. Выходы коммутирующих ключей подключены к счетным входам счетчика 5, а выключатель развертки 26 соединен с управляющим входом ключа 20.

553606

30 гпе fa n — частота колебаний источника 4 напряжения стабильной . частоты. Состояние меньших разрядов счетчика 5 определяет ве- ф) личину тока через . модуляционные катушки16, задаваемого цифра-аналоговым преобразователем 8. Ток, протекающий через модуляционные катушки 16, создает в месте расположения измерительной катушки индуктивности 14 с ЯМР вешеством дополнительную индукцию Вдо„магнитного поля. После того, как частота fo автогенератора 13 и дополнительная индукция Вд „ установлены, включается генератор напряжения автопоиска 31, который воздействует через аналоговый сумма- 60

Блок 9 содержит фильтр первой гармоники частоты модуляции 27, фильтр второй гармоники частоты модуляции 28, синхронный детектор 29, амплитудный детектор 30 и генератор напряжения автопоиска 31. Выход фильтра 27 подключен ко входу синхронного детектора 29, выход которого соединен с генератором 31 и с аналоговым сумматором 10. Выход фильтра второй гармоники частоты модуляции 28 подключен ко входу амплитудного детектора 30, выход которого соединен с генератором 31, подключенного также к аналоговому сумматору 10. Входы фильтров 27 и 28 соединены с выходом амплитудного детектора 17 датчика ЯМР 1. Опорньй вход синхронного детектора 29 соединен с генератором модуляции 12. Выход регулируемого источника питания электромагнита 11 подключен к питающим обмоткам 32 электромагнита 15. Переключатель установки частоты 7 ! соединен с установочными входами счетчика 5. Кодовые выходы младших разрядов счетчика 5 подключены к установочным входам цифра-аналогового преобразователя 8, аналоговый выход которого соединен с модуляционными катушками 16. Кодовые выходы старших разрядов счетчика 5 подключены к установочным входам делителя 2 частоты с переменным коэффициентом деления, счетный вход которого соединен с автогенератором 13, а . счетньй ьыход — co входом фазового детектора 3.

Опорный вход фазового детектора 3 подключен к выходу источника напряжения стабильной частоты 4. С помощью переключателя скорости развертки 22 производится изменение коэффициента деления делителя частоты 21, Переключатель шага развертки 24 каммутирует цепи селектора 23 импульсов и счетные входы счетчика 5, подключаемые через ключи 25 к выходу селектора импульсов 23.Переключателем установки частоты 7 производится начальная установка счетчика 5 и, следовательно, начальная установка коэффициента деления и делителя 2 частоты с переменным коэффициентом деления, Под действием петли авторегулиравания, включающей в себя делитель 2 частоты с переменным коэффициентом деления фазовьй детектор 3 и управляющий элемент 18, частота колебаний to автогенератора 3 устанавливается равной о 1 оп

6

rop l0 на вход регулируемого источника питания электромагнита 11. Регулируемьй источник питания электромагнита 11 устанавливает ток в обмотках 32 электромагнита 15 такой величины, при которой выполняется, условие ядерного магнитного резонанса в месте расположения измерительной ка индуктивности 14 с ЯМР веществом:

2%

1 о = В+ одоп З, f(, ф i где Во -, суммарная величина индукции магнитного поля.

При выполнении условия (2) обусловленньй ЯМР сигнал на вьйоде амплитудного детектора 30 выключает генератор 31. При наличии ЯМР сигнала начинает функционировать петля авторегулирования магнитного поля, включающая в себя датчик ЯМР1, фильтр 27, синхронный детектор 29, аналоговый сумматор 10, регулируемый источник питания электромагнита 11, обмотки 32 электромагнита и электромагнит 15. В процессе регулирования поддерживается режим .стабилизации поля электромагнита 15. Условие (2) с учетом (1) может быть записано в следующем виде.

Н = 2жк (3)

Малые шаги установки индукции В реализуются посредством изменения Вдо„, большие — за счет изменения N При изменении Вд, д время на перестройку частоты автогенератора 13 не затрачивается, что повышает быстродействие устройства в целом. При шагах установки поля, превышающих полосу захвата петли авторегулирования поля, включается генератор напряжения автопоиска 31, который регулирует ток в обмотках 32 электромагнита 15 описанным выше образом. Развертка магнитного поля во времени от предварительно установленного значения индукции начинается после открывания ключа 20 выключателем 26. При малых шагах развертки выход селектора 23 импульсов с помощью переключателя шага развертки 24 подключается к счетным входам младших декад счетчика 5, при больших шагах — к счетным входам старших декад счетчика 5. Требуемьщ множитель шага развер тки обеспечивается селектором 23 импульсов, формирующим необходимое количество импульсов в пачках, следующих с частотой, задаваемой переключателем скорости развертки 22. Число импульсов в пачке устанавливается переключателем 24 шага развертки, Из выражения (3) следует, что, выбрав у= 27 40И где n - целое положительное или отрицательное число, а также нуль, и обеспечив равенство: ф1-«и-r

Вдоп=К1 10 +К 10 +..., где Kr, К ... — целые положительные числа от 0 до 9, получаем отсчет поля в единицах магнитной индукции и в десятичной системе.

Для управления полем электромагнита в области малых значений магнитной индукции (менее

553606

0,05 Т) аналогичное описанному устройство может использоваться с датчиком электронного парамагнитного резонанса.

Данное устройство управления полем электромагнита выгодно отличается от известных устройств высокой точностью управления магнитным полем, возможностью осуществления автоматической шаговой развертки поля, высоким быстродействием при любой величине малости шага установки и развертки поля. Отмеченные преимущества позволяют достичь высокой долговременной стабильности магнитного поля, высокой воспроизводимости магнитных разверток и снижения времени, затрачиваемого на реализацию заданного числа разверток с малым шагом, что представляет особую практическую ценность, например, для магнитной радиоспектроскопии высокого разрешения KRK стационарной, так и с Фурье — преобразованием в сочетании с ЭВМ для накопления .и обработки спектров. Кроме того при использовании устройства в упомянутой области ускоряется и упрощается обработка спектров магнитного резонанса благодаря наличию возможности отсчета поля непосредственно в единицах магнитной индукции.

Формула изобретения

1. Устройство для управления полем электромагнита, содержащее регулируемый источник питания электромагнита с аналоговым сумматором на входе, датчик ядерного магнитного или электронного парамагнитного резонанса с модуляционными катушками; цифро- анчлоговый преобразователь, блок обработки сигнала ядерного магцитного или электронного парамагнитного резонанса, генератор модуляции, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, переключатель установки частоты, фазовый детектор и источник напряжения стабильной частоты, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью осуществления автоматической шаговой развертки поля и увеличения быстродействия при любой малости шага установки и развертки поля, оно снабжено программным генератором импульсов шаговой развертки и счетчиком, причем пе. реключатель установки частоты подключен к уста- новочным входам счетчика, кодовые выходы старших разрядов счетчика соединены с установочными входами делителя частоты с переменным коэффициентом деления, кодовые выходы младших разрядов счетчика подключены к цифровым входам цифро-аналогового преобразователя, аналоговый выход которого соединен с модуляцирнными катушками, а выход программного генератора импульсов шаговой развертки подключен к счетным входам ситчика.

". Устройство по п.1, отличающее ся тем, что, с целью повышения точности управления, блок обработки сигнала ядерного магнитного или

I электронног парамагнитного резонанса выполнен в виде фильтра первой гармоники частоты модуляции с синхронным детектором нй выходе, фильтра второй гармоники частоты модуляции с амплитудным детектором на выходе и генератора напряжения автопоиска, причем входы обоих фильтров подключены к выходу датчика ядерного магнитного или электронного парамагнитного резонанса, выход синхронного детектора и генератора напряжения автопоиска соединены с аналоговым сумматором, опорный вход синхронного детектора подключен к генератору модуляции, выходы синхронного и амплитудного детекторов соединены с генератором напряжения автопоиска.

3. Устройство по п.1, о т лича юще е с я тем, что, с целью ускорения обработки данных магнитных измерений путем получения отсчета поля в единицах магнитной индукции, частота колебаний опорного напряжения на фазовом детекторе выбирается равной:

f.„= 10", где у — гиромагнитное отношение ядер или электронов рабочего вещества;

n - целое положительное или отрицательное число, а также нуль.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

l. Патент ФРГ. Р 1114237, НКИ 21 с 46/50

1962г.

2. Устройство, описанное в статье, опубликованной в журнале„йпс!еаг instruments and methods"

1973 r. 109, Р 2, стр. 365 — 370.

«53606

Составитель А. Лукин

Техред 3. Фанта

Редактор В. Фельдман

1 оРРектоР Д. Мельниченко

Заказ

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

1097/52 Тираж 1095 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5