Устройство стабилизации магнитного поля

Полезная модель относится к магнитометрическим системам управления и предназначена для снижения влияния внешних магнитных полей на магниточувствительные физические и биологические системы.
Известно устройство для стабилизации геомагнитного поля в рабочем объеме [SU 913290, G01R 33/02, 15.03.1982], содержащее основные и дополнительные катушки Гельмгольца, образующие основной и дополнительный рабочие объемы, и магнитометр, размещенный в дополнительном рабочем объеме, причем, каждая катушка основного рабочего объема соединена с соответствующей катушкой дополнительного рабочего объема, образуя пару, а также фильтры и усилители с зоной нечувствительности, при этом, каждый выход магнитометра, выполненного трехкомпонентным, присоединен через последовательно соединенные между собой фильтр и усилитель к соответствующей паре катушек Гельмгольца, а постоянные времени основных и дополнительных катушек Гельмгольца выбраны одинаковыми.
Недостатком устройства является относительно низкая эффективность стабилизации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является устройство для стабилизации геомагнитного поля в рабочем объеме [RU 2274870 C2, G01R 33/02, 20.04.2006], содержащее первую, вторую, третью пары катушек Гельмгольца и трехкомпонентный феррозондовый магнитометр, причем, трехкомпонентный феррозондовый магнитометр выполнен стержневым, а оси первой, второй, третьей пары катушек Гельмгольца образуют трехосную ортогональную систему, в которой центр рабочего объема находится в точке пересечения осей и рабочий объем является единым для объекта магнитного воздействия катушек и стержневого трехкомпонентного феррозондового магнитометра, так как оси полуэлементов каждого стержневого дифференциального феррозонда совпадают с соответствующими осями первой, второй, третьей пар катушек, а объем нормализованного магнитного поля Земли находится между разнесенными от точки пересечения осей полуэлементами стержневых дифференциальных феррозондов, при этом выход каждого стержневого дифференциального феррозонда подключен ко входу своего преобразователя информационного сигнала, содержащего последовательно соединенные фазовый детектор, фильтр низкой частоты и усилитель, подключенного к соответствующей паре катушек Гельмгольца для компенсации в рабочем объеме магнитных аномалий.
Недостатком устройства является относительно узкий частотный диапазон его работы, что снижает качество и эффективность стабилизации.
Действительно, для генерации поля, сравнимого по уровню с полем Земли, и при наличии ограничений на максимальную мощность используемых источников тока, возникает необходимость использования катушек с большим количеством витков (нескольких сотен и более). При таком количестве витков в катушке частота среза амплитудно-частотной характеристики катушки лежит, как правило, в области от сотен герц до нескольких килогерц при характерных диаметрах катушек порядка десяти сантиметров, что ограничивает возможности по компенсации магнитных полей с частотами, выше указанных, хотя, при этом, используемые ферромагнитные датчики имеют возможность регистрации изменения магнитного поля с частотой до нескольких десятков килогерц.
Задача, которая решается в полезной модели, направлена на создание устройства с более широким частотным диапазоном работы, что обеспечит повышение качества и эффективности работы устройства.
Требуемый технический результат заключается в повышении качества и эффективности работы устройства при расширении частотного диапазона его работы.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее трехкомпонентный феррозондовый магнитометр, три пары катушек в Геймгольцовской конфигурации, причем трехкомпонентный феррозондовый магнитометр выполнен стержневым, а оси первой, второй, третьей пар катушек Гельмгольца образуют трехосную ортогональную систему, в которой центр рабочего объема находится в точке пересечения осей и рабочий объем является единым для объекта магнитного воздействия катушек и трехкомпонентного феррозондового магнитометра, согласно полезной модели соосно и вплотную сзади по отношению к рабочему объему к каждой из трех пар катушек Гельмгольца установлена дополнительная пара катушек такого же диаметра с меньшим числом витков, а управляющий сигнал для основных и дополнительных пар катушек формируется раздельно из сигналов с ферромагнитных зондов из состава трехкомпонентного феррозондового магнитометра, для чего между выходом каждого компонента трехкомпонентного феррозондового магнитометра и соответствующей ему парой катушек и парой дополнительных катушек введены раздельные цепи формирования компенсирующих сигналов, состоящие из фильтра низких частот для пары катушек и фильтра высоких частот для пары дополнительных катушек и последовательно подключенных к фильтрам аналого-цифрового преобразователя, логического элемента, осуществляющего преобразование по пропорционально-интегральному закону, цифроаналогового преобразователя и источника тока.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, число витков в дополнительных парах катушек меньше числа витков в соответствующих им парах катушек Гельмгольца в 10-50 раз.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - блок-схема устройства стабилизации магнитного поля;
на фиг. 2 - схема положения катушек и датчиков устройства стабилизации магнитного поля;
на фиг. 3 - пример преобразования сигнала в устройстве стабилизации магнитного поля.
На чертеже обозначены:
1 - первая пара катушек;
1.1, 1.2 - полуэлементы первой пары катушек;
1.1+, 1.1- - контакты первого полуэлемента первой пары катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;
1.2+, 1.2- - контакты второго полуэлемента первой пары катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;
2 - первая пара дополнительных катушек;
2.1, 2.2 - полуэлементы первой пары дополнительных катушек;
2.1+, 2.1- - контакты первого полуэлемента первой пары дополнительных катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;
2.2+, 2.2- - контакты второго полуэлемента первой пары дополнительных катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;
3 - вторая пара катушек;
3.1, 3.2 - полуэлементы второй пары катушек;
3.1+, 3.1- - контакты первого полуэлемента второй пары катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;
3.2+, 3.2- - контакты второго полуэлемента второй пары катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;
4 - вторая пара дополнительных катушек;
4.1, 4.2 - полуэлементы второй пары дополнительных катушек;
4.1+, 4.1- - контакты первого полуэлемента второй пары дополнительных катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;
4.2+, 4.2- - контакты второго полуэлемента второй пары дополнительных катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;
5 - третья пара катушек;
5.1, 5.2 - полуэлементы третьей пары катушек;
5.1+, 5.1- - контакты первого полуэлемента третьей пары катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;
5.2+, 5.2- - контакты второго полуэлемента третьей пары катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;
6 - третья пара дополнительных катушек;
6.1, 6.2 - полуэлементы третьей пары дополнительных катушек;
6.1+, 6.1- - контакты первого полуэлемента третьей пары дополнительных катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;
6.2+, 6.2- - контакты второго полуэлемента третьей пары дополнительных катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;
7 - первый ферромагнитный зонд трехкомпонентного феррозондового магнитометра;
8 - второй ферромагнитный зонд трехкомпонентного феррозондового магнитометра;
9 - третий ферромагнитный зонд трехкомпонентного феррозондового магнитометра;
10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6 - источники тока с первого по шестой, соответственно;
11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5, 11.6 - цифро-аналоговые преобразователи с первого по шестой, соответственно;
12.1, 12.2, 12.3, 12.4, 12.5, 12.6 - логические элементы с первого по шестой, соответственно;
13.1, 13.2, 13.3, 13.4, 13.5, 13.6 - аналого-цифровые преобразователи с первого по шестой, соответственно;
14.1, 14.3, 14.5 - первый, второй и третий фильтры низких частот, соответственно;
14.2, 14.4, 14.6 - первый, второй и третий фильтры высоких частот, соответственно;
15 - рабочий объем.
Устройство стабилизации магнитного поля содержит первую 1, вторую 3 и третью 5 пары катушек в Геймгольцовской конфигурации, соосно и вплотную, сзади относительно рабочего объема 15, к каждой из которых установлена соответствующая им первая 2, вторая 4 и третья 6 дополнительная пара катушек. Пара катушек 1 содержит катушки 1.1 и 1.2, выводы положительной и отрицательной полярности которых соединены между собой и с источником тока 10.1. Пара катушек 2 содержит катушки 2.1 и 2.2, выводы положительной и отрицательной полярности которых соединены между собой и с источником тока 10.2. Управляющий сигнал пар катушек 1 и 2 формируется на ферромагнитном зонде 7, причем для управления парой катушек 1 сигнал от зонда 7 направляется на фильтр низких частот 14.1, а для управления парой дополнительных катушек 2 сигнал от зонда 7 направляется на фильтр высоких частот 14.2. После прохождения фильтров 14.1 и 14.2 сигналы направляются на АЦП 13.1 и 13.2, соответственно, и после оцифровки на АЦП, на логических элементах 12.1 и 12.2 соответственно формируется сигнал, необходимый для компенсации магнитного поля в рабочем объеме 15, который направляется в ЦАП 11.1 и 11.2, соответственно. От ЦАП 11.1 и 11.2 сигнал направляется к источникам тока 10.1 и 10.2, которые управляют парами катушек 1 и дополнительных катушек 2, соответственно. Аналогичным образом подсоединены между собой пара катушек 3 с источником тока 10.3, ЦАП 11.3, логической микросхемой 12.3, АЦП 13.3, фильтром низких частот 14.3 и ферромагнитным зондом 8; подсоединены пара дополнительных катушек 4 с источником тока 10.4, ЦАП 11.4, логической микросхемой 12.4, АЦП 13.4, фильтром 14.4 и ферромагнитным зондом 8; подсоединены между собой пара катушек 5 с источником тока 10.5, ЦАП 11.5, логической микросхемой 12.5, АЦП 13.5, фильтром 14.5 и ферромагнитным зондом 9; подсоединены между собой пара дополнительных катушек 6 с источником тока 10.6, ЦАП 11.6, логической микросхемой 12.6, АЦП 13.6, фильтром 14.6 и ферромагнитным зондом 9.
Устройства стабилизации магнитного поля используют следующим образом.
Устройство может быть представлено в виде трёх аналогичных по содержанию и принципу работы блоков и отличающихся между собой ориентацией отдельных элементов. Соединения между элементами отражены на фиг. 1.
Устройство содержит в себе три пары катушек 1, 3, 5 в Геймгольцовской конфигурации с большим числом витков и частотой среза ν, обеспечивающих генерацию магнитного поля, сопоставимую с магнитным полем Земли, в рабочем объеме 15, а также три дополнительные пары катушек 2, 4, 6 в Геймгольцовской конфигурации с меньшим количеством витков в 10-50 раз и более высокой частотой среза, обеспечивающих генерацию магнитного поля для компенсации высокочастотных флуктуаций магнитного поля ввиду технических шумов в рабочем объеме 15.
Частота среза ν плоских катушек пропорциональна отношению сопротивления и индуктивности. Сопротивление является величиной строго пропорциональной числу витков, индуктивность с некоторой точностью в случае плоской катушки пропорциональна квадрату числа витков, откуда следует, что частота среза ν обратно пропорциональна числу витков. Таким образом, при фиксированной для пары катушек с большим числом витков частоте среза ν  в промежутке от 100 Гц до 5 кГц, число витков в катушках с малой частотой среза устанавливается меньшим в 10-50 раз таким образом, чтобы частота среза данных катушек оказалась не меньше, чем максимальная регистрируемая ферромагнитным датчиком частота магнитного поля (до 50 кГц в зависимости от используемого датчика). При монтаже соосно каждой паре катушек с большим числом витков устанавливается пара катушек с малым числом витков. При этом, как показали экспериментальные исследования, использование числа витков в дополнительных парах катушек большего, чем рекомендуемое «в 10 раз меньше», существенно снижает эффект стабилизации ввиду ограниченности полосы, а использование числа витков меньше, чем рекомендуемое «в 50 раз меньше», практически исключает влияние дополнительной пары катушек на работу устройства. Также устройство содержит в себе три ферромагнитных датчика 7, 8, 9, измеряющих магнитное поле вдоль осей катушек, сигнал от каждого из которых делится на два и подается на входы АЦП 13 через фильтры низких 14.1, 14.3, 14.5 и высоких 14.2, 14.4, 14.6 частот с частотой среза ν или меньшей.
Положение катушек и датчиков указано на фиг. 2. Оцифрованные сигналы с АЦП обрабатывается логическими элементами 12.1, 12.2, 12.3, 12.4, 12.5, 12.6, которые могут быть выполнены на микросхемах, формирующими сигнал обратной связи. Расчет уровня выходного сигнала данными микросхемами осуществляется по принципу работы пропорционально-интегрального контроллера [SU 395805, A1, 1971.07.08], то есть включает в себя составляющую, пропорциональную входному сигналу, а также составляющую пропорциональную проинтегрированному на некотором промежутке времени сигналу. Пример преобразования сигнала в цепи приведен на фиг. 3, где подписи соответствуют устройствам, на выходе которых измерены соответствующие сигналы, обозначенные сплошной линией. Штрихованной линией обозначено смещение сигнала, пунктирной линией обозначен наклон. Параметры преобразования (пропорциональный и интегральный коэффициенты, смещение) определяются пользователем. Полученный цифровой сигнал затем преобразуется с помощью ЦАП 11. Сигналы с ЦАП подаются на входы источников тока 10, обеспечивающих питание катушек 1, 2, 3, 4, 5, 6. Полярность выходных сигналов ЦАП устанавливается таким образом, чтобы генерируемое катушками поле было противонаправленным по отношению к внешнему магнитному полю.
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает компенсацию как магнитного поля Земли, так и компенсацию флуктуаций магнитного поля в высокочастотной области, обусловленную техническими шумами, что повышает качества и эффективность работы устройства. Этим самым достигается требуемый технический результат.
Настоящая полезная модель была разработана в рамках реализации мероприятия №13 «Подготовка и подача патентных заявок» детализированного плана-графика за 2021 год программы деятельности Лидирующего исследовательского центра "Квантовые вычисления" (соглашение №014/20 от 18.05.2020), в соответствии с дорожной картой «сквозной» цифровой технологии - «Квантовые технологии» при поддержке Фонда НТИ и АО «РВК».