Способ получения визуальной картины распределения напряженности постоянного магнитного поля

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВИЗУАЛЬНОЙ КАРТИНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(72) Авторы Сенько Сергей Федорович Белоус Анатолий Иванович Сякерский Валентин Степанович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(57) Способ получения визуальной картины распределения напряженности постоянного магнитного поля, в котором источник указанного поля располагают на поверхности экрана кинескопа, работающего в условиях отключенного видеосигнала, и получают многоцветное изображение магнитного поля. 11502 1 2009.02.28 Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для получения изображений постоянных магнитных полей и контроля их параметров. Важнейшей характеристикой любого магнитного поля, определяющей степень его воздействия на различные объекты, является создаваемая им напряженность Н в некоторой заданной точке пространства. Величину напряженности магнитного поля и ее пространственное распределение обычно контролируют с помощью всевозможных датчиков,например датчиков Холла 1, 2, магниторезистивных, индукционных и т.п. 3, 4. Пространственное распределение Н при этом оценивают при ее последовательном измерении в различных точках пространства и последующем построении силовых линий. Этот процесс является чрезвычайно трудоемким и кропотливым, а полученные картины поля обладают невысокой наглядностью, в связи с чем он используется в исключительных случаях. На практике обычно пространственное распределение напряженности магнитного поля получают с помощью магнитных порошков, например железных опилок. Магнитный порошок помещают либо на исследуемый магнит, либо на вспомогательную поверхность,расположенную рядом с ним. Частицы порошка намагничиваются полем и ориентируются вдоль его силовых линий, образуя характерную картину, которая зависит от свойств порошка, равномерности распределения на поверхности и ряда других факторов 4. Силы трения и сцепления между отдельными частицами порошка препятствуют их свободной ориентации в соответствии с направлением магнитного поля. В связи с этим достаточно однозначная картина получается только в непосредственной близости от магнита. Получение картины поля на небольшом расстоянии (порядка нескольких см) от него является проблематичным. При этом небольшое пространственное перемещение магнита часто не приводит к изменению уже полученной картины даже в непосредственной близости от него, что связано опять таки с наличием сцепления между отдельными частицами порошка. Кроме того, вся масса магнитного порошка имеет один и тот же цвет. В связи с этим практически невозможно проследить характер изменения напряженности магнитного поля вдоль некоторого выбранного направления. Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом, является способ визуализации магнитных полей, заключающийся в освещении параллельным поляризованным пучком света поверхности помещенного над исследуемым объектом ферромагнитного пленочного датчика и получении в отраженном свете изображения доменной структуры пленочного датчика с помощью поляризационного микроскопа 5. Пленочные датчики более чувствительны к изменению величины напряженности магнитного поля по сравнению с магнитными порошками. Однако получаемая картина магнитного поля также является одноцветной, области изменения градаций цвета имеют микроскопические размеры, и для ее наблюдения требуется использование микроскопа,что сильно ограничивает ее анализ. Таким образом, недостатком получаемой визуальной картины распределения напряженности магнитного поля является ее низкое качество, обусловленное микроскопическими размерами областей градаций цвета и одноцветностью. Задачей настоящего изобретения является повышение качества получаемой картины за счет увеличения размеров областей градаций цвета и придания цветности. Поставленная задача решается тем, что в способе получения визуальной картины распределения напряженности постоянного магнитного поля источник указанного поля располагают на поверхности экрана кинескопа, работающего в условиях отключенного видеосигнала, и получают многоцветное изображение магнитного поля. Сущностью изобретения является формирование на экране кинескопа муаровой картины, обусловленной отклонением траекторий электронных лучей в контролируемом магнитном поле. Кинескоп цветного изображения представляет собой электронно-лучевой прибор, состоящий из вакуумного баллона, трех электронных прожекторов, отклоняющей системы,2 11502 1 2009.02.28 теневой маски и люминесцентного экрана 6. Экран кинескопа с внутренней стороны покрыт мозаичным слоем точечной структуры из люминофоров, светящихся красным, зеленым и синим цветом. Точки люминофоров расположены триадами. Каждая триада содержит по одной точке каждого цвета. Форма триад соответствует взаимному расположению электронных прожекторов и может быть дельтавидной или планарной. Соответствующим образом расположены и отверстия в теневой маске. Три электронных прожектора, расположенные в горловине баллона, формируют три сходящихся у экрана электронных луча, каждый из которых возбуждает свечение люминофора только одного цвета. Теневая маска служит для предотвращения попадания электронного луча на чужой цвет. Отклоняющая система служит для формирования растра, так, что электроны поочередно бомбардируют все точки люминофора, создавая однородное свечение всего экрана. Изменение тока электронного луча приводит к изменению интенсивности свечения люминофора. Последовательное управление током трех электронных лучей, синхронизированное с частотой развертки, позволяет формировать на экране кинескопа требуемое цветовое изображение. Поскольку электронные лучи, формирующие изображение в кинескопе, чувствительны к магнитному полю, то кинескоп может быть использован для контроля его параметров. Кинескоп в данном случае можно рассматривать как систему из двух сеток (иначе растров, решеток) с одинаковым размером ячейки. Картины муаровых полос, возникающие при наложении двух сеток, представляют собой чрезвычайно чувствительное средство измерения малых линейных и угловых перемещений или деформаций сеток. Формирование изображения достигается деформацией линий подвижной сетки образца по отношению к неподвижной эталонной сетке. Эталонной сеткой в этом случае является мозаичная структура экрана, состоящая из ячеек люминофоров различного цвета. Эта сетка неподвижна, размер ее ячеек не зависит от воздействия магнитного поля. Сеткой образца является система электронных лучей, формируемых электронными прожекторами,отклоняющей системой и теневой маской. Эта сетка подвижна, размер ее ячеек зависит от параметров внешнего магнитного поля. Эти особенности конструкции кинескопа позволяют использовать его для формирования муаровых картин магнитных полей постоянных и слабопеременных магнитов. При реализации заявляемого изобретения кинескоп работает следующим образом. В отсутствие внешнего магнитного поля размер ячеек электронной сетки совпадает с размером ячеек люминофорной сетки. Каждый электронный луч попадает на свой цвет. Муаровая картина отсутствует. Экран при этом светится равномерным белым цветом,образованным смешением красного, синего и зеленого цвета свечения люминофоров. При помещении кинескопа во внешнее магнитное поле, создаваемое, например, постоянным магнитом, поднесенным к экрану, электронная сетка деформируется в зависимости от величины напряженности магнитного поля. Электронные лучи отклоняются от первоначальной траектории и попадают уже не на свои, а на чужие ячейки сетки люминофора. В результате наложения деформированной сетки электронных лучей на эталонную сетку люминофоров возникает многоцветная муаровая картина, отражающая распределение напряженности магнитного поля в плоскости экрана. Изменение тока отдельных электронных лучей позволяет менять цветовую гамму получаемой картины. Характер муаровой картины зависит от типа и характеристик используемого кинескопа. В случае планарного расположения ячеек сетки получаемая муаровая картина состоит из сплошных цветных линий, в случае дельтавидного - из цветовых пятен, расположенных в соответствии с расположением участков люминофора в триадах. Совокупность цветовых пятен одного и того же порядка при этом может рассматриваться как линия. Получаемая картина характеризуется высокой чувствительностью и безынерционностью к изменению характеристик магнитного поля, что обусловлено отсутствием сил трения или иного взаимодействия между электронными лучами. Картина на экране 3 11502 1 2009.02.28 кинескопа появляется одновременно с приближением к нему магнита. Муаровая картина магнитного поля неподвижного магнита является неподвижной. Малейшее пространственное перемещение магнита тут же приводит к соответствующему изменению получаемой картины. Движение магнита рядом с экраном сопровождается одновременным перемещением муаровой картины. Чрезвычайно удобным является ее использование для определения взаимного влияния пространственного положения различных объектов на характер распределения напряженности магнитного поля, что очень важно при решении конструкторских задач. При этом легко обнаруживаются области концентрации или экранирования магнитного поля без проведения каких-либо измерений. Размер изображения, кроме параметров магнитного поля, обусловлен также размером ячеек сетки люминофора и скоростью бомбардирующих их электронов, определяемой ускоряющим напряжением в кинескопе. Чем больше размер ячеек люминофора, тем больше размер цветовых пятен или ширина линий и меньше их плотность. Кинескопы, предназначенные для использования в мониторах, характеризуются меньшими размерами ячейки сетки (меньшими размерами светящейся точки). Поэтому изображения, полученные с их помощью, характеризуются большей плотностью муаровых линий по сравнению с изображениями, полученными при помощи бытовых телевизоров. С увеличением скорости электронов (ускоряющего напряжения на кинескопе) уменьшается абсолютная величина их смещения в магнитном поле, что уменьшает размеры получаемой картины. Среди вторичных факторов, влияющих на параметры получаемой муаровой картины, можно отметить изгиб поверхности экрана, его толщину и т.п. Величина тока в электронном луче определяет яркость изображения. Соотношение токов в различных лучах определяет цветовую гамму получаемой картины. Наблюдение получаемой визуальной картины распределения напряженности магнитного поля не требует использования специальных технических средств, в частности микроскопа и др. Методы расчета муаровых картин в настоящее время развиты достаточно хорошо 7,8, а положение цветовых линий и пятен на экране кинескопа можно легко определить путем прямого измерения, что позволяет проводить не только качественный, но и количественный контроль. В связи с этим остановимся на факторах, которые необходимо учитывать при расчетах количественных характеристик магнитных полей. На основании анализа муаровой картины рассчитывается величина смещения электронного луча от первоначального положения в любой выбранной точке экрана кинескопа. На основании этого смещения и, исходя из конструктивных особенностей кинескопа(его размеры, расстояние от теневой маски до экрана, ускоряющее напряжение и др.), рассчитывается радиус траектории полета электрона. Принимая во внимание, что на любую заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца л, которая направлена перпендикулярно к скорости частицы и сообщает ей нормальное ускорение 2, гдеи- масса и абсолютная величина заряда частицы,- ее скорость , В - магнитная индукция поля,- угол между векторамии В,- радиус кривизны траектории частицы 9, рассчитывается величина В, из которой затем получают значение напряженности магнитного поля Н. Характер любой муаровой картины зависит от типа и размера используемых сеток. Поэтому для контроля магнитного поля в зависимости от решаемых задач может быть также использован специально сконструированный кинескоп с заданной формой сетки (не прямоугольной, как в стандартном кинескопе, а, например, радиальной или круговой),размером ячейки и другими особенностями. Черно-белые кинескопы также могут быть использованы для контроля магнитных полей аналогичным образом. При этом на их экране должно быть сформировано какое-либо 4 11502 1 2009.02.28 изображение, например прямоугольная сетка. Электронный луч, формирующий изображение, отклоняется в контролируемом магнитном поле, что обуславливает искажение линий сетки на экране кинескопа. На основании такого смещения линий сетки от первоначального положения также можно судить о величине напряженности магнитного поля и ее пространственном распределении. Известно, что картина магнитного поля, например в зазоре магнитной головки, может быть получена в электронном микроскопе 10. Электронный луч при прохождении над зазором отклоняется от своей траектории и описывает дугу. Радиус дуги меняется в зависимости от энергии электрона и расстояния от зазора. Совокупность таких дуг составляет картину распределения напряженности магнитного поля. Она аналогична картине, получаемой с помощью черно-белого кинескопа при генерации на его экране специального изображения. При этом использование кинескопа заметно упрощает получение картины поля ввиду его невысокой стоимости и, следовательно, широкой доступности. Аналогичным образом может быть получена картина магнитного поля и на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) осциллографа. Во всех этих случаях (а также в датчиках Холла и др.) используется отклонение движения электронов в магнитном поле. Люминофор на экране кинескопа или ЭЛТ служит для регистрации величины отклонения электронного луча. Получаемые в рассматриваемых случаях использования черно-белого кинескопа, электронного микроскопа и ЭЛТ картины магнитного поля представляют собой набор дискретных линий, расположенных друг от друга на некотором расстоянии. Их количественный расчет проще, но качество картины при этом ниже, поскольку смещение линий на экране по отношению к исходному положению в этом случае намного меньше. Муаровая картина значительно усиливает эффект смещения электронных лучей, что приводит к повышению чувствительности контроля. Наличие трех электронных лучей приводит к получению сплошной цветовой картины. Поэтому изображения магнитного поля,полученные с помощью цветного кинескопа, отражают наиболее тонкие особенности распределения напряженности магнитного поля. Работа кинескопа в известном стандартном режиме обусловлена смещением электронных лучей магнитной отклоняющей системой, расположенной в непосредственной близости от электронных прожекторов. Дальнейшая их траектория не меняется. Качество работы определяется точностью попадания луча на люминофор своего цвета. В случае использования кинескопа для контроля распределения напряженности магнитного поля его работа обусловлена смещением электронных лучей уже при их приближении к экрану. Качество его работы в этом случае определяется попаданием лучей на чужой цвет - чем сильнее отклонение луча от первоначального положения, тем красочнее получаемая картина. Таким образом, заявляемое изобретение позволяет применить известный кинескоп для решения принципиально новых задач. Заявляемое изобретение поясняется фиг. 1 - фиг. 4. На фиг. 1 приведена визуальная картина распределения напряженности магнитного поля, полученная для магнита в форме усеченной пирамиды с помощью кинескопа с планарным расположением электронных прожекторов. На фиг. 2 приведена визуальная картина распределения напряженности магнитного поля, полученная для магнита в форме параллелепипеда с помощью кинескопа с планарным расположением электронных прожекторов. На фиг. 3 приведена визуальная картина распределения напряженности магнитного поля, полученная для магнита неправильной формы с помощью кинескопа с дельтавидным расположением электронных прожекторов. На фиг. 4 приведена визуальная картина распределения напряженности магнитного поля, полученная на кинескопе с дельтавидным расположением электронных прожекторов при взаимодействии полей разных магнитов (один сверху, другой снизу). 11502 1 2009.02.28 Из приведенных данных видно, что визуальные картины распределения напряженности магнитного поля, получаемые с помощью кинескопов, являются яркими и многоцветными. Их размеры значительно превышают размеры магнитов. Размеры областей градаций цвета не требуют для их наблюдения использования специальных технических средств. На их основании можно легко проследить изменение напряженности магнитного поля в любом выбранном направлении. Положение любой цветовой линии или пятна можно численно определить путем прямого измерения. Относительную количественную оценку величины напряженности магнитного поля и ее пространственного распределения можно провести на основании количества и плотности цветовых линий или пятен. Испытания заявляемого способа получения визуальной картины распределения напряженности магнитного поля постоянных магнитов проводили следующим образом. Использовали кинескоп с планарным расположением электронных прожекторов в составе телевизора Горизонт Ц 355 (51 см по диагонали) и кинескоп с дельтавидным расположением электронных прожекторов в составе монитора 769 (42 см по диагонали). Во время испытаний кинескопы работали в стандартном (предусмотренном заводом-изготовителем) режиме, экран светился равномерным белым цветом (сигнал видеоизображения отключен). Для контроля использовали постоянные магниты различной геометрической формы и изготовленные из различных материалов (в частности, габариты магнитов, поля которых изображены на фиг. 1 - фиг. 3, составляют 555,5 см, 85,51 см и 220,7 см соответственно). Магниты располагали на поверхности экрана кинескопа при различной пространственной ориентации их полюсов. Изменение пространственного расположения полюсов магнита или даже любое его движение одновременно приводило к изменению наблюдаемой муаровой картины. При неподвижном магните изображение также неподвижно. Фотографии некоторых картин распределения напряженности магнитного поля приведены на фиг. 1 - фиг. 4. Из приведенных снимков видно, что размеры получаемых муаровых картин распределения напряженности магнитного поля заметно превышают размеры самих магнитов. В двух первых случаях картины занимают всю площадь экрана кинескопа. Для магнита размером 220,7 см приблизительный диаметр изображения магнитного поля в плоскости экрана составляет около 20 см, что в 10 раз больше линейных размеров самого магнита. Расстояние от магнита, на котором наблюдается изменение градаций цвета экрана кинескопа, в 10 раз больше, чем в случае использования магнитных порошков. Напряженность магнитного поля в этой области в 100 раз меньше, чем на расстоянии 1 см от поверхности магнита (напряженность магнитного поля убывает в зависимости от расстояния от магнита пропорционально квадрату этого расстояния). Изображения магнитного поля яркие, красочные, с множеством цветовых градаций. На их основании можно определить не только направление силовых линий, но без всяких расчетов проводить сравнительные количественные оценки, например, по размерам картин, количеству градаций цветов, линий и т.п. Изображение распределения напряженности магнитного поля, полученного суперпозицией полей двух различных магнитов, свидетельствует о его значительной неоднородности, вызванной, с одной стороны, не совпадением направлений их намагниченности, а с другой - не совпадением их геометрических осей. Это свидетельствует о возможностях,предоставляемых заявляемым изобретением, для решения различных прикладных задач. Из приведенных данных видно, что заявляемое техническое решение позволяет получать высококачественные многоцветные изображения магнитных полей, характеризующиеся высокой чувствительностью к изменению его напряженности. При этом используется вся цветовая гамма, достигаемая в цветных кинескопах. Характер распределения цветовых пятен и полос позволяет судить о распределении напряженности магнитного поля в плоскости экрана, а также о его количественных характеристиках. 11502 1 2009.02.28 Таким образом, заявляемый способ получения визуальной картины распределения напряженности постоянного магнитного поля позволяет повысить качество получаемой картины за счет увеличения ее размеров и придания ей цветности. Источники информации 1. А.с. СССР 1639336, МПК 501 21/18, 1990. 2. А.с. СССР 1653503, МПК 501 43/06, 1991. 3. Элементарный учебник физики / Под ред. акад. Г.С. Ландсберга. Т. 2. Электричество и магнетизм. Изд. 4-е, исправленное. - М. Наука, 1966. - 472 с. 4. Клюев В.В., Соснин Ф.Р., Ковалев А.В. и др.Неразрушающий контроль и диагностика Справочник / Под ред. В.В. Клюева. 2-е изд., испр. и доп. - М. Машиностроение,2003. - 656 с. 5. А.с. СССР 1725174, 1992. 6. Герус В.Л. Кинескоп. Физическая энциклопедия. Т. 2. Добротность - Магнитооптика / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич,А.С. Боровик-Романов и др. - М. Советская энциклопедия, 1990. - С. 352. 7. Сегал В.М., Макушок Е.М., Резников В.И. Исследование пластического формоизменения металлов методом муара. - М. Металлургия, 1974. - 200 с. 8. Теокарис П. Муаровые полосы при исследовании деформаций Пер. с англ. Б.Н. Ушакова. - М. Мир, 1972. - 336 с. 9. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. 3-е изд., испр. - М. Наука,1990. - 624 с. 10. Лукъянов А.Е. Электронная микроскопия. Физическая энциклопедия. Т. 5. Стробоскопические приборы - Яркость / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев,А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич и др. - М. Большая Российская энциклопедия, 1998. С. 549-551. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.