Способ определения электромагнитных параметров вещества

а) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ водиКомитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам к авторскому свидетельству(56) Справочник "Приборы для неразрушающего контроля материалов и иэделий".Под ред.Клюева В,Втом 2, Мл Машиностроение, 1976, с.91, 95-98, 112.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВА(57) Изобретение относится к области магнитных измерений и мокет быть использовано для определения магнитнойвосприимчивости и проводимости веществ,Целью изобретения является повышениечувствительности способа. На сферический(19) 80 11) 1632171 (1 з А 1 образец, помещенный в приемную катушку СКВИД-магнитомера, воздействуют импульсным полем, В процессе спада импульса регестрируют полное изменение результирующего магнитного потока и его изменение за время меаду двумя О фиксированными моментами, первый из (,) которых выбран в течение импульса результирующего потока, а второй - на кривой его спада. По полученным значениям ффь с использованием приведенных вырапеннй определяют магнитную проницаемость или восприимчивость вещества и его промость. 2 ил,, Распределение магнитного поля вне об- (3) разца 3 в каждый момент времени описывается следующими уравнениями: 3(п), В) В юп ВБрзи) = - аН(8) Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оп ределения магнитной восприимчивости и проводимости веществ.Целью изобретения является повыше ние чувствительности способа.На фиг.1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа; на Фиг.2 - эпюры внешнего поля и результирующего магнитного потока.10Устройство, реализующее способ, содержит криостат 1, в котором установлен антидьюар 2 с образцом 3, На внешней оболочке антидьюара 2 находится сверхпроводящая приемная катушка 4, коаксиально по 15 отношению к ней установлена намагничивающая катушка 5, коаксиально с антидьюаром 2 и катушками 4 и 5 установлены свеохпроводящая трубка 6 и нвмагничивающий соленоид 7. Криостат залитжидким 2 О гелием 8. Приемная катушка 4 индуктивно связана со сверхпроводящим квантовым интерференционным датчиком (СКВИДом 9), выход которого подключен к электронному блоку 10, а намагничивающая катушка 5 25 соединена через переменное сопротивление 11 и выключатель 12 с источником тока 13, Сила тока, подаваемого на намагничивающую катушку 5, регистрируется при помощи амперметра 14. ЗОСпособ осуществляют следующим образом,В однородное магнитное поле соленоида 7 помещают приемную катушку 4. В область катушки 4 помещают изотропный 35 образец 3 в Форме шара, Известно, что результирующее магнитное поле будет описываться следующими формулами.-(1)- напряженность магнитного полявнутри образца 3;Н,и - магнитная проницаемость образца 3;а - радиус образца;- напряженность магнитного поляи рй отсутствии образца 3; В - радиус-вектор, проведенный изцентра образца 3 в рассматриваему(о точкуполя;В - расстояние от центра образца дорассматриваемой точки;(и) В) - скалярное произведение момента диполя и) на радиус-вектор КПодставляя (4) в (3) получим следующеесоотношение для Йдип3(Н, В)В НЗатем подставляя вышеописанное соотношение в (2), получим для напряженностимагнитного поля вне образца 3 следующеевыражение;З(Й ,В)В Н-(1) - Х3 о оЙ =Н+ а. Пусть в момент временило внешнее магнитное пале выключается,При этом магнитное поле в изотропном образце 3 и вокруг него не исчезает мгновенно. Ход затухания магнитного поля в образце 3 будет описываться следующей формулой; 2 2 2 в (1)д д д -(1) 4)цигдНг д г д г Сг д 1 (6) где (т - проводимость образца,С - скорость света;д дгггдг дх дУдгг - квадраты частных производныхсоответственно по х, у, к;.д -- частная производная по времени гдев"й"- индукция и напряженность магнитного поля вне об)1 азца 3.Напряженность Н и индукция В магнитного поля связаны следующими соотношениями;1632171 Решая уравнения (6) и (7) для шарообраз- В внутри изотропного образца 3 будет изменого образца 3 находим, что магнитное поле няться со временем следующим образом:В =С 1 31 (К Н)К Н 1 (К Н) (В, Н)Н+ - 1 (К Н)+а 3/2 в в 1/2 вс 3/2 вехр(-.(т,-1 ) )(1-1 )Х Р 1 (Ка)е Во - вектор индукции магнитного поля при отсутствии образца;(Во, й) - скалярное произведение вектора Во на радиус-вектор Н:Постоянные Ка являются корнями следующего уравнения:(14)зп(Каа)1 - Р - Кпа(п(Кпа) = О, (12) которое является следствием граничного условия, которое имеет следующий вид: в (1) в (1) 3(В ,Н)Н ВВ =(В 1 (К а)аа 3/2 в з1/23где С= 1 (Ка) - 1 (в р+2 К в/2 вК а зггВ = - (М)С; 3:К2 Са 3 в а 4 т(ро в1 Гг1 (х) = - 51 п х1/2 ) )тх1 (х) = -- соях где индекс п(1) указывает, что берется нормальная (тангенциальная) составляющая соответствующего вектора, а индекс(е) означает, что соответствующий вектор берется внутри (вне) образца 3.Далее вычислим поток, пронизывающий приемную катушку 4. Для этого воспользуемся формулойФ =(б 5,В)5где интегрирование ведется по площади Я приемной катушки 4,Далее, поскольку образец 3 находится в пределах катушки 4, то представим вышеуказанную формулу в следующем виде: Ф = ) (дБ, В )+,Г (Ю, В )(13) 15 где первый интеграл берется по площади,пересекающей образец 3, второй интеграл берется по площади, свободной от образца 3.Теперь, подставляя в (13) соотношения 20 (9) и (10) и интегрируя по площади приемнойкатушки 4, получим для потока р(1) следующее выражение:( Н, Н, с(1)3/2 офг, =ах25 где под интегралом в числителе стоит сме шанное произведение векторов В,. К и (1(, аинтегрирование ведется по контуру ( катушки 4.Из (14) видно, что поток, пронизывающий катушку 4, со временем затухает. Вре мя затухания г определяется как 1,где ) - наименьшее значение из набора а, 40 Далее найдем поток Ф, который пронизывает приемную катушку до выключения в шнего поля (см. фиг.2 б), Для этого подставим соотношения (1) и (5) в (13), После интегрирования получим45( Н, с 31 , В ) Ф = (В,Б) + а фор+23где (Во, Н) - скалярное произведение векто ра индукции приложенного магнитного поля Во и вектора Я, равного площади приемной катушки 4 и направленного ортогонально ее ( лоскости.Как известно, СКВИД - магнитометр из меряет только изменение потока. Посколькувнешнее магнитное поле выключается, то полное изменение потока ЛЪм т.е, амплитуда сигнала, будет определяться соотношением (16)(В, сй В )Ьф = (ВЯ)+", афам о у+2 Отсюда после преобразований запи-,; 1ф -(в, в)ам е1 й, кй. В )Эев т.к. поток, пронизывающий катушку 4 при полном затухания поля, созданного образцом, равен нулю.Пеоенесем первое слагаемое, стоящее в правой части (17), в левую часть(18) 10 Таким образом, измеряя амплитуду сиг(В с(1 В ) нала, по формуле (18) можно определитьмагнитную проницаемость образца 3.1 В Из (17) видно, что амплитуда сигнала15 зависит от магнитной проницаемости обраэДалее разделим левую и правую части ца 3, которая связана с восприимчивостью вышенаписанного уравнения на )(со следующей формулойз (В, с 11, В )и +2 3В20В результате получимЬф -(В , Б)(В ) И ам оф 1+2 Отсюда следует, что, измеряя амплитуду сигнала и используя вышенаписанную формулу и формулу (18), можно определить магнитную восприимчивость образца 3.25 Запишем, используя (14), изменение потока за время Ь-тг - 11 где 0= О,1 озгг:211а 1 (Т) - 1р+2 Т ыг В Т зггйВ Ва У определяется иэ уравнения: г гх кхг ххг хгхг х ) Щ менем и решая уравнение (21), можно найти проводимость изотропного образца 3.Способ может быть реализован с по мощью устройства, изображенного нафиг,1. Криостат 1 заполняют жидким гелием 8. Перед измерениями определяют амплитуду создаваемого катушкой 5 магнитного потока. Для этого с помощью переключателя 12 замыкают цепь, а с помощью перемен 1 пТ- В - совТ 1-р -Т ев 1 пТ = О (23) Т й й В Иэ (21) видно, что изменение потока через приемную катушку 4 со временем зависит от проводимости ообразца 3. Отсюда следует, что, измеряя изменение потока со врепрИ 11то. Для обеспечения сходимости ряда наВ слУчае, если т 1то, то изменение по- УРовне 17), как показали численные Расчетока определяется как разность соотноше- ты, необходимо учитывать не менее пяти ний (16) и (14) с Е в, в), сй) 35 членов ряда, ДИ).,11 ) = аУ х Заменяя в(19) и(20) Кп)а на Уп) и подставляя соотношения, записанные в (11), эапц- г(Ке ха г:х 1(В,г) шем(19)и(20)еследующемеиде;г г (В,а 1, В )С Т Ь)(, ) = а 3/гф о ) . ф 1 (Т ) (0+1)ехр --- (с -с )В 3/2 В 2 1 о 2 1 ВВ 4 па ро. С Трзуг (21) - ехр - (С -с ) + а 0 + (В,Б)0 г 2 о р+2о 41 са РО 1, 11 о10 1632171 ного сопротивления 11 увеличивают ток от нуля до некоторого значения 1 о.При этом внутри катушки 5 создается магнитное поле. которое увеличивается по мере увеличения силы тока, следователь но, и поток, пронизывающий катушку 4, будет увеличиваться по мере увеличения силы тока и достигнет некоторого значения Ь Фо. Данное увеличение потока будет реги- . стрироваться СКВИДом 9 (фиг,2 а), По амп литуде создаваемого сигнала и известной площади катушки 4 определяется амплитуда создаваемого поля. Измерение производится следующим 15 образом.Образец 3 устанавливается внутри ка- .тушки 4. Затем цепь замыкается с помощью переключателя 12 и переменным сопротиелениемток увеличивают от нуля до значения 20 1 О. При этом поле внутри намагничивающей катушки 3, а следовательно, и поток, пронизывающий приемную катушку 4, будут увеличиваться (фиг,2 а), Увеличение потока будет регистрироваться СКВИДом 9. Сиг нал, соответствующий току 1 О, будет соответствовать амплитуде результирующего потока Лам, пронизывающего приемную катушку 4, Затем источник тока 13 с помощью переключателя 12 отключается. При 30 этом ток, а следовательно, и создаваемое им магнитное поле внутри намагничивающей . катушки 5 исчезают,35ванными моментами времени, э магнитную проницаемость и электропроводность вещества определяют иэ соотношений 40 45 ЬФ -(В , В) ам о 50 ЬФ.,С ) а У х г(Й,сй),В )55 Н х ) Р 1 (Т )х Формула изобретения СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВАСпособ определения электромагнитных параметров вещества (сферических образцов), включающий воздействие наобразец импульсным магнитным полем и регистрацию результирующего магнит, нрго потока с помощью измерительного контура, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, на образец воздействуют однократным импульсом магнитного поля, фиксируют момент окончания импульса. магнитного поля и два момента времени при регистрации импульса результирующего магнитного потока, причем второй момент времени фиксируют в процессе спэдэ результирующего магнитного потока, определяют полное изменение результирующего магнитного потока в процессе его спада и изменение результирующего магнитного потока между зафиксироВ процессе уменьшения поля е образце 3 наводятся вихревые токи. протекающие в скин-слое образца 3, которые создают свое магнитное поле. В результате при исчезновении внешнего магнитного поля возникает затухающее магнитное поле, созданное образцом 3. которое создает в области приемной катушки 4 изменяющийся во времени магнитный поток (фиг.26), измене ",ие которого с момента выключения поля 10 до момента времени 12 регистрируется с помощью СКВИДа 9 и электронного блока 10.Временное изменение магнитного поля зависит от проводимости образца 3, а амплитуда магнитного потока зависит от магнитной восприимчивости образца. Сверхпроводящая трубка 6 и соленоид 7 служат для создания постоянного намагничиеающего поля.Способ по сравнению с известными является намного более чувствительным. Так, например, ток величиной 1 мкА, наведенный в образце диаметром 10 мм, создает магнитный момент -10 А м при измерении проводимости методом вихревых токов. Рабочая чувствительность магнитометров на основе СКВИДов в настоящее время составляет 10А м 2,Кроме того, при измерении не происходит механического перемещения образца, что уменьшает вибрации внутри криостатэ, устраняются помехи и повышается точность измерения. Ю -(В , В) И 2 + 1 в, а 1), Й ) Н- вектор, равный площади измерительного контура и направленныйортогонально его плоскости;ЛФам - полное изменение результирующего магнитногопотока в процессе его спада;радиус-вектор, проведенный изцентра образца к элементу интегрирования б(, лежащему на измери тельном контуре 1;ЬФ(12 Л 1) - изменение результирующего магнитного потока между зафиксированными моментами времени 11и С 2- цилиндрические функции Бесселя;1 о - момент времени окончания импульса магнитного поля,