Устройство для управления полем электромагнита

Союь СоветскихоциалистицескихРеспублик ИЗО ИДВТЕДЬС 7 В ВУОРСКО ополнительное к авт. свил.вуе) М. Кл о 14.10.75 (21) 2180690/0(22) За присоединением заявкигосударственный ноиитеСоаета Министров СССРоо делам нэооретенийи открытий оритет(43) Опубликов 5,04,77. Бюллете 53) УДК 621,318.56(088,8 5) Дата опубликования описании 10.11 Авторыизобретения менов, 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 аявители 4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕМ ЭЛЕКТРОМАГН итнои индукции, эменение магнит а также точное автоматного поля во времени. Втво может найти гтримецегпгектроско гц и.тройства управления гкоторых для стабилизации иние ядерного магнитного р ическое частносг, такое устроисмагнитнойрадиосг Известны ус лектромагцита, в используется явле панса 1,голе устроиства ти автомамагнитного например, для копии магнитшаг изменения.таткам известг К недв,носятся тсутствие возможноетагового измененияни, что необходимо,тров в радиоспектросслишком большойТ) . Например, впар амагнитн ого рез тическогополя во врем азве тки спе ного резонанс поля (2,3 10 электронного спектроско макси Устройство предназначено для использования в областях науки и техники, где требуется создание магнитных полей с точно заданным значением магИэ известных устроцств уггравления полем электромагнита наиболее близким по технической сущности является устройство 121, содержащее датчик ядерного магнитного резонанса (ЯМР), цифро-аналоговый преобразователь, генератор модуляции и блоки, образующие две петли авторегулировация. Датчик ЯМР состоит иэ автогенератора с катушкой индуктивности, помещаемой в управляемое поле электромагнита и содержащей ЯМР веще. ство, амплитудного детектора, управляющего элемента и модуляционных катутпек. Первая петля авторегулировация осуществляет фазовую стабилизацию частоты автогенератора и включает в себя делитель частоты с переменным коэффициентом давления, фазовыи детектор и источник напряжения стабильной частоты. Значение частоты автогенератора определяется величиной коэффициента деления делителя с переменным коэффициентом деления, устанавливаемого переключателем установки частоты, Вторая петля авторегулирования стабилизирует лоле электромагнита и содержит блок обработки сигггала ЯМ 1 и регулируемый источник питания электромагнита с аналоговым сумматором на 1 О входе. Велцчцца индукции магшпцого поля в зазоре электромагнита устацав,вгвается автоматически ц онредсляе гся ньгбранньгм значением частоты авто- генератора. С целью ускореция пооцесса захвата вовторой петле авторегулцровация предусмотрена грубая установка магнитной индукции, осуществляемая с помощью цифро-ацалогового преобразовате553606 4тудного детектора датчика ЯМР подключены первый и второй фильтры, выделяющие соответственно сигналы ядерного магнитного резонанса с первой и второй гармонцками частоты магнитной модуля ции,Выход первого ильтра подключен к синхронномудетектору, опор щ вход которого соединен с генера ром модуля ., Выход второго фильтра подклю н к амплитудному детектору, Выходы синхронн го и амплитудного детекторов соединены со входа генератора напряжения автопоиска, вы.ход 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:=2 Ю",2чение быстродействия при любой величине. дО 35 40 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 да малой магнитной модуляции с вьщелением в качестве управляющего сигнала первой пропоглощения ЯМР, в связи с чем б аботки сигнала ЯМР полностью изменен: к ампли-мето изводнои лок обр выходу мальная величина шага не должна превышать 11 К 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 модуляциибольшой амп. литуды. (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,малости шага ускорение обработки данных магнитныа измерений путем получения отсчета поля в единицах магнитной индукции,Автоматическая шаговая развертка поля электро 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, переключа. тель установки частоты, фазовый детектор и источник напряжения стабильной часаоты, дополнительно введены программный генератор импульсов шаговои 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 где у - гиромагнитное отношение ядер ЯМРвещества,и - целое положительное или отрицательноечисло, а также нуль, определяющее величину шагаперестройки, частоты автогенератора датчика ЯМР.На чертеже представлена блок-схема устройствауправления полем электромагнита.Устройство управления полем электромагнитсодержит датчик ЯМР 1, делитель 2 частоты с переменным коэффициентом деления, фазовый детек.тор 3, источник напряжения стабильной частоты 4,счетчик 5, программный генератор б импульсов шаговой развертки, переключатель установки частоты 7, цифро-аналоговый преобразователь 8, блок 9обработки сигнала ЯМР, аналоговый сумматор 10,регулируемый источник питания электромагнита 11, генератор модуляции 12,Автогенератор 13 датчика ЯМР 1 соединен сизмерительной катушкой индуктивности 14, содержащей ЯМР вещество и помещае мой в полеэлектромагнита 15. Модуляционные катушки 16подключены к генератору модуляции 12. Входамплитудного детектора 17 соединен с автогенератором 13. Управляющий элемент 18 подключен квыходу фазового детектора 3 и к автогенератору13. Программный генератор импульсов шаговойразвертки б содержит последовательно включенныегенератор периодической последовательности. импульсов 19, ключ 20, делитель частоты 21 и пере.ключатель скорости развертки 22, а также селектор 23 импульсов с переключателем 24 шага развертки, коммутирующие ключи 25 и выключательразвертки 26, Входы селектора 23 импульсов подключены к делителю частоты 21 и к ключу 20, авыход - к коммутирующим ключам 25, управляющие входы которых соединены с переключателемшага развертки 24, Выходы коммутирующих ключей подключены к счетным входам счетчика 5, авыключатель развертки 26 соединен с управляющимвходом ключа 20.30 где 1 о и - частота колебаний источника 4 напряжения стабильной .частоты. Состояние мень. ших разрядов счетчика 5 определяет ве личину тока через модуляционные катушки 16, задаваемого цифро-аналоговым преобразователем 8, Ток, протекающий через модуляционные катушки 16, создает в месте расположения измерительной катушки индуктивности 14 с ЯМР вешест вом дополнительную индукцию Вдов магнитного поля. После того, как частота то автогенератора 13 и дополнительная индукция Вд установлены, включается генератор напряжения автопоиска 31, который воздействует через аналоговый сумма. 60 5Блок 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 сум матором 10, Выход фильтра второй гармоники час. тоты модуляции 28 подключен ко входу амплитудного детектора 30, выход которого соединен сгенератором 31, подключенного также к аналоговому сумматору 10, Входы фильтров 27 и 28 соединены с выходом амплитудного детектора 17 датчи. ка ЯМР 1. Опорный 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 7соединен с установочными входами счетчика 5, Кодовые выходы младших разрядов счетчика 5 подключены к установочным входам цифро-аналогового преобразователя 8, аналоговьй выход которого соединен с модуляционными катушками 16. Кодовые выходы старших разрядов счетчика 5 под. ключены к установочным входам делителя 2 частоты с переменным коэффициентом деления, счетный вход которого соединен с автогенератором 13, а счетньй ьыход - со входом фазового детектора 3. Опорный вход фазового детектора 3 подключен к выходу источника напряжения стабильной часто. ты 4. С помощью переключателя скорости развертки 22 производится изменение коэффициента деления делителя частоты 21, Переключатель шага развертки 24 коммутирует 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 й делителя 2 частоты с переменным коэффициентом деления, Под действием петли авторегулирования, включающей в себя делитель 2 частоты с переменным коэффициентом деления фазовьй детектор 3 и управляющий элемент 18 частота колебаний 1 о автогенератора 3 устанавливается равнойфо 1 фои(115 20 25 35 40 45 6тор 10 на вход регулируемого источника питания электромагнита 11. Регулируемьй источник питания электромагнита 11 устанавливает ток в обмот. ка 32 электромагнита 15 такой величины, при которой выполняется, условие ядерного магнитного резонанса в месте расположения измерительной каиндуктивности 14 с ЯМР веществом:2%Цр = В+Вдоп 1- З то, (2где Во -, суммарная величина индукции магнитного поля,При выполнении условия (2) обусловленньй ЯМР сигнал на вьйоде амплитудного детектора 30 вьпапочает генератор 31. При наличии ЯМР сигнала начинает функционировать петля авторегулирования магнитного поля, включающая в себя датчик ЯМР 1, 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.Во ф ф 1 опМалые шаги установки индукции В реализуются посредством изменения Вдо, большие - за счет изменения й. При изменении Вд,п 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 развертки обеспечивается селектором 23 импульсов, формирующим необходимое количество импульсов в пачках, следующих с часто. той, задаваемой переключателем скорости развертки 22. Число импульсов в пачке устанавливается переключателем 24 шага развертки,Из выражения (3) следует, что, выбрав" юфгде и - целое положительное или отрицательное число, а также нуль, и обеспечив равенство:Вдоп=К,10 +Кф 10 +,где КК- 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 (менее553606 70,05 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 стабиль. ности 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 как 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, отличающееся 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 импульсовшаговой развертки подключен к счетным входам ситчика,2. Устройство поп,1, отличающее ся тем, что, с целью повышения точности управления, блок обработки сигнала ядерного магнитного или 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, отличающееся 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:.Х. юф,где у - гиромагнитное отношение ядер или электронов рабочего вещества;и - целое положительное или отрицательноечисло, а также нуль.Источники информации, принятые во внимание 4 О при экспертизе:1. Патент ФРГ, У 1114237, НКИ 21 с 46/501962 г.2, Устройство, описанное в статье, опубликованной в журналейпсеаг Фпатгцтепта апд пеФоба"1973 г. 109, Иф 2, стр, 365 - 370,с 5360 Ь Редактор В фе аказ 1097)5 Тираж 1095 И Государственногокомитета Совета Мини по делам изобретений н открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб.