Л и т е р а т у р а
1. Баранов П. Ф., Муравьев С. В., Огай В. Е., Учайкин С. В.
Феррозондовый магнитометр для измерения магнитной индукции до 1 нТл // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 320. №. 4. C. 89—92.
2. ГОСТ 8.030—91. ГСИ. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений магнитной индукции постоянного поля в диапазоне от 110-12 до 510-2 Тл, постоянного магнитного потока, магнитной индукции и магнитного момента в интервале частот от 0 до 20000 Гц.
3. Hanson R. J., Pipkin F. M. Magnetically Shielded Solenoid with Field of High Homogeneity // Rev. Sci. Instrum. 1965. V. 36. N. 2. P. 179—188.
4. Schill R. A., Karin H. Characterizing and calibrating a large Helmholtz coil at low ac magnetic field levels with peak magnitudes below the earth's magnetic field // Rev. Sci. Instrum. 2001. V. 72. N. 6. P. 2769—2776.
5. Po Gyu Park, Kim Y. G., Kalabin V. N., Shifrin V. Y. AC magnetic flux density standards in the low frequency range // Precision Electromagnetic Measurements, CPEM 2008. Conf. Digest // Broomfield (USA), 2008. P. 456—457.
6. Po Gyu Park, Kim Y. G., Kim W. S., Shifrin V. Y. AC/DC magnetic flux density standard systems at KRISS // Precision Electromagnetic Measurements, CPEM 2010: Conf. Digest. Daejeon (Republic of Korea), 2010. P. 312—313.
7. Капантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивнос-тей: Справочная книга. Л.: Энергоатомиздат, 1986.
8. Carter R. G. Coil-system design for production of uniform magnetic-fields // Proc. IEE. 1976. V. 123(11). P. 1279—1283.
9. Barker J. R. New coil systems for the production of uniform magnetic fields // Rev. Sci. Instrum. 1949. V. 26. P. 213—215.
10. Lee S.-G., Chan S. K., Chang J. W. Square Loop Coil System for Balancing and Calibration of Second-Order SQUID Gradiometers // IEEE Trans. Appl. Superconductivity. 2007. V. 17. N. 2. P. 3769—3772.
11. McKeehan L. W. Combinations of circular currents for producing uniform magnetic fields // Rev. Sci. Instrum. 1936. V. 7. P. 150—153.
12. Wang J., She S., Zhang S. An improved Helmholtz coil and analysis of its magnetic field homogeneity // Rev. Sci. Instrum. 2002. V. 73. P. 2173—2175.
13. Hosoya M., Goto E. Coils for generating uniform fields in a cylindrical ferromagnetic shield // Rev. Sci. Instrum. 1991. V. 62. P. 2472—2475.
14. Uchaikin S., Eltony A. Method to produce an uniform magnetic field in a dilution refrigerator // Proc. 26th Int. Conf. Low Temperature Physics, LT26. Beijing (China), 2011. P. 1—4.
15. Магнитометр Mag-01. Single Axis Fluxgate Magnetometer. [Электрон. ресурс]. http: // www.bartington.com/ Default.aspx?PageID= 5187129&A=SearchResult&SearchID= =176003&0bjectID=5187129&ObjectType=1 (дата обращения 10.03.2014 г.).
Дата принятия 17.12.2014 г.
53.083.2
Дистанционный ядерно-резонансный магнитометр для измерений сверхсильных
неоднородных полей
В. В. ДАВЫДОВ, В. И. ДУДКИН, Е. Н. ВЕЛИЧКО, А. Ю. КАРСЕЕВ
С.-Петербургский государственный политехнический университет, С.-Петербург, Россия, e-mail: davydov_vadim66@mail.ru
Рассмотрен многоканальный нутационный ядерно-резонансный магнитометр, позволяющий дистанционно контролировать индукцию и неоднородность магнитного поля внутри и снаружи ускорителя заряженных частиц вблизи защитных систем.
Кпючевые слова: ядерный магнитный резонанс, ядерно-резонансный магнитометр, магнитное поле, время продольной релаксации, отношение сигнал—шум.
The multichannel nutational nuclear-resonance magnetometer for remote monitoring of induction and inhomogeneities of magnetic field inside and outside of charged particle accelerator — is considered.
Key words: nuclear magnetic resonance, nuclear-resonance magnetometer, magnetic field, longitudinal relaxation time, signal-to-noise ratio.
Прецизионные измерения магнитных полей находят множество различных применений как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях [1, 2] и составляют быстро развивающийся раздел метрологии. Особое место в нем занимает часть, связанная с измерением сильных и сверхсильных магнитных полей. С появлением сверхпроводящих магнитов возрос интерес к использованию сильных и сверх-
сильных магнитных полей в различных научных исследованиях. В связи с этим требования к точности измерений их физических характеристик (индукции и неоднородности) повысились [1—4].
Для измерений характеристик сильных и сверхсильных магнитных полей в настоящее время, в основном используют гауссметры (для полей напряженностью Н < 6 Тл, оснащен-
ные датчиком Холла, а также вибрационные магнитометры, например Lakeshore. Реже применяют оптические измерители (датчики), принцип работы которых основан на эффекте Фарадея и почти не изменился с момента их разработки [4, 5]. В настоящее время в ФТИ им. А. Ф. Иоффе разрабатывают магнитометры с использованием новых ферромагнитных материалов для измерений индукции сильных магнитных полей.
Существует круг задач, где требуется постоянный контроль индукции и неоднородности в нескольких точках (20—40) почти одновременно (не реже одного раза в 2—4 мин). В эти задачи входит мониторинг работы магнитной системы, предназначенной для формирования и анализа пучков заряженных частиц. В зависимости от модификации устройства данная система состоит из 8—24 фокусирующих магнитных квадрантов, образующих накопительное кольцо с разрезами, и 4—12 секторных однородных электромагнитов инжекцион-ного тракта, расположенных в бункере ускорителя заряженных частиц. В условиях действующего ускорителя все магнитное оборудование находится в радиационной зоне, появление людей в которой исключено. Поэтому контроль параметров поля магнитной системы ускорителя должен осуществляться дистанционно. Более того, электронную часть измерительной аппаратуры также необходимо вынести из зоны действия сильных рассеянных магнитных, электрических и электромагнитных полей ускорителя за защитные конструкции, т. е. в блок управления ускорителем, где находится персонал. В этом случае расстояние от места точек контроля магнитного поля до расположения электронной части аппаратуры может составлять 30—50 м.
В данных условиях при большом числе различных помех использование гауссметров с датчиком Холла с такой длиной измерительного зонда трудно выполнимо. При этом для измерений поля необходимо задействовать 20—40 гауссметров в зависимости от числа точек измерения. Кроме того, скачки температуры, происходящие из-за нагрева различных элементов конструкции ускорителя, создадут дополнительные проблемы во время подстройки коэффициента калибровки датчика Холла, для решения которых потребуется дополнительный блок каждому гауссметру, задействованному в измерениях. Оптические измерители (датчики), успешно используемые в различных системах дистанционного контроля, в условиях повышенной радиации внутри ускорителя неприменимы.
Косвенные методы, в основном, контроля параметров магнитного поля внутри ускорителя (по измерению напряженности рассеянных магнитных полей, в том числе и вибрационным магнитометром), применяемые в настоящее время, не удовлетворяют современным требованиям по точности и надежности измерений. В связи с этим практический интерес представляет разработка средства измерений параметров магнитного поля, особенно внутри кольца магнитной системы ускорителя, с улучшенными техническими характеристиками.
Цель работы — решение задачи контроля параметров магнитного поля как внутри кольца магнитной системы, так и в непосредственной близости от ускорителя (перед защитными экранами и позади них) в автоматическом режиме.
Постановка задачи. Для действующей конструкции ускорителя электронов ПИЯФ им. Б. П. Константинова поставлена задача разработки дистанционного измерителя для контроля параметров магнитного поля. В ускорителе точки конт-
роля этих параметров расположены следующим образом: внутри кольца его магнитной системы, состоящей из восьми магнитов специальной формы (в их центрах), на стыках между магнитами (в зазорах); между магнитами и корпусом бункера; за корпусом бункера перед защитным экраном (всего 20). Индукция магнитного поля внутри кольца магнитной системы ускорителя может составлять более 2,2 Тл, неоднородность порядка 0,25 Тл/см, время контроля параметров магнитного поля в каждой точке не менее одного раза в 4 мин, погрешность измерений не выше 1 %.
Одно из возможных решений этой сложной задачи — использование разработанного авторами многоканального нутационного ядерно-резонансного магнитометра на проточной жидкости. Измерители, принцип работы которых основан на использовании ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в текущей жидкости, обладают высокой точностью измерений магнитной индукции В [6, 7]. Широкодиапазонный протонный тесламетр [7] обеспечивает измерение В в диапазоне 0,05—10,0 Тл с суммарными погрешностями 0,003 и 0,1 % при неоднородности поля 0,001 и 10 %/см, соответственно. Также ядерно-магнитные измерители на текущей жидкости просты в эксплуатации [6—12].
Значение В определяется через гиромагнитное отношение протона Ур и частоту fн ядерного резонанса (нутации) [2, 6—9]. Связь между индукцией и указанными величинами определяется соотношением
В = С Г ,
р н
(1)
где Ср
: 2п/ур — постоянная эталонного измерителя государ-
ственного специального эталона магнитной индукции в диапазоне 2—10 Тл, разработанного во ВНИИФТРИ [6, 10].
Для определения В используют С = (2,348740±0,000007)х Х10-8 Тл/Гц, что обеспечивает необходимую точность. Частоту fн измеряют современными прецизионными устройства-
Рис. 1. Структурная схема дистанционного ядерно-резонансного магнитометра:
1 — помпа; 2 — магнит-поляризатор; 3 — сосуд-поляризатор; 4—6, 12—14 — катушки нутации; 7—10 — соединительные участки трубопровода; 11, 15 — переключатели потока жидкой среды; 16 — катушка регистрации сигнала ЯМР; 17 — магнит-анализатор; 18 — катушки модуляции; 19 — сосуд-анализатор; 20 — устройство обработки и управления; 21 — электронные ключи; 22 — генератор нутации; 23 — частотомер; 24 — радиочастотный генератор; 25 — устройство регистрации ЯМР-сигнала
ми. Ранее случа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.