УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель предназначена для использования в радиоспектрометрах магнитного резонанса, в частности в радиоспектрометрах электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), ядерного магнитного резонанса (ЯМР), магнито-резонансных томографах (МРТ).
Известно устройство стабилизации магнитного поля (А.С N327461), в котором для повышения стабильности тока и стабильности магнитного поля, последовательно с основным электромагнитом включен вспомогательный электромагнит, в зазоре которого помещен датчик ЯМР, соединенный со схемой управления. Такое решение позволяет обеспечить долговременную стабильность магнитного поля в заданной точке. Однако данное устройство не позволяет обеспечить развертку магнитного поля в широком диапазоне, а также для стабилизации тока в широких пределах требуется набор сменных датчиков ЯМР. Для упрощения устройства в зазор вспомогательного электромагнита вместо датчика ЯМР вводят датчик Холла [Bruker report., 1976 N2, p/13]. Такое решение позволяет стабилизировать магнитное поле в широком диапазоне однако конструктивно рассматриваемое устройство является сложным.
Известно устройство стабилизации магнитного поля (Electromagnet & Exciting power Supply. Instruction manual, p.2), которое содержит стабилизатор напряжения питания электромагнита, соединенный с регулирующим элементом системы стабилизации тока электромагнита и соединенным с его обмоткой, в зазоре электромагнита установлен датчик Холла, помещенный в термостат, который соединен с блоком термостатирования, а датчик Холла соединен с источником питания датчика переменным током, а также с усилителем ЭДС Холла, соединенным со входом регулирующего элементом системы стабилизации тока электромагнита. Такое устройство стабилизирует поле электромагнита, и при этом в нем минимизировано влияние гистерезисных явлений магнитной системы. Но конструктивно известное устройство является сложным, поскольку в устройстве предусмотрена минимизация температурного дрейфа самого датчика Холла, который оказывает влияние на кратковременную и долговременную стабильность поля. Для достижения приемлемой стабильности предусматривается термостатирование датчика и выбор такой частоты источника питания датчика, на которой шумы имеют приемлемое значение. Обычно эта частота должна быть не ниже 10 кГц. Это существенно усложняет схемотехническое решение и делает его не пригодным для использования в малогабаритных магниторезонансных спектрометрах
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является устройство (патент РФ 92961), содержащее стабилизатор напряжения питания электромагнита, соединенный с регулирующим элементом системы стабилизации тока электромагнита, в зазоре которого установлен датчик Холла, соединенный с источником питания датчика и с усилителем ЭДС Холла, а обмотка электромагнита соединена с эталонным сопротивлением, так же устройство содержит два сумматора, входы первого из которых соединены с выходом усилителя ЭДС Холла и источником управляющего напряжения соответственно, а входы второго соединены с выходом первого сумматора и с эталонным сопротивлением, а выход второго сумматора соединен со входом регулирующего элемента системы стабилизации тока.
Известное устройство стабилизирует поле электромагнита, и при этом в нем минимизировано влияние гистерезисных явлений магнитной системы. Но введение датчика Холла в замкнутое кольцо системы регулирования при помощи сумматоров приводит к ухудшению кратковременной стабильности за счет того, что датчик Холла и усилитель ЭДС Холла обладают собственными шумами, в совокупности многократно превышающими собственные шумы системы стабилизации тока электромагнита. Кроме того, датчик Холла, как высокочувствительный элемент, подключенный к схеме при помощи неидеальнгого кабеля, является антенной, воспринимающей и усиливающей внешние наводки и помехи.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является улучшение кратковременной стабильности магнитного поля.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, также как и известное, содержит стабилизатор напряжения питания электромагнита, соединенный с регулирующим элементом системы стабилизации тока электромагнита, в зазоре которого установлен датчик Холла, соединенный с источником питания датчика, а также с усилителем ЭДС Холла, обмотку электромагнита, соединенную с эталонным сопротивлением, отличающееся тем, что в схему введен микроконтроллер, один из входов которого соединен с выходом усилителя Холла, другой вход соединен с эталонным резистором, на третий вход подается управляющий цифровой код, а выход микроконтроллера соединен со входом регулирующего элемента.
Достигаемый технический результат - увеличение стабильности магнитного поля во время измерения за счет исключения датчика Холла из цепи регулирования во время измерения.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема стабилизации магнитного поля.
Предлагаемое устройство стабилизации содержит стабилизатор напряжения 1 электромагнита, соединенный с регулирующим элементом системы стабилизации тока 2 электромагнита 3, обмотка которого соединена с эталонным сопротивлением 4. В зазоре электромагнита установлен датчик Холла 5, питание к которому подается от источника напряжения 6, а ЭДС Холла подается на вход усилителя Холла 7, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера (МК) 8. Второй вход микроконтроллера соединен с эталонным сопротивлением 4. На третий вход микроконтроллера подается управляющий цифровой код. Выход микроконтроллера соединен со входом регулирующего элемента 2 системы стабилизации тока.
После включения устройства ток электромагнита создает на эталонном сопротивлении 4 падение напряжения, пропорциональное величине тока электромагнита. Сигнал ошибки, формируемый МК на основании сопоставления управляющего кода и напряжения, снимаемого с эталонного сопротивления 4, воздействует на регулирующий элемент 2 так, что ток электромагнита изменяется таким образом, что сигнал ошибки уменьшается до величины, не превышающей заданной точности поддержания величины магнитного поля.
С другой стороны величина ЭДС Холла пропорциональна величине магнитной индукции B поля электромагнита. При гистерезисном изменении величины B меняется ЭДС Холла, величина которого определяет величину сигнала на выходе усилителя 7, поступающего на вход МК 8. Анализируя сигнал датчика Холла и управляющий код МК вычисляет, на какую величину необходимо изменить сигнал, подающийся на регулирующий элемент 2, чтобы скомпенсировать гистерезис, и вносит соответствующую коррекцию, после чего датчик Холла 5 не участвует в стабилизации магнитного поля до момента поступления нового управляющего кода, задающего новое значение магнитного поля. Таким образом, датчик Холла участвует только в начальной коррекции магнитного поля, стабилизация же магнитного поля в дальнейшем, то есть во время непосредственного измерения, осуществляется только стабилизацией тока электромагнита при помощи эталонного сопротивления 4.
Описание устройства и его работы свидетельствуют о достижении технического результата - увеличения стабильности магнитного поля во время измерения за счет исключения датчика Холла из цепи регулирования во время измерения, и, следовательно, исключения влияния собственных шумов датчика Холла и усилителя на кратковременную стабильность магнитного поля. Дополнительным техническим результатом является снижение влияния внешних наводок и помех на стабильность магнитного поля.