Исследование методов и средств достижения высокой астатичности сверхпроводниковых магнитоградиентометров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

РГ6 од

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ фАШЁкнЙ£скш ИНСТИТУТ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР ИМ. Б. И. ВЕРКИНА

На правах рукописи

САМАРСКИЙ Виктор Андреевич

УДК 537. 312.62

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДОСТИЖЕНИЯ ВЫСОКОЙ АСТАТИЧНОСТИ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ МАГНИГОГРАДИЕНТОМЕТРОВ

01.04.09 - Физика низких температур

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1993

Работа выполнена в Физико-техническом институте низких температур им. Б. И. Веркина АН Украины.

Научный руководитель - доктор технических наук профессор С. И. Бондаренко

Официальные оппоненты - доктор технических наук

С. П. Логвиненко (ФТИНТ АН Украины, г.Харьков3

доктор технических наук

И. Д. Войтович СИК АН Украины, г.Киев)

Ведущая организация - Институт Земного

магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн'Российской Академии Наук

Защита состоится "_"_1993г. в_час.

на заседании Специализированного совета Д 016.27.01 при Физико-техническом институте низких температур им. Б.И.Веркина АН Украины по адресу 310164, г. Харьков, просп. Ленина, 47.

,С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФТИНТ им. Б. И. Веркина АН Украины.

Автореферат разослан " " _1993г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы обусловлена наличием задач на тыке наук в областях прикладной сверхпроводимости и магнитных змерений, решение которых позволит создать измерители всех эмпонент тензора градиента магнитной индукции, обладающие высо-эй чувствительностью и высокой астатичностью. Эти параметры згут быть реализованы при размещении приборов на подвижных знованиях. Существующие измерители магнитной индукции и средства к поверки удовлетворительны, однако создание на их базе измери-глей градиентов магнитной индукции затруднено необходимостью ¿еть большую базу для реализации требуемой чувствительности и ясокую идентичность каналов для реализации требуемой астатичнос-I, а также созданием средств поверки этих величин. Применение »ления сверхпроводимости, эффектов Мейсснера, Джозефсона, других шектов физики низких температур, позволяет создать недостающий гасс удовлетворительных измерителей гадиента магнитной индукции, шовные преимущества криогенных градиентометров состоят в одно-шальности этих приборов, у которых вопросы идентификации каналов юдятся к повышению астатичности только их измерительных преоб-[зователей, а реализация требуемой чувствительности возможна при 13е до 0,5м. Если существующие астатические магнитометры имеют, лример, астатичность равную 1,5.103 и реализуемую только в ■ационарных условиях, то сверхпроводниковые приборы могут иметь :татичность порядка 10®, реализуемую при размещении их на движных основаниях. Открытие в 1987г. высокотемпературной ерхпроводимости позволит в перспективе создавать криогенные гнитометрические приборы, работающие при температуре жидкого ота, что значительно удешевит их криогенное обеспечение.

В 1971г. Циммерман ССША) успешно использовал сверхпроводни-вые Сс. п.) измерители градиента магнитной индукции Сградиен-метры) для магнитокардиографии. Вин с соавторами ССША) в 1975г. ределили движение магнитного диполя в пространстве с помощью п. пятикомпонентного измерителя градиента магнитной индукции и п. трехкомпонентного измерителя магнитной индукции. В 1977г. ндаренко С.И. с соавторами ССССР) применили с. п. магнитометри-ские приборы в геофизике для поиска полезных ископаемых, ммерман в 1980г. и Гастинг с соавторами ССША) в 1985г. рассмат-

ривали вопросы применения с.п. градиентометров для исследоват параметров магнитного поля в космосе.

Астатичность (см. БСЭ, 1970г., стр.333) прибора определи« коэффициент подавления вариаций магнитного поля Земли, которь являются помеховым сигналом, а также помех, возникающих щ перемещениях прибора в поле Земли. Судя по публикациям, разрабс танные в США с.п. градиентометры обладают астатичностью на уров!

7

10 , что обусловлено возможностями симметрирующих устройст! однако называется также предельная величина астатичности, равнг 2.105, обусловленная методическими ограничениями, возникающш вследствие неоднородности геомагнитного поля.

К моменту постановки темы диссертации в нашей стране подос ные работы не проводились.

Цель работы состояла в исследовании взаимодейств] магнитного поля с элементами с.п. измерительных преобразовател« градиентометров, низкотемпературных материаловедческих исслед< ваниях различных свойств материалов, исследовании магнитометр] ческих методов определения астатичности и различных конструкщ криогенных устройств достижения высокой астатичности для создан] с.п. измерителей градиента магнитной индукции, которые мои использовать на подвижных основаниях.

Защищаемые научные результаты их новизна. В работе экспериментально подтверждены выво, террии распределения магнитного поля вокруг с.п. тонких дисю относительно влияния последних на эффективную величину магнитно: потока, сцепленного с элементами измерительных преобразовател< с. п. магнитоградиентометров; впервые доказана необходимость пре, варительного термоциклирования в диапазоне температур С77-300 заготовок каркасов для снятия внутренних напряжений, приводящих необратимому формоизменению изделий, следствием чего являет изменение астатичности в процессе эксплуатации приборов; вперв: в магнитометрии предложен метод определения астатичности впло' - до высоких величин, учитывающий стационарный градиент в мес измерений, посредством чего решается задача поверки астатичнос Сзащищено авторскими свидетельствами); впервые в стране дости нуты величины астатичности на уровне начала седьмого порядка, ч обеспечено устройствами, защищенными авторскими свидетельствам впервые проведены испытания разработанных с. п. градиентометров

лсокой астатичностыэ на авиационных носителях Свертолетах), зторые показали, что такие приборы могут успешно использоваться 1 подвижных основаниях без дорогостоящих стабилиз ирусщих - и зиентирующих гироскопических платформ.

На защиту выносятся следующие основные положения, результа->1, выводы и рекомендации:

Разработан метод определения астатичности с. п. ИП градиента 1гнитной индукции. Его новизна и эффективность обусловлены гаически обоснованной постановкой задачи изучения стереометрии 1, а также учетом характеристик электронного тракта прибора и гособом оценки погрешности определения астатичности. Следствием эименения метода явилась возможность использования магнитного зля Земли (МПЗ), а эффективностью применения метода - отсутствие эобходимости создания сложных дорогостоящих систем генерации 1гнитных полей с высокой степенью однородности.

1. Сущность метода состоит в построении зависимости выходных 1Гналов прибора при наклонах его ИП в МПЗ, производимые в плос-эсти магнитного меридиана в заданных точках остановок при пово-зте преобразователя вокруг оси.

2. Создана установка, позволяющая реализовать предложенный гтод в автоматизированном режиме, что исключает присутствие юратора рядом с высокочувствительным ИП в процессе измерений, а шже обеспечивающей неизменность заданных углов наклонов и жоротов ИП от одного цикла измерений к следующему с точностью г хуже одного процента.

3. Результаты проведенных исследований по предложенному методу >стоят в установлении ограниченности исходной астатичности ИП

о

^личинами —10 , в определении того, что для практических приме-?ний необходимо и возможно повышать исходную астатичность преоб-13ователей до уровня 10^, в разработке способа сочетания шворота ИП и предложенного метода, что позволяет обойти -раничения, накладываемые "конечной однородностью МПЗ на 'возмож->сть достижения указанной величины астатичности.

Разработаны конструкции ИП "с исходной астатичностью более 10^, основу которых положено размещение витков преобрао' телей в >рцевых пазах каркасов, что дало возможность изготавливать их I базе доступных технологий, легко обрабатываемых и магнитосте-[льных материалов (текстолитов), достаточно надежных и стабиль-

ных в процессе длительной эксплуатации ИП.

2.1. Выявлена необходимость учета необратимого формоизменения конструкционных материалов под воздействием циклических температурных нагрузок, влияющего на стабильность астатичности ИП, чтс стимулировало проведение измерений и исследований указанных характеристик для материалов, применяемых в криогенных магнитометрических приборах.

2.2. Обнаружена зависимость астатичности ИП от уровня гелия е крирстатах, что указывает на возможность использования этогс явления для исследований магнитных характеристик ИП и криостата при низких температурах.

3. Разработаны и испытаны устройства повышения астатичности ИП, новизна которых характеризуется использованием простых технологи! изготовления и дешевых материалов, в обеспечении их высокой надеа ности и стабильности в процессе эксплуатации.

3.1. Показано, что конструкции устройств повышения астатичноста типа магнитометр-балансировочный элемент, целесообразно использовать для повышения астатичности ИП, имевших низкую Сменее 10^] исходную астатичность, а конструкции только с балансировочным! элементами для больших (более 0.1м) ИП и высоких степенях (более 10^) исходной астатичности.

3.2. Созданы двухступенчатые устройства повышения астатичности с выполнением опорных поверхностей для перемещения и фиксацш балансировочных элементов непосредственно на . каркасах измерительных преобразователей, причем каждая ступень балансировк! должна обеспечивать повышение астатичности на два порядка.

3.3. Экспериментальные исследования диапазонов компенсации балансировочных элементов и сравнение этих результатов с расчето) на ЭВМ, показывает достоверность теоретической модели, котораа может использоваться для определения требуемых размеров балансировочных элементов в виде тонких, плоских сверхпроводящих дисков.

3.4. Создание конструкций измерительных преобразователей и балансировочных устройств позволили практически получить приборы ( астатичностью более 10б.

3.5. Показано, что электронный способ компенсации разбаланс; позволяет на два порядка поднять астатичность ИП, а также сделатз выводы о целесообразности применения таких систем.

Практическая ценность работы

заключается в том, что разработаны и испытаны авиационные измерители градиента магнитной индукции с высокой астатичностью для решения задач магнитометрии; экспериментально исследованы закономерности искажения магнитных полей с.п. дисками вблизи с. п. ИП градиентометров и разработаны конкретные программы для расчетов на ЭВМ диапазонов компенсации балансировочных дисков, что подтвердило существующую по этому вопросу теорию, а также необходимо при проектировании с. п. градиентометров; предложены различные методы и устройства определения и достижения высокой астатич-ности градиентометров, которые используются при разработке приборов; проведенные исследования низкотемпературных свойств различных материалов позволяют выбрать соответствующие предъявляемым требованиям для создания криогенных градиентометров. Конструкторские предложения, защищенные авторскими свидетельствами, освоены в конкретных устройствах и дали фактический экономический эффект. Методы, разработанные в ходе исследований, использовались в НПО "Рудгеофизика" Министерства геологии СССР и ЛО ИЗМИР АН СССР, в практике ФТИНТ АН Украины, а также могут быть использованы в ИЗМИР РАН, в Государственных геологических предприятиях Украины, метрологических организациях.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 12 публикациях, включающих статьи во всесоюзных научно-технических журналах, доклады на всесоюз- . ных и международной конференциях, авторские свидетельства.

Апробация работы. Результаты исследований, вошедшие в диссертационную работу, докладывались на 2-й Всесоюзной конференции "Методы и средства измерений параметров магнитного поля", Ленинград, 1980г.; 4-й Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры", Ленинград, 1983г.; 3-й Всесоюзной конференции "Методы и средства измерения параметров магнитного поля", Ленинград, 1983г. ; 24-й Международной конференции стран-членов СЭВ по физике и технике низких температур, ГДР, Берлин, 1985г.

Структура и объем диссерт а ц и и. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложений. Общий объем составляет 149 стр. основного текста, 74 рис., 7 табл. , список литературы из 98 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Во. введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель исследований, -основные положения, результаты, выводы и рекомендации, выносимые на защиту,- Здесь же кратко изложены основные вопросы, которые рассматриваются в каждом разделе и заключении.

В первом разделе рассматриваются вопросы методического обеспечения измерений величины астатичности сверхпроводниковых измерительных преобразователей, в которые включается сравнительный анализ известных методов определения астатичности и предложенного, разработанного для решения задачи изучения стереометрии ИП, а также представлены основные узлы установки, позволяющей в автоматизированном режиме производить требуемые перемещения криостата с ИП в МПЗ.

Разработан метод изучения стереометрии ИП сверхпроводникового градиентометра ССГ), суть которого сводится к "просвечиванию" ИП неизменным приращением магнитного потока с разных сторон Сизменяя угол поворота ИП вокруг оси через, например, 30° от 0 до 360°) и измерением величины выходного сигнала СГ, возникающего при наклоне ИП на угол а в плоскости магнитного меридиана. Реализация предложенного метода на конкретном ИП показала, что зависимость VC/3) имеет вид ' смещенной на некоторую величину В относительно оси абсцисс синусоиды с некоторой амплитудой С и выражается формулой

CI) VC0)=B+Csinp

Величина В, которая не изменяется при изменении угла поворота, указывает на наличие в стареометрии ИП некоторой площади, перпендикулярной оси ИП, а величину С можно обьяснить наличием площади, параллельной оси ИП. Стереометрия реального ИП СГ представляется - идеальным ИП СГ и двумя независимыми ИП сверхпроводнйковых магнитометров.

При экспериментальном снятии зависимости VC0) должны работать два оператора, один разворачивает и наклоняет криостат с ИП, а другой снимает показания с измерительной аппаратуры. Однако принципиальная трудность состоит в том, что на операторе

не должно быть никаких магнитных предметов, иначе любое его перемещение вносит искажения в измерения, кроме того учитывался монотонный и однообразный характер таких работ. Поэтому было разработано и изготовлено автоматизированное поворотное устройство, позволившее по программе производить наклоны и повороты крио-статов с ИП в автоматизированном режиме с использованием удаленного на необходимое расстояние электродвигателя. Программа обеспечивается исключительно механическими устройствами без электрических сигналов.

Метод изучения стереометрии явился основой для определения астатичности СГ по формулам:

Т.[ eos isína-sinj С1 -cosa) J

С 2) A_=------------------------,

2 B.b

T[slnisina+cosj(l-cosa)]

C3) A =----------------------- ,

ХУ C.b

где А, и А,,,, - астатичность СГ относительно вертикальной и гори-¿. ду

зонтальной компонент соответственно, Т-модуль полного вектора МПЗ в месте измерений, з-наклонение полного вектора, Ь-база ИП.

В этом же разделе рассматриваются вопросы ограничения степени достижимой астатичности, обусловленные неоднородностью МПЗ в месте измерений. Это ограничение определяется величиной А=Н/ДН. Предложен способ выявления этого ограничения, основанный на изучении зависимости выходного сигнала прибора при увеличивающемся угле наклона а ИП. Если экспериментально полученная зависимость отличается от расчетной, которая обусловлена площадью разбаланса, то делается вывод о том, что появляется часть выходного сигнала, регистрируемая идеальным ИП СГ, связанного с неоднородностью МПЗ.

Представлен способ повышения астатичности, основанный на совмещении разворота ИП в вертикальной плоскости с методом определения стереометрии и перемещением балансировочных элементов, который позволяет повысить величину достижимой астатичности путем учета неоднородности МПЗ в месте проведения•симметрирования.

Во втором разделе излагаются результаты исследований факторов, влияющих на стабильность астатичности, связанных со стабильностью геометрических размеров и магнитностью

характеристик конструкций и используемых материалов соответственно, кроме того, изложены вопросы конструирования ИП СГ, а также анализируются технологии изготовления ИП и зависящие от них величины исходной астатичности ИП.

Впервые рассматривается вопрос о необходимости учета при создании ИП СГ эффектов необратимого формоизменения материалов при теплосменах. Проведено экспериментальное исследование стабильности геометрических размеров образцов из текстолита к циклическому тепловому воздействию в диапазоне температур С77-293)К.

Исследовались температурные зависимости магнитной восприимчивости материалов вблизи температуры кипения жидкого гелия с целью выявления магнитных шумов в рабочем диапазоне температур от различных конструкционных материалов. Шумы, могут быть обусловлены нестабильностью температуры гелиевой ванны, что необходимо учитывать при выборе материалов конструкций.

В третьем разделе сопоставляются ранее известные и предложенные в диссертации способы симметрирования ИП, а также устройства, с помощью которых можно производить балансировку ИП, построенные как на основе физических принципов (эффект Мейсснера), так и на электронной компенсации с помощью трех взаимноортогональных сверхпроводниковых магнитометров.

Впервые проведены экспериментальные исследования взаимодействия магнитных полей с элементами с. п. ИП градиентометров. Подтверждены выводы теории относительно взаимодействия магнитных полей с тонкими сверхпроводящими дисками, размеры которых сравнимы с размерами магниточувствительных элементов. Разработаны программы для расчетов на ЭВМ диапазонов компенсации балансировочных элементов.

Для примера, на рисунке приведены результаты экспериментальных исследований диапазонов компенсации симметрирующего элемента и теоретическая кривая, полученная из формулы:

Фд=-МВх2а^г1^Хрёр[(хо+рсо5^)/(р2+2хорсоз0+Х0+г2)б^2]/п,

в предположении ад<«\ т.е., радиус диска много меньше радиуса витка ИП градиентометра, а Фд=НАВх.

Принцип действия созданных устройств основан на особенностях

взаимодействия магнитных полей со сверхпроводящими элементами. В этих устройствах впервые использовалась плоская система минимаг-нитометр-перемещающийся сверхпроводящий диск, а также устройства с симметрированием посредством изменения размеров извлекаемых из

ДБуСмм2)

/1

/I

Л

I_

т-Т

гЬ * * «о ^10 -20 гемм)

-----.1-____

о

-А*

е

и 1/

криостата балансировочных элементов.

Определены возможности электронного способа компенсации разбаланса, который рассматривается как дополнительный, применяемый после физической балансировки.

Четвертый раздел включает результаты полевых испытаний приборов с высокой астатичностью, разработанных и изготовленных при выполнении этой работы.

Максимальная достигнутая степень астатичности относительно вертикальной компоненты составила 2,7.10®, а относительно горизонтальной компоненты составила 1,6.10®.

В заключении сформулированы выводы, из которых следует, что в диссертации исследованы различные свойства материалов при низких температурах, рассмотрены закономерности взаимодействий магнитных полей с элементами сверхпроводниковых конструкций, исследованы вопросы метрологического обеспечения измерителей

градиента магнитной индукции, разработаны различные устройства, позволившие создать сверхпроводниковые измерители градиента магнитной индукции, которые были успешно испытаны при работе на подвижных основаниях без стабилизирующих платформ, а также намечены пути дальнейших исследований.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бондаренко С.И. , Самарский В. А., Астатичность приемного контур; сверхпроводникового градиентометра, Метрология, 1982, N1, с.52.

2. Бондаренко С.И. , Самарский В. А., Повышение астатичности сверхпроводникового магнитоградиентометра, рукопись депонирована в ВИНИТИ, N 1068-83 Деп.

3. Самарский В.А., Оценка погрешности определения астатизма магнитного градиентометра, Измерительная техника, 1987, N12, с. 50.

4. Самарский В.А., Бондаренко С.И., Устройство для симметризации сверхпроводникового магнитного градиентометра, A.C. N 900699, приор. 18.03.80г.

5. Самарский В.А., Бондаренко С. И. , Приемный контур сверхпроводникового градиентометра, A.C. N 997533, приор. 03.06.81г.

6. Самарский В.А., Способ крепления деталей в криогенном резервуаре, A.C. N 2468068, приор. 22.03.85г.

7. Самарский В.А., Устройство балансировки сверхпроводникового градиентометра, A.C. N 1443598, приор. 01.04.86г.

8. Самарский В.А., Способ симметрирования градиентометра, A.c. N 1593420, приор. 12.01.88г.

Ответственный за выпуск - кандидат физ. -мат. наук ГРИГОРАЩЕНКО 0. Н.

Подписано к печати 12.03.1993г., физ. п. л. 1, учет. изд. л. 1, заказ N 41, тираж 100 экз.

Ротапринт ФТИНТ АН Украины, 310164, Харьков-164, пр.Ленина, 47