Способ исследования структуры магнитных полей с использованием лазерного излучения
METHOD FOR STUDYING STRUCTURE OF MAGNETIC FIELDS USING LASER RADIATION

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам и устройствам для исследования неоднородности магнитного поля в межполюсном пространстве.
Изобретение в режиме реального времени позволяет определять параметры исследуемого магнитного поля различных магнитных систем и проводить их настройку на максимум однородности магнитного поля.
Изобретение может быть использовано в приборостроении, как для контроля качества выпускаемых магнитных систем, так и для контроля состояния определенных территорий от проникновения подвижных магнитных объектов. Особый интерес изобретение представляет для научных исследований, направленных на разработку магнитных систем с заданной конфигурацией магнитного поля и однородностью, особенно в межполюсном пространстве, например, магнито-резонансные томографы и т.д.
x
z
Известен способ контроля вариаций магнитного поля Земли (патент RU 2525474 C2, опубликовано: 20.08.2014). По измеренным значениям компонент вектора магнитного поля с использованием квантового трех градиентного магнитометра на оптической накачке (статья «Квантовый магнитометр с оптической накачкой, комбинирующий достоинства M и M устройств» в Журнале Технической Физики, 2013, Т. 83. Вып. 10, стр 90-97, авторы А.К. Вершовский, С.П. Дмитриев, А.С. Пазгалев) строится карта силовых линий магнитного поля. Недостатком данного метода является шаг измерений магнитного поля в пространстве (измерения производятся по точкам). Погрешность положения построенных по точкам силовых линий определяется погрешностью измерения шага, которая намного больше, чем расстояние между спеклами, которые были получены с использованием электронного микроскопа (фиг. 3 и 4).
Другой более известный способ контроля силовых линий магнитного поля (патент RU 2409876 С2, опубликовано 18.01.2014) основан на размещении магнитных опилок маленьких размеров на силовых линиях магнитного поля. Каждая из опилок в этом случае представляет собой элементарный магнит. Такой способ крайне эффективен для представления магнитного поля одиночного магнита. Магнит располагается под листом из немагнитного материала, на котором размещены железные опилки. В ряде случаев магнит размещают в герметичной упаковке (немагнитной) в емкости с раствором воды с различными добавками. Оба этих способа не применимы при визуализации магнитного поля в межполюсном пространстве, сверхпроводящем соленоиде и т.д. Магнитная система после такой визуализации крайне сложно очищается от магнитных опилок, особенно если используются постоянные магниты.
Изобретение (патент BY 11502) с использованием железных опилок, которые сформированы в виде порошка (для наблюдения эффекта размещения порошка по силовым линиям магнитного поля используется видеокамера), также не может быть использован для визуализации магнитных полей в межполюсном пространстве и т.д.
О возможности представления явления размещения силовых линий магнитного поля в пространстве является изобретение(US 7487936 B2, Опубликовано: 10.02.2009). Изобретение описывает способ контроля магнитного поля Земли с использованием концентрированных магнитных линий, которые создают разный цвет на поверхности магнитной пленки толщиной 50 мкм, которая размещается на подвижном объекте. По изменению цвета пленки можно определить наличие неоднородности магнитного поля и оценить значение индукции в одной плоскости. Построить объемное изображение по этим данным крайне сложно.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является изобретение(SU 1725174 A1, Опубликовано: 07.04.1992), в котором представлен способ визуализации магнитных полей для контроля качества сверхпроводящих материалов на основе данных магнитных измерений.
К недостаткам данного метода можно отнести следующее. Для измерений необходимо охладить исследуемый объект (сверхпроводящий материал) ниже температуры фазового перехода для наблюдения доменной структуры. При исследовании сильных магнитных полей в межполюсном пространстве габаритной магнитной системы реализовать такое охлаждение крайне сложно. Если необходимо исследовать структуру магнитного поля в межполюсном пространстве электромагнита данная задача является невыполнимой, так как происходит разогрев катушек индуктивности при протекании по ним тока более 1 А. Для исследований в прототипе используется ферромагнитный пленочный датчик. В сильных магнитных полях происходит насыщение пленки и различить неоднородность крайне сложно. Это связано с тем, что характер изменения цвета пленки отображает характер изменения неоднородности магнитного поля. Если однородность поля высокая, то цветовая гамма на пленке меняется незначительно и определить изменения однородности магнитного поля на небольших расстояниях крайне сложно. Кроме того, использование пленки не позволяет построить объемное изображение изменения неоднородности магнитного поля, так как невозможно согласовать в объемную картину изображения, полученные с помощью пленок в каждой плоскости.
Техническая проблема, решаемая в изобретении связана с обеспечением визуализации силовых линий магнитного поля в трех плоскостях с определением характера изменения их плотности в различных точках, особенно в межполюсном пространстве магнитных систем (получение объемного изображения в отличие от рассмотренного прототипа). Это позволит построить пространственное распределение силовых линий магнитного поля, которое ранее было рассчитано только теоретически с большими приближениями, что представляет наибольший интерес для научных исследований. Необходимо отметить, что пространственное распределение неоднородности магнитного поля в межполюсном пространстве строится в реальном времени и изменяется с изменением параметров магнитной системы. Это позволяет по пространственному изображению настраивать магнитное поле в межполюсном пространстве на минимальную величину неоднородности.
Сущность метода заключается в том, что рассеянное лазерное излучение прошедшее через ячейку прямоугольной формы, стенки которой изготовлены из кварцевого стекла, заполненную магнитной жидкостью, формирует на фоточувствительном слое видеокамеры дифракционное изображение (фиг. 1). В этом изображении четко наблюдаются положения максимумов и минимумов. Формирование данного изображения связано с тем, что ячейка с магнитной жидкостью расположена в магнитном поле. Концентрацию наночастиц, например, магнетита (размер 12 нм), которые содержаться в магнитной жидкости, можно регулировать. Эти частицы располагаются в окрестностях силовых линий магнитного поля, образуя полосатую структуру с зонами прозрачности для лазерного излучения. В случае однородного магнитного поля структура, образованная в окрестностях силовых линий (спекл-структура) обладает некоторой повторяемостью (периодичностью) и ее можно считать для поступающего на нее лазерного излучения подобием дифракционной решетки. По периоду расположения дифракционных максимумов можно определить расстояние между спекл-структурами (период дифракционной решетки), которое соответствует расстоянию между силовыми линиями магнитного поля (фиг. 1.а). Выход видеокамеры подключен к осциллографу. Выбором на экране осциллографа строки в регистрируемой дифракционной картине строится зависимость амплитуды регистрируемого сигнала лазерного излучения от их положения между полюсами магнитной системы (фиг. 2). Полученная зависимость позволяет определить число силовых линий магнитного поля на единицу площади в межполюсном пространстве магнитной системы. Это позволяет вычислить плотность силовых линий, значение которой необходимо для определения индукции магнитного поля в заданной зоне межполюсного пространства магнитной системы. Перемещая феррофлюидную ячейку по межполюсному пространству, можно построить распределение индукции магнитного поля между полюсами. Определить характер изменения индукции магнитного поля от центра магнитной системы к ее краям. При небольших изменениях неоднородности магнитного поля, в котором расположена феррофлюидная ячейка расстояния между силовыми линиями магнитного поля меняются достаточно плавно, поэтому дифракционная картина в видеокамере наблюдается. В случае увеличения неоднородности магнитного поля периодичность расположения спекл-структур нарушается, и дифракционная картина расплывается (фиг. 1.б). Симметричное расположение между максимумами и минимумами нарушается (фиг. 2.б). Для восстановления дифракционной картины необходима настройка магнитного поля. Данный факт подтверждается регистрируемыми изображениями расположения наночастиц на силовых линиях (фиг. 3 и 4), полученными с использованием микроскопа.
Регистрацию данной дифракционной картины можно реализовать в трех плоскостях xy, yz и xz, так как наночастицы магнитной жидкости расположены по все объему феррофлюидной ячейки. В магнитном поле они создают объемные спекл-структуры. Для этого необходимо плоскость падения лазерного излучения на грань феррофлюидной ячейки перенести, например из xy в yz. В плоскости yz расположить плоскость фоточувствительного слоя видеокамеры. Так как перемещаются только лазер и камера, а феррофлюидная ячейка остается на том же месте в межполюсном пространстве магнитной системы, то согласование, полученных пространственных изображений силовых линий по расстоянию в межполюсном пространстве магнитной системы, не требуется. Аналогично измерения проводятся для плоскости xz.
Для повышения контраста дифракционной картины регистрируемой видеокамерой в экспериментальной установке (фиг. 5) использовалось минимальное число оптических элементов. Это позволяет уменьшить количество отражений лазерного излучения между оптическими гранями этих элементов, которые искажают форму максимумов и минимумов в регистрируемой дифракционной картине. Наличие различных оптических «бликов», связанных с отражением лазерного излучения и дополнительным его преломлением на гранях, снижает отношение сигнал/шум в амплитудах регистрируемых максимумов и увеличивает погрешность измерения расстояния между силовыми линиями и плотности их распределения.
-5
-3
-1
Для типовых магнитных систем с использованием магнитной жидкости (размер наночастиц от 12 до 14 нм), установлено, что расстояние между силовыми линиями составляет от 0.01 до 0.14 мм. Расстояние между силовыми линиями изменяется от значения индукции магнитного поля и конфигурации полюсных наконечников. Этот результат подтвержден измерениями с использованием микроскопа. Однородность магнитного поля изменяется от 10 до 10 см.
На фиг. 1 представлена дифракционная картина от прошедшего через феррофлюидную ячейку лазерного излучения;
На фиг. 2 представлена зависимость интенсивности I от расстояния между силовыми линиями магнитного поля;
На фиг. 3 представлено изображение распределения наночастиц в феррофлюидной ячейки в отсутствии магнитного поля;
На фиг. 4 представлено изображение распределения наночастиц в феррофлюидной ячейки при однородном магнитном поле;
На фиг. 5 представлена структурная схема экспериментальной установки для исследования неоднородности магнитного поля, которая состоит из следующих компонентов:
tk
1. Полупроводниковый лазер на гетероструктурах с λ = 632.8 нм, длиной поперечной пространственной когерентности L = 10 мм, углом расходимости излучения θ ≈ 0.02 мрад;
2. Диафрагма с изменяющимся диаметром для ограничения влияния много отраженного излучения от различных оптических элементов;
3. Собирающая линза;
4. Феррофлюидная ячейка - прямоугольная герметичная кювета из кварцевого стекла с магнитной жидкостью. В качестве магнитной жидкости использовался водный раствор магнетита с концентрацией наночастиц 0.025 (средний размер наночастиц 13 нм) в качестве поверхностно - активного вещества (ПАВ) использовалась олеиновая кислота;
5. Магнитная система - электромагнит с винтами, регулирующими однородность магнитного поля в межполюсном пространстве;
6. Поляризатор для регулирования интенсивности излучения, прошедшего через феррофлюидную ячейку, для исключения засветки видеокамеры;
7. Камера logitech c920. Для исключения захвата всех изображений из камеры удален автофокусирующий элемент;
8. Ноутбук.
На фиг. 6 представлена схема распространения лучей лазерного излучения в феррофлюидной ячейке при регистрации дифракционной картины в прошедшем свете, которая состоит из следующих компонентов: 1 - стенки феррофлюидной ячейки; 2 -толщина слоя магнитной жидкости в направлении перпендикулярном магнитному полю; 3 - экран.
c
Лазерное излучение (фиг. 5) после собирающей линзы поступает на переднюю прозрачную грань феррофлюидной ячейки, которая обладает показателем преломления n. На фиг. 6 представлена схема движения лазерных лучей в феррофлюидной ячейки с магнитной жидкостью, а также после выхода из нее до фоточувствительного слоя видеокамеры. В качестве фоточувствительного слоя (его положения) представлен экран 3, расположенный от задней грани ферррофлюидной ячейки на расстоянии L. Для исследования структуры силовых линий магнитного поля в межполюсном пространстве магнитной системы наиболее оптимальным решением является решение использовать феррофлюидную ячейку прямоугольной формы. Под действием магнитного поля ферромагнитные наночастицы (в феррофлюидных ячейках используются частицы магнетита с размером от 12 до 14 нм или гематита размером от 13 до 15 нм) намагничиваются и располагаются в окрестностях силовых линий магнитного поля. Чем меньше размер ферромагнитных частиц, тем более четче будет воспроизводится ими структура силовых линий магнитного поля. Кроме того, в случае очень высокой плотности силовых линий, использование маленьких частиц позволяет исключить «слипание» силовых линий и образование сгустков по сравнению со случаем использования железных опилок. Индукция магнитного поля В в зазоре между полюсами связана с магнитным потоком Ф:
В = Ф/S, (1)
где S - площадь одного из полюсных наконечников.
B
При рассмотрении силовых линий вводится функция распределения плотности силовых линий j по сечению магнита между полюсными наконечниками. Тогда В можно представить следующим образом:
B = , (2)
Ранее было установлено, что  (числу силовых линий магнитного поля на элементе площади). Определяя число силовых линий на элемент площади можно оценить значение .
p
p
Количество силовых линий магнитного поля можно оценить на основе следующего установленного факта. Для лазерного излучения ферромагнитные частицы в случае размещения феррофлюидной ячейки в магнитном поле, располагаются в окрестностях силовых линий и образовывают подобие дифракционной решетки с периодом d. Период d = a + c, где a - толщина непрозрачной линии для лазерного излучения, образованной наночастицами, а с - расстояние между линиями. Повторяемость периода дифракционной решетки, например, по расстоянию между полюсами магнитной системы будет зависеть от однородности магнитного поля в зазоре. На экране (фиг. 6) будет наблюдаться дифракционная картина максимумов и минимумов. Вычислив количество максимумов на единицу площади (объема) можно определить . При рассмотрении распространения лучей через феррофлюидную ячейку (фиг. 6), размещенную в магнитном поле В, необходимо учитывать в ней двух прозрачных граней.
r
1
2
Методика проведения измерения периода дифракционной решетки d, которой отображает расстоянию между силовыми линиями магнитного поля соответствует классической теории построения дифракционной картины. Отличием от классического случая в ферррофлюидной ячейки является учет в построении пространственной дифракционной картины прозрачного слоя стеклянных стенок с толщиной d и толщины слоя магнитной жидкости d (фиг. 6). Явлениями, связанными с неоднократным отражением лазерным излучением в стеклянных стенках решетки, а также от феррофлюидной жидкости, пренебрегаем, в силу малости интенсивности отраженного лазерного излучения. Разместим на расстоянии L от центра феррофлюидной ячейки экран 3 (камеру), на котором формируется регистрируемое дифракционное изображение от прошедшего через ячейку лазерного излучения.
r
k
k
Положение каждого максимума на экране относительно его центра (точка О) будет определятся порядком дифракции k, d и λ. а также расстоянием до экрана L и углом расходимости лазерного излучения θ. Для двух соседних максимумов было определено их положение на оси OY. А также величина дополнительного смещения Δy по оси OY, которое образуется из-за преломления излучения на границах магнитная жидкость - стекло и стекло - воздух. Было установлено, что на расстояниях L = 20 см, которые использовались нами в эксперименте, значение Δy - бесконечно малая величина по сравнению с расстоянием между двумя соседними максимами ΔY. Для определения данного расстояния ΔY использовалось условие получения максимумов дифракционной картины:
p
k
d sin ϕ = kλ, (3)
По геометрической картине положения максимумов (рис. 2) мною было получено следующее соотношение:
, (4)
1
2
где L - расстояние между феррофлюидной ячейкой и камерой, k и k - порядок дифракционных максимумов.
r
r
Измеряя ΔY по регистрируемому камерой 7 (фиг. 6) дифракционному изображению для каждого из порядков дифракции по (4) определяется значение d, которое позволяет оценить расстояние между силовыми линиями магнитного поля. Построив зависимость изменения d от расстояния между полюсами магнитной системы, можно определить степень пространственной неоднородности магнитного поля.
При исследовании силовых линий магнитного поля необходимо учесть ряд особенностей при проведении измерений. С камеры 7 (фиг. 5) целесообразно снять фокусирующие элементы, чтобы исключить влияние эффектов переотражения на максимумы и минимумы дифракционной картины. Полупроводниковый лазер должен обладать узкой диаграммой направленности. Это в большинстве случаев позволяет исключить использование линзы 3 (фиг. 5), что также уменьшает влияние эффектов переотражения лазерного излучения на степень контраста максимумов и минимумов в регистрируемой дифракционной картине. Точность определения положения максимумов и минимумов дифракционной картины увеличивается с увеличением ее степени контраста.
По симметричному расположению максимумов и минимумов в дифракционной картине можно проводить настройку магнитной системы различных приборов, например, ЯМР спектрометров и релаксометров, ЭПР спектрометров, вибрационных магнитометров и т.д. Разработанный метод позволяет выполнять настройку магнитной системы не только изменяя конфигурацию магнитного поля, используя ориентацию полюсов магнитов относительно друг друга, но и изменяя напряжение на корректирующих катушках.
Пример.
Для подтверждения возможностей использования нового способа для исследования структуры магнитных полей на фиг. 1 представлены зарегистрированные дифракционные изображения (после обработки специальной компьютерной программой) от рассеянного лазерного излучения на спекл-структурах магнитной жидкости, размещенной в феррофлюидной ячейки в магнитном поле. Перемещая на фиксированное расстояние феррофлюидную ячейку по зазору магнитной системы в плоскости xy, исследуем структуру силовых линий в «рабочем секторе» магнитной системы.
Изображение на фиг. 1.а соответствует случаю размещения феррофлюидной ячейки в однородном магнитном поле. Форма дифракционных полос на изображении повторяется в определенной последовательности. В случае создания в зоне размещения феррофлюидной ячейки неоднородного магнитного поля вид дифракционной картины на регистрируемом изображении (фиг. 1.б) существенно изменяется.
Анализ экспериментальных результатов показал, что предпочтительнее регистрировать дифракционную картину следует выбирая строку (по ширине или высоте дифракционной ячейки). Более удобно по высоте. По этой строке строится распределение интенсивности I, регистрируемого лазерного излучения. На фиг. 2 представлены данные распределения интенсивности I в дифракционной картине для прошедшего через феррофлюидную ячейку лазерного излучения по ее высоте h.
Распределение интенсивности I соответствует дифракционной картине, зафиксированной в определенный момент времени t. Положение строки по ширине ячейки более целесообразно выбрать напротив зоны с наибольшим контрастом дифракционной картины.
Исследования показали, что изменение положения и амплитуды максимумов в регистрируемой дифракционной картине (фиг. 2) зависит от величины неоднородности магнитного поля. Наименьшей неоднородности магнитного поля соответствует наибольшая симметрия максимумов в дифракционной картине. Полученные данные позволяют оценить расстояние между силовыми линиями магнитного поля (плотность силовых линий магнитного поля). Для значения В = 1 млТл в зоне размещения феррофлюидной ячейки оно составило 0.02 мм.
p
В случае изменения периода d в феррофлюидной ячейки по причине изменения неоднородности магнитного поля в зоне действия на неё лазерного излучения, структура и расположение на оси x или y дифракционных максимумов и минимумов изменяется. Сравнивая полученные дифракционные картины, можно оценить изменение неоднородности магнитного поля по направлению, перемещения феррофлюидной ячейки и подстроить магнитную систему в реальном времени.
Полученные результаты показывают, что разработанный метод и различные устройства, а также программы для его реализации открывают перед учеными новые возможности для исследования структуры магнитных полей в межполюсном пространстве магнитных систем, создания различных материалов, как для магнитных систем, так и для экранирования от магнитных полей.
Реализованные в ходе проведения исследований стркутуры магнитного поля практические конструкции различных датчиков могут применяться, как решения практических задач (ряд примеров приведен в работе), так для проведения фундаментальных научных исследований (например, в космическом пространстве - магнитных полей черных дыр - датчики очень просты в управлении, могут работать от автономного питания и мало весят - их можно использовать в специальном зонде, которы запускают с автоматической станции в черную дыру или для исследования магнитной дорожки).