Способ определения компонент тензора градиента магнитного поля

%1404993, кл. О 0 М. 7ллофизики АНкаленко, М.А Никитин, Ю. ССРИван Пого 8)етельство СССРВ ЗЗ/035, 1986. ПОНЕНТ НОГО ПО ЕРЕНИЯ КО ЕНТА МАГН(57) Изобренитных,полпри определра градиенмногополюцелью повысти измерен Изобретенинитных полей идля определениента магнитноголюсных постоян касается измер может быть исп величин компон поля, например ных магнитов,ения магльзованонт градимногопо: ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЪСТВУ тение касается измерения магей и может быть использовано ении величин компонент тензота магнитного поля, например сных постоянных магнитов; С шения разрешающей способноий компонент тензора градиенИзвестен 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; 2та магнитного поля за счет прямого определения его компонент непосредственно в точке магнитного поля перемещают в магнитном поле сверхпроводящий зонд и регистрируют его положениеотносительно 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 относительноизмерительного контура интерферометра иизменений магнитного потока в контуре дляне менее чем четырех не находящихся водной плоскости положений зонда.Этот способ позволяет с учетом размеров и магнитной проницаемости зонда поизмеренным параметрам находить модульи вектор индукции магнитного потока, а после определения значений магнитной индукции в нескольких областях - и градиент 10магнитного поля,Однако этот способ не позволяет осуществлять локальные и экспрессные измерения, а следовательно, не может бытьприменен при изучении полей сложных конфигураций и меняющихся во времени по-лей. Причины этого недостатка заключены внеобходимости выполнения замеров пара.метров магнитного поля в нескольких точках пространства, 20Целью изобретения является повышение разрешающей способности измеренийкомпонент тензора градиента магнитногополя за счет прямого определения его компонент непосредственно в точке магнитного поля,Поставленная цель достигается тем, чтов способе измерения параметров магнитного поля, включающем перемещение в магнитном поле сверхпроводящего зонда и 30регистрацию его положения относительноизмерительного контура, измеряют частотысвободных колебаний упруго закрепленного зонда в несверхпроводящем состояниивне магнитного поля и в сверхпроводящем 35состоянии в магнитном поле в заданных направлениях, по которым рассчитывают величины компонент тензора градиентамагнитного поля.Физическая сущность изобретения заключается в том, что высокотемпературныесверхпроводники выше температуры сверхпроводящего перехода являются слабымипарамагнетиками и поэтому прозрачны длямагнитных силовых линий, в связи с чем 45частота колебаний определяется лишь жесткостью упругого элемента. Ниже температуры сверхпроводящего перехода ониначинают сильно взаимодействовать с магнитным полем так, что часть магнитного поля 50выталкивается из сверхпроводника (эффектМейсснера), и в то же время силовые линиимагнитного поля закрепляются в сверхпроводнике на центрах пиннинга (дефектах инарушениях кристаллической решетки), образуя вихревую магнитную решетку. В результате этого сверхпроводящее тело приколебаниях деформирует магнитную вихревую решетку, образованную магнитным полем. Это адекватно увеличению жесткостиупругого элемента крепления сверхпроводящего зонда и находит отражение в увеличении частоты его свободных колебаний,которое качественно описывает выражение ш = 2. где а - масса зонда, уП 1- коэффициент жесткости системы. Таким образом, частота колебаний сверхпроводящего зонда определяется двумя параметрами: а) жесткостью упругого элемента, величину которого определяют, измеряя частоту упругих колебаний зонда в несверхпроводящем состоянии; б) жесткостью за счет закрепления в сверхпроводящем зонде вихревой магнитной решетки, которую определяют с учетом а), измеряя частоту упругих колебаний зонда в сверхпроводящем СОСтОЯНИи,Количественные соотношения между частотой колебаний зонда и компонентой тензора напряженности магнитного поля бН/бХ в направлении колебаний определяются из выражения для свободной энергии сверхпроводника при его смещении в неоднородном магнитном полеЕ (Х) = Н -(уу) + 4 7 г Мо 2 )х-хбХ" (Х Хо) +сопзс,где (Х - Хо) - смещение из положения равновесия;Мо - намагниченность в точке Хо, и при сферической форме сверхпроводящего зонда имеют вид для диагональных ком- понент б Нх бХб Ну бУ б 2 ля недиагональных компонен 1 )Нг РНУ210 15 20 25 30 35 40 45 50 55 их, А(, юе, Фу и ю частоты колебаний в направлениях Х, У, Е и по биссектрисам между осями Х, У и,2.При измерениях закономерностей изменения градиента напряженности магнитного поля во времени должно соблюдаться условие о НбсТаким 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 У 1 ВагСгзО 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 йЪ = 370 Гц. После этого зонд располагают на оси СоЯгп магнита 8 в форме параллелепипеда 20 х 20 х 40 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 способб 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 б Н/оХ. В упомянутой точке она составляет 2,25 10 Э/см. При измерениях по предлагаемому способу частота колебаний в этом направлении составляет вх = 483 Гц и бН/бХ = =2,23 10 . Э/см. Таким образом, значения градиента магнитного поля в точке измерений совпадают с точностью 0,1/, 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 определенияМ. Пожо аказ 691 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитет бретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, ушская наб., 4/5 а поизо Ж, Ра роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 компонент тензора градиента магнитного состоянии в магнитном поле в заданных наполя непосредственно в любой точке маг- правлениях, по которым определяют велинитногополя, В результатеэтогометодосо- чины компонент тензора градиента бенно эффективен при определении магнитного поля для диагональных компоградиентов магнитных полей сложных кон нент фигураций, с немонотонным изменением б Нх напряженности, Предлагаемый способ так- б Х - (шх - й 4)3 же позволяет сократить время измерений б Ну пропорционально уменьшению числа изме- б У = -(и - й 4) рений, требовавшихся для построения ана литической функции по известным способам, и повысить их точность за счет ины локальности замеров. В целом этб снижает ЗНг ЗН трудоемкость измерений и повышает их эффективность. . НУ ДН Формула изобретения Способ определения компонент тензора градиента магнитного поля, заключающийся в перемещении в магнитном, поле р2= ) сверхпроводящего зонда и регистрации его, 20Н 3, положения относительно измерительного - Ь, ( о контура, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с С 3целью повышения разрешающей способно- где р. - плотность сти измерений компонент тензора градиента магнитного поля, измеряют частоты 25 свободных упругих колебаний закрепленнолебаний в напр екго зонда в несверхпроводящем состояниитрисам между вне магнитного поля и в сверхпроводящем