Импульсный магнитометр и источник импульсного магнитного поля для него

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИМПУЛЬСНЫЙ МАГНИТОМЕТР И ИСТОЧНИК ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ НЕГО(71) Заявители Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси Научно-производственная фирма ДИПОЛЬ общество с ограниченной ответственностью(72) Авторы Говор Геннадий Антонович Михневич Владимир Владимирович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси Научно-производственная фирма ДИПОЛЬ общество с ограниченной ответственностью(57) 1. Импульсный магнитометр, содержащий источник импульсного напряжения, связанный с источником импульсного магнитного поля, выполненным в виде соленоида с сердечником и включенными встречно внешней и внутренней обмотками, а также систему регистрации, соединенную с измерительной и компенсационной обмотками, отличающийся тем, что внутренняя обмотка выполнена из медной фольги, ширина которой равна длине соленоида. 2. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что сердечник соленоида выполнен из магнитно-мягкого композиционного материала с линейной полевой зависимостью магнитной индукции. 3. Источник импульсного магнитного поля, выполненный в виде соленоида с сердечником и включенными встречно внешней и внутренней обмотками, отличающийся тем, что внутренняя обмотка выполнена из медной фольги, ширина которой равна длине соленоида. 4. Источник по п. 3, отличающийся тем, что сердечник соленоида выполнен из магнитно-мягкого композиционного материала с линейной полевой зависимостью магнитной индукции. 10532 1 2008.04.30 Изобретение относится к технике измерения магнитных полей и магнитных характеристик материалов, в частности магнитной восприимчивости, магнитной индукции и потерь на перемагничивание в широком частотном диапазоне. Известны- магнетометры для измерения магнитных характеристик материалов 1. При их относительно высокой чувствительности к недостаткам- магнетометров следует отнести сложность и дороговизну этих изделий, связанную с использованиемдатчиков, работающих при гелиевых температурах. Известны также различного рода магнетометры с использованием датчиков Холла 2,3. При относительной простоте и низкой стоимости к недостаткам магнетометров с датчиками Холла следует отнести весьма низкую чувствительность. Известны также импульсные индукционные магнетометры, позволяющие измерять магнитные свойства материалов в течение одного цикла переключения питающего напряжения 4, 5. Недостатком известных импульсных магнетометров является сложная система компенсации сигнала в измерительной системе при отсутствии в ней исследуемого образца. Наиболее близкое к заявляемому импульсному магнетометру техническое решение описано в 6. Описанный в данном источнике импульсный магнетометр содержит источник импульсного напряжения, связанный с источником импульсного магнитного поля,выполненным в виде соленоида, систему регистрации, соединенную с измерительной и компенсационной катушками, которые размещены во внутренней полости соленоида. Наиболее близкое к заявляемому источнику импульсного магнитного поля техническое решение также описано в 6. Источник импульсного магнитного поля в данном магнетометре выполнен в виде соленоида с сердечником и внешней и внутренней обмотками,включенными встречно. Одной из основных проблем описанных импульсных магнетометров является их недостаточная точность, связанная со сложностью создания магнитного поля, изменяющегося по амплитуде и частоте, с практически нулевым градиентом. При выполнении указанного условия компенсация потенциалов измерительной и компенсационной обмоток магнетометра при отсутствии исследуемого образца достигалась бы при всех значениях амплитуды магнитного поля вне зависимости от положения измерительных катушек магнетометра. Задачей настоящего изобретения явилось создание импульсного магнетометра повышенной точности и источника магнитного поля для него, создающего импульсное магнитное поле с нулевым градиентом в широком диапазоне изменения амплитуд и частотных характеристик переключения питающего напряжения. Поставленная задача в импульсном магнетометре, содержащем источник импульсного магнитного поля, выполненным в виде соленоида с сердечником и включенными встречно внешней и внутренней обмотками, а также систему регистрации, соединенную с измерительной и компенсационной обмотками, решена за счет того, что внутренняя обмотка соленоида выполнена из медной фольги, ширина которой равна длине соленоида, а сердечник соленоида выполнен из магнитно-мягкого композиционного материала с линейной полевой зависимостью магнитной индукции. Источник импульсного магнитного поля, выполненный в виде соленоида с сердечником и включенными встречно внешней и внутренней обмотками. Новым, по мнению авторов, является то, что внутренняя обмотка выполнена из медной фольги, ширина которой равна длине соленоида, а сердечник соленоида выполнен из магнитно-мягкого композиционного материала с линейной полевой зависимостью магнитной индукции. Фиг. 1. Блок-схема магнетометра. Фиг. 2. Схема соленоида - источника импульсного магнитного поля с измерительной и компенсационной катушками. Фиг. 3. Схематическое изображение процесса компенсации поперечной составляющей импульсного магнитного поля внутри соленоида. Схема заявляемого магнетометра включает в себя источник 1 импульсного напряжения с изменением полярности с частотой переключения от 10 Гц до 10 кГц, соленоид 2 источник импульсного магнитного поля и измерительную систему 3, включающую измерительную 4 и компенсационную 5 катушки, связанную с системой 6 регистрации. 2 10532 1 2008.04.30 Отличительной особенностью настоящего изобретения является конструкция соленоида 2 - источника импульсного магнитного поля (фиг. 2). На сердечнике 7 соленоида размещены две намагничивающие обмотки - наружная 8 и внутренняя 9, включенные навстречу друг другу, конец наружной обмотки 8 соединен с концом внутренней обмотки 9 соленоида 2. Внутренняя обмотка 9 соленоида 2 выполнена из медной ленты, ширина которой равна длине соленоида 2. Сердечник 7 соленоида 2 выполнен из магнитно-мягкого с линейной полевой зависимостью магнитной индукции (т.е. зависимостью магнитной индукции от напряженности внешнего магнитного поля, близкой к линейной). В качестве такого материала может быть применен магнитно-мягкий композиционный материал на основе железа, где каждая частица железа покрыта тонким слоем магнитного диэлектрика, например -500 фирмы(Швеция), где в отличие от металлических магнетиков отсутствуют потери на вихревые токи. На фиг. 3 приведено схематическое изображение распределения импульсного магнитного поля внутри соленоида 2. Процесс нарастания импульса магнитного поля в случае градиентного магнитного поля - наличия радиальной компоненты магнитной индукции В, приводит к индуцированию в медной ленте внутренней обмотки 9 циркулярного тока,магнитное поле которого Ви направлено встречно В. В результате радиальная компонента магнитного поля компенсируется, и магнитное поле в соленоиде 2 будет иметь только продольную компоненту В// по всей его длине внутренней полости соленоида. Таким образом, в заявляемых устройствах создается импульсное магнитное поле с нулевым градиентом в широком диапазоне изменения амплитуд и частотных характеристик переключения питающего напряжения, что обеспечивает достижение поставленной задачи повышения точности. Заявляемый импульсный магнетометр работает следующим образом. При подаче от источника 1 импульса напряжения происходит намагничивание сердечника соленоида 2 и в его внутренней полости индуцируется магнитное поле, имеющее линейный характер нарастания со временем. При отсутствии исследуемого образца 10 в измерительной катушке 4 происходит компенсация индуцируемого в ней импульса напряжения сигналом с компенсационной катушки 5, приходящим в противофазе с сигналом измерительной катушки 4. В случае помещения в измерительную катушку 4 исследуемого образца 10 импульс раскомпенсациибудет пропорционален изменению индукции Вобр во времени- Вобр/,где- импульс раскомпенсации,Вобр - величина индукции в присутствии образца, - число витков измерительной катушки 4. Для получения полевой зависимости индукции в регистрирующую систему 6 подают также импульс напряжения, пропорциональный изменению тока в намагничивающих катушках 8 и 9 во времени. Изменение тока в намагничивающих катушках 8 и 9 приводит к намагничиванию сердечника 7 соленоида 2. В результате величина напряженности магнитного поля внутри соленоида 2 определится солсол/0(1),где Нсол - напряженность магнитного поля внутри соленоида,Всол - магнитная индукция внутри соленоида,0410-7 - начальная магнитная проницаемость, - магнитная восприимчивость. Поскольку 1, то с достаточной точностью выражение для напряженности магнитного поля можно представить в следующем виде НсолВсол/0,где Нсол - напряженность магнитного поля внутри соленоида,0410-7 - начальная магнитная проницаемость, - магнитная восприимчивость,3 10532 1 2008.04.30 Всол - магнитная индукция внутри соленоида. С другой стороны напряженность магнитного поля внутри соленоида определяется как Нсол,где Нсол - напряженность магнитного поля внутри соленоида, - ток в намагничивающих обмотках соленоида, - число витков в намагничивающих обмотках. Оптимальным образом работа заявляемого магнетометра осуществляется при линейной зависимости магнитной индукции сердечника соленоида от напряженности магнитного поля, при этом, и напряженность магнитного поля внутри соленоида будет пропорциональна величине намагничивающего тока в намагничивающих обмотках Нсол 1 Всолс 2 ,где с 1 и 2 - коэффициенты пропорциональности, учитывающие размерность. При изменении полярности импульса питающего напряжения процессы, описанные выше, повторяются. В результате за один цикл перемагничивания исследуемого материала в регистрирующей системе записывается кривая намагничивания Вобр 0 Нсол,где В - магнитная индукция образца, - магнитная проницаемость сердечника,0410-7 - начальная магнитная проницаемость,Нсол - напряженность магнитного поля соленоида. Полученная кривая полевой зависимости магнитной индукции позволяет рассчитать все основные магнитные характеристики материала, в частности магнитную проницаемость,магнитную индукцию и потери на перемагничивание в широком частотном диапазоне. Источники информации 1. Патент США 6 853 185, 2005. 2. Патент США 6 800 913, 2004. 3. Патент США 6 917 198, 2005. 4. Патент США 5 642 046, 1997. 5. Патент США 5 744 956, 1998. 6. Патент США 4 447 776, 1984 (прототипы). Фиг. 3 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4