Способ измерения градиентамагнитногополя и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ82834 Союз Советских Социалистических Республик(4 о) Дата опубликования описания 22.0 о.81 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(71) Заявитель Львовский ордена Ленина политехнический институт(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАДИЕНТА МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ10 Изобретение относится к измерительной технике,и может быть ислользовано для измерения относительного градиента магнитного полянапример в магнитных системахИзвестен опособ измерения градиента магнитного поля, основыванный на использовании гальваномагнитных явлений в полупроводниковой пластилине с током, помещенной в неоднородное магнитное поле. Устройство, реализующее опособ, содержит полупрогзодниковую иластину с двумя ллоскими электродами, расположенныони на ее торцах, а также с двумя точечными электродами, расположенными на одной пз боковых граней 1.Недостаток способа заключается в невысокой точности.Целью изобретения является повышение точности измерения градиента магнитного поля.С целью повышения точности, ирп измерении градиента магнитного поля способом, включающим воздействие неоднородного,магнитного поля на полулроводниковую отластину, определяют плотность тока, ттротекающего через пласпину, в двух точках, симметричных относительно продольной оои пластины и расположенных ва противоположных боковых гранях лолупроводнпковой пластины, с последующим определением традкента магнитного поля по формуле; где,;, у - значения плотности тока всимметричных указанных точ,ках;У - полный ток, протекающий через пластингд - толщина полупроводниковойпластины;оо - удельное солротивление материала пластины;Й - коэффициент, характеризующий увеличение удельного сопротивления пластины в маг нитном поле;Р - постоянная Холла материалапластины.В устройство для измерения градиентмагнсчтного поля, содержащее лолупровод 25 никовую пластину с двумя электродами,расположенными на ее торцахи источникпостоянного тока, введены две пары дополнительных электродов, каждая пз которых расположена на боковых стенках соЗ 0 ответствующего прямоугольного выреза,.5 .==р 20 о=оо 6 Н,30 40 45 дг(11 -= А 50 то 1 Е=О,60 д 1,. д 1,.дхд выполненного на боковой грани полупроводниковой пластины, симметрично ее проДОЛЬНОй ООИ.На фиг, 1,изображена полупроводниковая пластина с током, отнесенная к прямоугольным координата,м х, у и помещенная в неоднородное магнитное поле, перпенди.кулярное к плоскости пластины, с градиентом, направленным вдоль оси х. На фиг. 2 прив:дена экспериментально снятая зави- СНМОСТЬ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛСНИ 51 ОТ ИНДК- ции магнитного поля для антимонида индия с копцептрацией электронов при 1 =- =ЗООК равной 8 106 с,ц .11 а фиг, 3 приведена зависимость плотности тока в пластине от координаты по ширине пластины. На фиг. 4 схемати гно изображено устройство для измерения градиента магнитного поля.Устройство для лзмерения градиента магнит:1 ого поля содержит источник постоя нуного тока 1 полупроводниковую пластину 2 с двумя прямоугольными симметричными относительно продольной оси вырезами, снабженну 1 О двумя плоск 1 ими электродами 5, 4, а также электродами 5, б и 7, 8, нанесенными на боковые стенки вырезов и соед 1 шенными между сооой рез,исторами 9 и 10. При помс 1 ценни полупроводнш(озой пластины с током в неоднородное магнитное поле и разных сечениях пластины будет возникать поле Холла с разными напряженностями. Рассматривая контур а - Ь -- Ь - а на поверхности пластины, получим где С/м, К. 1, - К, 11 оь - напряжения между соответствующими точками на по- ВЕРХНОСГИ ПЛЯСТИНЫ.ГОскольку Сl, - Уи - О, то и Уао - (1, 1=, - .О, т. е. напряжения между точками а - Ь и а - Ь не равны друг другу и не равны падению напряжения, создаваемому на участке между этими точками протекающим через кристалл током 1. Поэтому по контуру а - -Ь - Ь - а должен протекать циркулирующий ток, который, Складываясь алгебрагически с током 1, приводит и неоднородному распределению тока, протекающего через пластину. Величина этой неоднородности определяется градиентом магнитного поля, поэтому, измеряя распределение плотности тока по сечению пластины, мои(но установить градиент магнитного поля. Установим зависимость между градиентом магнитного,поля и видом распределения плотности тока по сечению пластины. Запишем выражение для напряженности электрического поля, возникающего в пластине,с током, помещенной в магнитное поле. Е - Р 1. - 1 Н 1 =Р(1 - И,) Еу -- т(Н 1 т+ Р 1 у = О (Их+1 у),где Е Е - проекции вектора напряженности электрического поляна координатные оси х н у;1 1 - проекции вектора плотноститока на коор;1 ииатные оснхну;Н - напряженность магнитногополя;р - удельное сопротивление материала пластины;15 1(постоянная Холла материала пластины; В области сильных магнитных полей удельное сопротивление полупроводника линейно увеличивается с ростом магнитного поля (фиг, 2), поэтому можно записать 25где ро - удельное сопротивление материала пластины в отсутствие магнитного поля;Ь - коэффициент, характеризующийувеличение удельного сопротивлен,ия полупроводника с ростом магнитного поля; моукет быть 35определен из экспериментально снятой зависимости р=р (Н)Таким образом, в области сильных маг 1 штных полей 15 не зависит от координаты Из уравнения непрерывности учитывая, что в случае постоянного магнитного поля а так 1 ке принимая во внимание (1) и (2), получаем систему дифференциальных уравнаний для компонент вектора плотности электрического тока д д 1 1 др1 у 1(ч 1 1) - О д,. ду р дх Для дальнейшего достаточно знать распределение плотности тока в каком-либо828134 рый неравномерно распределен по ее ширине.Поскольку размеры вырезов многоменьше размеров пластины, сопротивленл% резисторов 9 и 10 равны сопротивлениям удаленных частей нластины, распределение плотности тока по ширине пластины будет таким же, как и для пластнны без вырезов, При этом, поскольку шпрпна электродов 5, го 6, 7 и 8 много меньше ширины пластины,(4) 15 где 1 12 - токи через резисторы 9 и 10 соответственно; с - ширина электродов 5, 6, 7 и 8,- ;., 1 г 1 йС 95 г/а аЗ 1 ----- ея;1.1 = 2 ггг а(3 Ь2 1; г 11,.гну. На фиг. 3 приведены кривые распределения плотности тока по сечению пластины при различных а, откуда следует, что вид распределения сильно зависит от величины относительного градиента магнитного поля и.Разность плотностей тока в точках с ко ординатами 1, - 1., ф,1 г 1Ь 1 Ьх= - ; у = -- и х =; у=-= --- .(5)2 2 245 р,авиа а 311 12 Д 1 г 12 1 ог 1а =(5) сечении пластины. Поэтому рассмотрим случай, когда ггЬ 1, где гг - толщина, Ь - ширина, 1 - длина пластины. В этом случае из соображений симметрии следует, что в точках, удаленных от концов пластины, вектор плотности тока должен быть параллелен боковым граням пластины, т, с, 1= О. Поэтому из (3) получим уравнени для плотности. тока в сечении пластины, удаленном от ее концов (0(х 1)сг 11;а 81=0, Д"сгЯгде а.= -- ; - . = -- ;гг -. - ; - относительный градиент магнитного поля. Предположим, что а слабо изменяется по длин пластины, т. е, в некоторой окрестности х(0 х 1) сг=сопЫ. Это означает, что в окрестности точки х(0 х 1) реальное распределение магнитного поля мы аппроксимируем экспонентой Н - е, Для этого случая решение уравнения (4) имеет вид откуда легко может быть, найдено Таким образом, производя измерение плотности тока в двух точках, симметричных относительно продольной оси пластины, расположенных на боковых гранях ее, по формуле (5) можно определить градиент магнитного поля.Устройство работает следующим образом. Прп помещении пластины 2 в неоднородное магнитное поле и,подключении к электродам 8, 4 источника лостоянного тока 1 через пластину протекает ток, котоИзмерив токи 11 и 12, относительный градиент магнитного поля определяем из фор- мулы фор мула нзо бр етения Способ измерения граднента магнитного поля, включающий воздействие неоднородного магнитного поля на полупроводниковую пластину, отлпч а ющийс я тем, что, с целью повышения точности, определяют пгготность тока, протекающего через пластину, в двух точках, симметричных относительно продольной осн пластины и расположенных на противоположных боковых гранях полупрозодниковой п.ластины, с последующим определением градиента магнитного поля по формуле: где 1 ь 1, - значенне плотности тока всимметричных точках;1 - полный ток, протекающий через полупроводниковую пластину;д - толщина полупроводниковойпластины;р - удельное со 1 противлсние материала полупроводниковойпластины;1 г - коэффициент, характеризующий увеличение удельного сопротивления материала полупроводниковой пластины вмагнитном поле;Л - постоянная Холла материалаполупроводниковой пластины.2. Устройство для измерения прадиента магнитного поля, содержащее полупроводниковую пластину с двумя ллоскими элек828134 г,1 Фиг Составитель ф. Тарнопольскаяедактор Б, федотов Текред А, Камышникова Корректор И. Осиновск заказ 57 б/515 Изд.355 Тпрдис /49 ПодписноНПО Поиск Государственного комитета СССР по делам изобретений и открыти113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 ип. Харьк. фил. пред, Патент тродами, расположенными на ее торцахи источник постоянного тока, о т л,и ч а ющееся тем, что оно содержит две пары дополнительных электродов, каждая из которых расположена на боковых стенках соответствующего прямоугольного выреза, выполненного из боковой грани полупрос 1 (с., ф.д / Г - фр 1,. водниковой пластины симметрично относительно ес продольной оси. Источник информации, принятый во5 внимание при экспертиве: 1, Авторское свидетельство СССР Л 340987, 6 01 К 33/06, 1972 (прототип). Р Рр 2