ных и производственных предприятий благодаря широкому диапазону частот и напряжений, высокой точности, соответствующей уровню вторичного эталона Государственной поверочной схемы [1], высокой стабильности электротеплового коэффициента преобразования, большой перегрузочной способности и возможности совместного использования с компьютером.
Л и т е р а т у р а
1. Телитченко Г. П., Швецов В. И. Анализ метрологического обеспечения средств измерений переменного напряжения // Главный метролог. 2003. № 5. С. 15—23.
2. ГОСТ Р 8.648—2008. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений переменного электрического напряжения до 1000 В в диапазоне частот от 1 ■ 10-2 до 2109 Гц.
3. ГОСТ 8.458—82. Преобразователи и компараторы образцовые термоэлектрические. Методы и средства поверки.
4. Гуревич М. Л. Новые приборы для точного измерения напряжений НЧ и ВЧ сигналов // Электроника. Наука, Технологии, Бизнес. 2009. № 7. С. 38—46.
5. Гуревич М. Л. Новые эталонные приборы для измерения переменных напряжений низких и высоких частот // Измерительная техника. 2009. № 10. С. 42—46.
6. Гуревич М. Л., Горшков А. В., Кудрявцев О. А., Криво-шеев В. И., Куракин А. В. Особенности применения высокочастотных термоэлектрических компараторов напряжений для прецизионного измерения среднеквадратического уровня переменных сигналов очень низких частот // Приборы. 2012. № 2. С. 1—14.
7. ГОСТ 22261—94. Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия (с Изменением № 1).
Дата принятия 27.04.2015 г.
621.318.13:537.6
Разработка экрана из аморфного магнитомягкого сплава для уменьшения влияния магнитного поля
Земли на чувствительный элемент фотоэлектронного спектрометра
А. С. ЖУКОВ, С. А. МАННИНЕН, О. В. ВАСИЛЬЕВА, П. А. КУЗНЕЦОВ
Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей», С.-Петербург, Россия, e-mail: jouan2@gmail.com
Приведены результаты расчетов эффективности экранирования фотоэлектронного спектрометра аморфными сплавами, предназначенными для защиты прибора от магнитного поля Земли. Измерено распределение индукции магнитного поля внутри экрана при различном расположении прибора. Исследована анизотропия экранирующих свойств магнитополимерного экрана.
Ключевые слова: магнитное поле, аморфные сплавы, экранирование, фотоэлектронный спектрометр.
The results of number calculations of screening effectivity for photo-electronic spectrometer using various amorphous alloys have been presented. The special camera was created for protection against Earth magnetic field. The magnetic field had been measured inside the camera. The anisotropy of its properties had been studied. It had been established that the Earth magnetic field shielding factor in the camera meets the special requirements.
Key words: magnetic field, amorphous alloys, screening, photoelectronic spectrometer.
Анализ современных тенденций в изучении влияния физических полей, в частности, магнитного поля Земли на технические устройства показывает, что наибольшее внимание уделяется поиску оптимальных способов защиты [1—4]. В настоящее время существует множество приборов, показания которых чувствительны к магнитному полю Земли. К таким приборам относятся устройства, использующие физические законы движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях: масс-спектрометры, растровые электронные микроскопы, рентгенофлуоресцентные спектрометры и др. Как статические, так и переменные магнитные поля
различной частоты могут отклонять частицы от их нормальных траекторий движения и тем самым искажать показания данных приборов. К другому виду магниточувствительных приборов относятся системы, с помощью которых проводят измерения предельно малых магнитных полей. Например, магнитокардиограф, предназначенный для проведения медицинской диагностики, обнаруживает магнитные поля, источником которых является сердце. Эти поля очень слабые, поэтому важно исключить влияние наведенных внешних магнитных полей на результаты измерений. Электромагнитная защита — необходимая часть кабинета магнитной то-
мографии. В случае нарушения ее целостности или отсутствию экранирования дорогостоящая техника не может правильно функционировать в связи с магнитными помехами, создаваемыми окружающим электронным оборудованием и геомагнитным полем. Стандарты в области электромагнитной совместимости технических средств устанавливают требования устойчивости к электромагнитным помехам, качеству электрической энергии в сетях и новые методы испытаний [5, 6].
На практике не всегда можно перенести техническое оборудование на расстояние, при котором индукция поля ослабится до предельно допустимого значения. В этом случае необходимо применять экранирующие материалы. Наибольшую сложность представляет экранирование постоянного и низкочастотного магнитных полей. Для этих целей требуются материалы, обладающие высокими магнитной проницаемостью и индукцией насыщения, низкой коэрцитивной силой. Они должны сохранять работоспособность в жестких условиях эксплуатации: быть нечувствительными к механическим и динамическим воздействиям (деформациям, вибрациям), работать в широком диапазоне температур, обеспечивать высокую воспроизводимость свойств.
Для защиты измерительных приборов от влияния посторонних физических полей их часто помещают в массивные замкнутые оболочки из ферромагнитного материала — обычно пермаллоя. Однако такие экраны имеют существенные недостатки: высокий коэффициент экранирования не сохраняется при механических воздействиях, неизбежно возникающих при изготовлении и монтаже экранирующих конструкций. Большие массогабаритные характеристики экрана накладывают дополнительные требования на инженерные решения при его изготовлении. Этих недостатков лишены аморфные магнитомягкие сплавы, что подтверждается данными отечественных и зарубежных работ [7—9].
Авторы изготовили экран из аморфного магнитомягкого сплава, который уменьшает в 100 раз влияние магнитного поля Земли на чувствительный элемент фотоэлектронного спектрометра, разработанного в Институте аналитического приборостроения РАН. Корректную работу данного прибора можно обеспечить только в полях с индукцией не более 0,5 мкТл. Фотоэлектронный спектрометр имеет высоту 280 мм, максимальную ширину 250 мм, его чувствительный элемент располагается на расстоянии 150—200 мм от верхней точки прибора.
Для выбора материала и геометрических параметров экрана были выполнены расчеты эффективности экранирования конечно-разностным методом на треугольной сетке переменного шага с помощью программного комплекса ELCUT, позволяющего проводить вычисления магнитных полей в двумерном приближении и с учетом нелинейных свойств материала экрана. Кривые намагничивания сплавов, используемые в расчете, снимали на установке МК-3Э производства НПО «Интротест» (Екатеринбург). Для измерений распределения индукции магнитного поля внутри экрана применяли магнитометр МТ-4 производства ООО «КРИОМАГ» (С.-Петербург), созданный на основе феррозондового трех-компонентного датчика. Это позволяет одновременно измерять три ортогональных компонента вектора магнитной индукции постоянного магнитного поля с погрешностью не более 10 нТл.
В ходе предварительных исследований из различных сплавов (79НМ, 81НМА, АМАГ-172, АМАГ-200), применяемых для экранирования, был выбран аморфный сплав АМАГ-172 ввиду его высокой магнитной проницаемости ц и оптимальной коэрцитивной силы Hc (см. таблицу). Указанный сплав промышленно выпускает ОАО «Мстатор» (Боровичи), его химический состав соответствует формуле Co72Fe5Ni10Cr15Mn15Si7B3. Сплав производят в виде аморфной ленты толщиной 20 мкм, шириной 20 мм. В ЦНИИ КМ «Прометей» на базе данного сплава запатентована конструкция рулонного металлополи-мерного экранирующего материала [10] и разработан магнитный экран марки МАР-1К.
Характеристики исследованных сплавов
Характеристика 79НМ 81НМА АМАГ-172 АМАГ-200
ц 250000 430000 800000 120000
Ис, А/м 1,0 0,4 0,4 2,3
Исходя из геометрических размеров фотоэлектронного спектрометра, была построена модель цилиндрического экрана диаметром 30 см и длиной 28 см, один торец его глухой, а другой открытый, что необходимо для подведения электрических проводов к спектрометру. В качестве внешнего воздействия при моделировании задавали однородное магнитное поле, параллельное оси цилиндра, индукцией 50 мкТл, что соответствует магнитному полю Земли. Для задания магнитных свойств материала экрана использовали кривые намагничивания В(Н), измеренные экспериментально для сплава АМАГ-172 [11].
В ходе расчетов было установлено, что необходимая степень экранирования магнитного поля Земли до индукции 0,5 мкТл не обеспечивается при длине экранирующего цилиндра, сопоставимой с его диаметром (в соответствии с геометрией фотоэлектронного спектрометра), даже при использовании до 100 слоев экранирующего материала. Для решения этой проблемы длину цилиндра увеличили до 600 мм, что соответствует отношению длины к диаметру 2:1 и является приемлемым с точки зрения эффективности экранирования магнитного поля в требуемой области прибора [12]. Это позволило всего при 12 слоях экранирующего материала достичь оптимального значения индукции магнитного поля.
Как следует из рис. 1, при использовании разработанной конструкции экрана достаточная степень экранирования (светлая область) обеспечивается в месте предполагаемого расположения чувствительного элемента фотоэлектронного спектрометра.
Были изготовлены два магнитных экрана в форме цилиндров диаметром 300 мм и длиной 600 мм: в одном ленту аморфного магнитомягкого сплава располагали на твердой основе перпендикулярно образующей, в другой — вдоль образующей — параллельно оси цилиндра основы. Внутри экранов чувствительный элемент фотоэлектронного спектрометра размещается на расстоянии 150—200 мм от закрытого торца цилиндра. Для данных конструкций измерения проводили при различной ориентации экранирующего цилиндра
Рис. 1. Распределение индукции магнитного поля в цилиндрическом экране
относительно направления силовых линий магнитного поля. При вертикаль
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.