Магнитометр

 

Использование: контрольно-измерительная техника, в области магнитных измерений для абсолютных измерений индукции магнитного поля в диапазоне 0,510^-4 - 16 Тл с использованием одного датчика. Сущность изобретения: устройство состоит из источника 1 света, волоконного световода 2, фотодетектора 3, резистора 4, конденсатора 5, катушки 6 индуктивности, устройства 7 с рабочими веществами 18, 19, заполняющими ампулы 16, 17, вставленными одна в другую, катушки 8 модуляции, генератора 9 модуляции, диода 10, узкополосного усилителя 11, синхронного детектора 12, регистрирующего прибора 13, широкодиапазонного генератора 14 и частотомера 15. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для абсолютных измерений индукции магнитного поля в диапазоне 0,510^-4 Тл 16 Тл с использованием одного датчика.

Цель изобретения расширение диапазона и повышение точности.

На чертеже представлена блок-схема магнитомера.

Магнитомер содержит источник 1 света, волоконный световод 2, фотодетектор 3, резистор 4, конденсатор 5, катушку 6 индуктивности, устройство 7 с рабочими веществами, катушки 8 модуляции магнитного измеряемого поля, генератор 9 модуляции, диод 10, узкополосный усилитель 11, синхронный детектор 12, регистрирующий прибор 13, широкодиапазонный генератор 14, частотомер 15.

Магнитомер работает следующим образом.

Промодулированный генератором 14 световой поток источника 1 проходит через волоконный световод 2 и поступает на фотодетектор 3, ток которого с частотой, равной частоте широкополосного генератора 14, через резистор 4 и конденсатор 5 проходит по катушке 6 индуктивности и создает в ней линейно осциллирующее поле. При выполнении условия 2f_o=B_o (где f_о резонансная частота осциллирующего поля, гиромагнитное отношение протона или электрона, B₀ индукция измеряемого магнитного поля) устройством 7 с рабочими веществами поглощается магнитная энергия катушки, меняется ее добротность и, следовательно, меняется ток через катушку и падение напряжения на резисторе 4. Формируется резонансная кривая поглощения, ширина которой определяется внутриатомными взаимодействиями рабочих веществ. Катушка 8 модуляции подключена к низкочастотному генератору 9. Ток с частотой модуляции f_м <f, протекающий по катушке 8, модулирует измеряемое поле и с выхода диода 10 снимается производная кривой поглощения на фиксированной частоте модуляции. Сигнал ЯМР или ЭПР усиливается узкополосным усилителем 11, выход которого подключен к одному входу синхронного детектора 12, а ко второму входу подводится опорное напряжение от генератора 9 модуляции, выход синхронного детектора 12 подключен к регистрирующему прибору 13. Частота в момент резонанса измеряется частотомером 15.

Устройство 7 с рабочими веществами (фиг.2) состоит из двух ампул: внешней 16 и внутренней 17, вставленных одна в другую. Пространство между первой и второй ампулами заполнено веществом 18, например, органическим радикалом с узкой резонансной линией или парамагнитной солью, дающим сигнал ЭПР, а внутренняя ампула 17 заполняется рабочим веществом 19, например водным раствором MnSO₄, дающим сигнал ЯМР. Введение парамагнитных ионов Mn₊ уменьшает время релаксации протонов и исключает насыщение образца радиочастотным полем. Рабочие вещества берутся в соотношении 1:1 по объему. Это уменьшает коэффициент заполнения катушки 6 (фиг.1) одним рабочим веществом и, следовательно, приводит к снижению отношения сигнала к шуму. Однако уменьшение коэффициента заполнения компенсируется отсутствием электромагнитных наводок на волоконный световод и наличием высокочувствительных схем входных каскадов узкополосного усилителя.

Для измерения индукции поля в диапазоне (0,5 250)10^-4 Тл методом ЭПР необходимо перекрыть частотный диапазон 1 700 МГц. С использованием протонного резонанса указанный диапазон частот позволяет измерять индукцию магнитного поля в пределах 0,025 16 Тл.

Устройство позволяет проводить абсолютные измерения индукции в широком диапазоне магнитных полей с использованием фундаментальных констант-гиромагнитных отношений электрона и протона. При этом датчик может быть только один и удален от основного измерительного блока на достаточно большое расстояние, так как затухание в волоконном световоде незначительное.

При измерении индукции переменного поля необходимо соблюдать определенные условия. Резонансная линия сканируется с конечной средней скоростью зависящей от частоты измеряемого поля и амплитуды индукции B, и это накладывает определенные ограничения на частоту и амплитуду поля. В слабом поле зеемановская частота _o=B мала и, следовательно, адиабатический параметр может оказаться большим и сравнимым с B. С ростом поля скорость сканирования растет и в сильном поле становится сравнимой со скоростью поперечной релаксации спиновой системы ^-1. В обоих случаях нарушаются условия адиабатического прохождения линии, что приводит к погрешности измерения амплитуды магнитной индукции.

Для наблюдения дифференциального сигнала требуется модуляция измеряемого поля, при этом на частоту модуляции w_м необходимо наложить некоторые ограничивающие условия. С одной стороны, _м должна быть меньше _o и частоты поперечной релаксации ^-1 с другой достаточна велика, чтобы имело место усреднение поля модуляции за время q сканирования резонансной линии. Резонанс фиксируется в момент, когда поле достигает своего амплитудного значения.

Формула изобретения

1. Магнитометр, содержащий перестраиваемый по частоте генератор накачки, частотомер, датчик, коаксиальный кабель, катушки модуляции измеряемого поля, генератор модуляции, последовательно соединенные усилитель, синхронный детектор и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен последовательно расположенными источником света, волоконным световодом и фотодетектором, а также устройством с рабочими веществами, при этом выход фотодетектора одновременно подключен через резистор, конденсатор и устройство с рабочими веществами и непосредственно к диоду, выход которого подключен к входу усилителя, а второй вход синхронного детектора подключен к одному выходу генератора модуляции, второй выход которого подключен к катушкам модуляции измеряемого поля, первый выход генератора накачки подключен к источнику света, а второй к частотомеру.

2. Магнитометр по п.1, отличающийся тем, что устройство с рабочими веществами выполнено в виде двух ампул, вставленных одна в другую, при этом пространство между внешней и внутренней ампулой заполнено веществом, дающим сигнал электронного парамагнитного резонанса, а внутренняя ампула заполнена веществом, дающим сигнал ядерного магнитного резонанса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 21-2003

(73) Патентообладатель:ЗАО "Научно-производственное предприятие ФАН" (RU)

Договор № 16797 зарегистрирован 27.05.2003

Извещение опубликовано: 27.07.2003        

---