Градиент напряженности магнитного поля
GRADIENT OF MAGNETIC FIELD STRENGTH

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерений параметров неравномерных магнитных полей, в частности, градиента магнитной индукции или напряженности.
Известны датчики магнитной индукции, например, градиентометры на базе феррозондовых преобразователей нормальной составляющей измеряемого магнитного поля, где точность оценки градиента зависит от степени малости принятого значения базы феррозонда, или в виде устройства (авт. свидетельство №1686940 от 09.02.2009.), содержащего полупроводниковый кристалл в виде стержня кругового сечения, снабженного с торцов инжектирующим и омическим контактами. При помещении его в магнитное поле вдоль силовых линий и вследствие винтового движения электронов и дырок с повышением напряженности Е и Н электрического и магнитного полей выше соответствующих пороговых значений возникает эффект самовозбуждения, обусловленный винтовой неустойчивостью электронно-дырочной плазмы полупроводникового кристалла, возникают колебания тока в теле стержня. Частота этих колебаний зависит от индукции магнитного поля. Выбором размеров и формы сечения стержня можно изменять чувствительность датчика и диапазон измерения значений магнитной индукции.
Однако это справедливо при помещении полупроводникового кристалла в равномерное магнитное поле, когда градиент как мера неравномерности индукции или напряженности магнитного поля равен нулю, Случаи же существования равномерных магнитных полей в практике являются редкими.
Известен градиентометр напряженности магнитного поля, принятый за прототип (патент РФ, 2642667 от 14.04.2017, БИ №4, 29.01.2916), содержащий два стержневых полупроводниковых элемента, размещенных в измеряемом магнитном поле вдоль его силовых линий H1 и Н2, снабженных торцевыми инжектирующими и омическими токовыми контактами; источник постоянного напряжения, подключенный к полупроводниковым элементам; два омических контакта, выполненных на боковых поверхностях полупроводниковых элементов и подключенных к входам блока вычитания частот, выход которого соединен с блоком регистрации, выполненным, например, в виде частотомера или измерителя периода.
П
П
Работа градиентометра основана на том, что помещают полупроводниковые стержневые элементы в продольные магнитное и электрическое поле, создаваемое постоянным напряжением, которое прикладывают к токовым контактам элементов. При значениях напряженностей Н и Е, превышающих некоторые пороговые значения Н и Е, наступает эффект самовозбуждения, в результате возникают колебания продольного тока в полупроводниковых элементах и колебания поперечного напряжения на боковой поверхности. Частота колебаний тока поперечного напряжения прямо пропорциональна напряженности магнитного поля:
0
П
П
где f - значение частоты на пороге возбуждения при Е=Е и Н=Н; k - постоянный коэффициент, определяемый параметрами электронно-дырочной плазмы и поперечным размером полупроводникового элемента (Hurwitz С.Е., Мс Whorter A.L. Grawing helical density waves in semiconductor plazmas // Physical Review, 1964.V 134.A. P. 1033-1050). При помещении полупроводниковых элементов в неравномерное магнитное поле, имеющее ненулевой градиент, значения частот колебаний будут различными. По разности частот и базовому расстоянию между стержневыми элементами определяют с помощью блока регистрации значение градиента. Становится очевидным, что чувствительность повышается с уменьшением базового расстояния между стержневыми элементами, определяемое поперечным размером элементов и увеличением значения К.
Однако это повышение будет технологически ограничено из-за предельно возможного поперечного базового расстояния между стержневыми элементами.
Целью изобретения является повышение чувствительности градиентометра напряженности магнитного поля и улучшения его технологичности.
Результат достигается тем, что градиентометр напряженности магнитного поля, снабженный индикатором, содержащий возбуждаемые этим полем два полупроводниковых стержневых элемента, размещенных вдоль магнитного поля на базовом расстоянии между собой, дополнено тем, что токовые торцевые контакты каждого присоединены к генератору линейно нарастающего напряжения, и боковые контакты подключены к входам контроллера, при этом выход последнего присоединен к управляющему входу упомянутого генератора.
На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого градиентометра, на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.
1
2
Градиентометр напряженности магнитного поля содержит два стержневых полупроводниковых элемента 1 и 2, размещенных вдоль силовых линий H и Н измеряемого магнитного поля, снабженных торцевыми токовыми контактами 3 и 4 и боковыми токовыми контактами 5 и 6, генератор линейно нарастающего напряжения 7, подключенный к торцевым токовым контактам 3 и 4, микроконтроллер 8, у которого входы 9 и 10 присоединены соответственно к боковым токовым контактам 5 и 6 и выход 11 подключен к управляющему входу генератора линейно изменяющегося напряжения 7, при этом микроконтроллер 8 снабжен индикатором 12.
П
П
Градиентометр работает следующим образом. В исходном состоянии градиентометр и контролируемое магнитное поле разобщены, микроконтроллер 8 и генератор линейно нарастающего напряжения 7 не активированы. При помещении полупроводниковых стержневых элементов 1 и 2 в магнитное поле параллельно его силовым линиям и подключении микроконтроллера 8 и генератора линейно нарастающего напряжения 7 к источникам питающего напряжения (на фиг. 1 они не показаны) микроконтроллер 8 запускает свой внутренний таймер - счетчик в режим счета тактовых импульсов, формируя на дискретном выходе 11 логическую «1» и тем самым возбуждая генератор линейно нарастающего напряжения 7, который, прикладывая последнее к токовым контактам 3 и 4 полупроводниковых элементов 1 и 2, создает в их теле линейно возрастающее электрическое поле Е. При превышении значений напряженностей Н и Е магнитного и электрического полей некоторых пороговых значений Н и Е в полупроводниковых элементах 1 и 2 спонтанно возникают колебания продольного тока и поперечного напряжения.
П
П
Значения пороговых напряженностей электрического Е и магнитного Н полей связаны соотношением
где К - коэффициент, определяемый физическими параметрами электронно-дырочной плазмы и размерами полупроводникового стержня.
1
2
1
2
1
2
Таким образом, если один элемент, например, элемент 1, окажется помещенным в магнитном поле с напряженностью H, а второй - в поле с напряженностью Н, то колебания тока и напряжения в элементах 1 и 2 будут возникать при разных значениях напряженности электрического поля. Так как напряженность электрического поля создают линейно нарастающим напряжением, приложенным к токовым контактам 3 и 4 от соответствующего генератора 7, то электрические колебания в элементах 1 и 2 будут возникать при разных значениях приложенного к ним напряжения. Моменты возникновения электрических колебаний в этих элементах фиксируются на входах 9 и 10 контроллера 8. В момент возникновения электрических колебаний в элементе 1 на входе 9 микроконтроллера 8 формируется логическая «1». По этому сигналу микроконтроллер 8 сохраняет содержимое внутреннего таймера-счетчика в переменной N. В момент возникновения электрических колебаний в элементе 2 на входе 10 микроконтроллера 8 формируется логическая «1». По этому сигналу последний сохраняет содержимое внутреннего таймера-счетчика в переменной N. Значения переменных N и N определяются выражением:
Где f - частота тактового генератора микроконтроллера 8.
1
2
Микроконтроллер 8 вычисляет значения интервалов времени t и t из выражения:
При наличии градиента напряженности магнитного поля получим
1
где К - коэффициент определяемый параметрами электронно-дырочной плазмы полупроводникового элемента.
Отсюда
Выходное напряжение U генератора линейно изменяющегося напряжения 7 можно представить как:
2
где К - коэффициент его преобразования.
П
Учитывая, что электрические колебания возникают в элементах 1 и 2 при выполнении условия Е=Е, получим:
Тогда численные значения градиента G(H) напряженности магнитного поля могут быть рассчитаны по формуле:
которые определяют с помощью соответствующей программы контроллера 8.
Таким образом, чувствительность предлагаемого градиентометра напряженности магнитного поля определяется не только параметрами электронно-дырочной плазмы и размерами полупроводниковых элементов 1 и 2, по и уменьшением коэффициента преобразования генератора линейно нарастающего напряжения 7. Это позволяет технологически доступно увеличить чувствительность предлагаемого градиентометра по сравнению с градиентометром - прототипом.