УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО УРОВНЯ МОДУЛЯ ВЕКТОРА ИНДУКЦИИ ГИПОГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЭКРАНИРУЮЩЕЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КАМЕРЕ

Полезная модель относится к технике магнитного и электромагнитного экранирования при проведении биологических, биофизических и медико-биологических исследований в области изучения влияния магнитных полей на биологические и биофизические объекты. Интенсивное использование электромагнитной и электрической энергии в современном информационном обществе привело к тому, что сформировался новый значимый фактор загрязнения окружающей среды - электромагнитный. (Григорьев О.А., Бичелдей Е.П., Меркулов А.В. и др. Определение подходов к нормированию воздействия антропогенного электромагнитного поля на природные экосистемы. Справочно-информационное издание. Российский национальный комитет по защите от неионизирующего излучения, 1999). К его появлению привело развитие современных технологий передачи информации и энергии, дистанционного контроля и наблюдения, некоторых видов транспорта, а также развитие ряда технологических процессов. В настоящее время мировой общественностью признано, что электромагнитное поле (ЭМП) искусственного происхождения является значимым экологическим фактором с высокой биологической активностью. Введено специальное понятие -электромагнитная экология.
По сравнению с ЭМП естественного происхождения (естественный электромагнитный фон Земли) техногенные ЭМП обладают на порядки большей интенсивностью и неравномерностью локализации по пространству. (Бинги В.Н., Савин А.В. Физические проблемы действия слабых магнитных полей на биологические системы // Успехи Физических Наук, 2003, том 173, №3, с. 265-300. Птицына Н.Г., Дж. Виллорези, Л.И. Дорман и др. Естественные и техногенные магнитные поля как факторы, потенциально опасные для здоровья // Успехи Физических Наук, 1998, том 168, №7, с. 768-790). Биологический эффект искусственных ЭМП в условиях длительного воздействия накапливается, в результате возможно развитие дегенеративных процессов центральной нервной системы, рака крови (лейкозы), опухоли мозга, гормональных заболеваний. Наиболее чувствительные системы организма человека: сердечнососудистая, нервная, иммунная, эндокринная и половая.
Исследование влияния ЭМП на биологические объекты характеризуется наличием большого количества экспериментального материала, подтверждающего сам факт такого влияния и практически полным отсутствием данных о возможных механизмах этих взаимодействий.
Выяснение механизмов воздействия электромагнитных полей на биологические объекты является чрезвычайно актуальной задачей, решение которой может позволить в перспективе защитить жизнь и здоровье человека. Для корректной постановки подобных исследований необходимо существенно уменьшить влияние всех действующих ЭМП (включая естественный электромагнитный фон Земли) в некотором ограниченном объеме, достаточном для размещения биологического или биофизического объекта и проведения конкретного эксперимента.
В исследовательской практике достаточно широко используются экранирующие магнитные материалы и изготовленные из них экранирующие камеры (боксы), обладающие различными экранирующими характеристиками. В последнее время появились новые магнитомягкие материалы на основе кобальта, так называемые аморфно-металлические сплавы (АМС), ленты из которых стали использоваться для создания экранирующих камер. (Гудошников С.А. Венедиктов C.H. Гребенщиков Ю.Б. Экранирующая камера для ослабления магнитного поля Земли на основе рулонных магнитных материалов. // Измерительная техника №3, 2012 г. с. 56-61), обладающих рекордными параметрами с точки зрения получения коэффициентов ослабления магнитного поля: 300 и более.
Однако и биофизические задачи усложняются. Известно, что геомагнитное поле подвержено флуктуациям (возмущениям), природой которых являются вспышки на Солнце, межпланетный ветер, фазы Луны, а также факторы техногенного характера
Влияние их на результаты экспериментов в экранирующих камерах могут быть губительны для объекта исследований, несмотря на то, что оно, конечно, уменьшено за счет экранирующих свойств камеры. В связи с этим исследователями ставится задача обеспечить постоянство величины модуля индукции гипогеомагнитного поля во время эксперимента при возможных внешних магнитных возмущениях.
Традиционно проводится измерение модуля индукции гипогеомагнитного поля в замкнутых объемах (камеры, боксы), для чего используются стандартные магнитометры с одним измерительным зондом, например, феррозондом. Сначала измеряют модуль вектора индукции поля вне объема, а затем внутри и контролируют величину модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в течение всего времени исследования влияния магнитного поля на биологические объекты.
Примером такой задачи является технология получения средства, обладающего гелиогеомагнитопротекторными свойствами по патенту РФ №2342149, МКИ A61K 33/00 опубл. 27.12.2008 г. Указанное средство подвергается длительной экспозиции (не менее 5 часов) в рабочем пространстве экранирующего устройства, обеспечивающего ослабление полного вектора геомагнитного поля не менее чем в 300 раз в сравнении с фоном. Время экспозиции не менее 5 часов не позволяет производить измерение и контроль коэффициента ослабления геомагнитного поля традиционным (разделенным во времени) способом, не позволяет учитывать влияние возмущений геомагнитного поля.
В большинстве известных устройств для обеспечения защиты внутренних объемов от воздействия магнитных полей основной акцент делается на усовершенствовании конструктивных материалов. Традиционно для создания электромагнитного экрана или экранированного объема применяются материалы в виде стальных, медных, алюминиевых листов, фольги. («Переносная экранированная камера» (патент РФ №2345512, МКИ H05K 9/00, опубл. 27.01.2009); «Экранированный бокс с защищенным от внешнего электромагнитного воздействия внутренним объемом» (патент РФ №2402892, МКИ H05K 9/00, опубл. 27.10.2010).
Однако, задача обеспечения защиты внутренних объемов от воздействия магнитных полей не может решаться только в плане усовершенствования конструктивных материалов экранирующих камер.
Известно устройство для исследования влияния электромагнитных полей на биологические объекты (патент РФ №2454675, МКИ G01R 1/00, 5/00, опубл. 27.06.2012), содержащее сферический магнитный экран. Экран, изготовленный по изобретению, обеспечивает экранирование по постоянной и переменной составляющим магнитного поля.
Недостатком этого устройства является то, что в нем не решается задача измерения влияния внешнего магнитного поля на объекты, находящиеся внутри сферы. Кроме того, для доступа к исследуемому объекту, помещенному внутрь сферического экрана, требуется обеспечить его разъемность, что является трудноразрешимой технологической задачей. При этом обеспечение высоких экранирующих параметров экрана при этом представляется проблематичным.
Известно устройство измерения интенсивности и направления внешних магнитных полей, включающее источник тока и приборы регистрации на полупроводниковых элементах («Apparatus for measuring the intensity and direction of external magnetic fields including power supply and recording units having respective semiconductor devices», US Patent 4,218,652, August 19, 1980). Данное устройство предназначено для измерения только внешнего магнитного поля.
Известен способ определения оптимальных параметров магнитного поля для регулирования всхожести семян (патент РФ №2342658, G01N 33/487, G01N 27/74, A01C 1/00, опубл. 27.12.2008), по которому исследуемый объект подвергают одновременному воздействию магнитным полем с частотой 3-300 Гц, напряженностью 0,15-10 А/м и переменным электрическим полем с частотой 1-30 Гц и напряженностью 0,01-0,07 мВ/м.
Известно «Устройство стабилизации геомагнитного поля в рабочем объеме» (патент РФ №2274870, МКИ G01R 33/02, опубл. 20.04.2006) для защиты биологических и физических объектов от магнитных воздействий. Устройство создано на основе трехкомпонентного феррозондового стержневого магнитометра, причем рабочий объем является единым для размещения объекта воздействия и магнитометра.
Недостатком устройства является то, что на исследуемые объекты воздействует только магнитное поле от внутреннего источника, но не учитывается влияние внешнего магнитного поля.
ГОСТ Ρ 51724-2001 «Экранированные объекты, помещения, технические средства. Поле гипогеомагнитное. Методы измерений и оценки соответствия уровней полей техническим требованиям и гигиеническим нормативам» регламентирует методы измерения магнитных полей, а также рекомендует серийные магнитометры для этой цели. С учетом требований и регламентов ГОСТа создаются современные устройства и разрабатываются средства определения уровней магнитного поля внутри помещений в зависимости от внешних источников электромагнитного поля. Измерение индукции магнитного поля проводят в контрольных точках в штатных климатических, механических и электромагнитных условиях эксплуатации контролируемых объектов и рабочего места (см. пп. 6.2, 6.7, 7.5, В1). Однако, ГОСТ не рассматривает задачу стабилизации модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей камере.
Известен «Экранированный бокс с защищенным от внешнего электромагнитного воздействия внутренним объемом» (патент РФ №2402892, МПК H05K 9/00, опубл. 27.10.2010), в котором полученные значения степени ослабления внешнего электромагнитного поля достигаются материалами стенок бокса. Проведенные измерения внешнего магнитного поля и магнитного поля внутри бокса осуществляются с помощью магнитометров.
Недостатком этого решения является то, что при определении защитных свойств бокса от воздействия магнитного поля не учитываются такие факторы, как влияние на объект магнитного поля Земли, флуктуации магнитного поля от космического воздействия, изменение магнитного поля внутри бокса в связи с изменением положения бокса относительно модуля вектора индукции внешнего магнитного поля, а также необходимость стабилизации магнитного поля на определенном (заданном) уровне при изменении положения бокса относительно внешнего магнитного поля.
Однако, несмотря на перечисленные недостатки, патент РФ №2402892 принят в качестве прототипа по способу и устройству стабилизации модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей камере по частичному сходству технических решений.
Задачей полезной модели является контроль влияния на объект магнитного поля Земли, флуктуаций магнитного поля от космического воздействия, изменений магнитного поля внутри камеры при изменении положения камеры относительно модуля вектора индукции внешнего магнитного поля путем обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере, который можно устанавливать в широком диапазоне в пределах ее конструктивных характеристик и поддерживать постоянным.
Поставленная задача решается тем, что устройство для обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере согласно полезной модели содержит магнитометрический измеритель коэффициента ослабления магнитного поля, первый трехкомпонентный феррозондовый датчик гипогеомагнитного поля которого, установлен внутри экранирующей камеры, а второй трехкомпонентный феррозондовый датчик геомагнитного поля которого установлен за пределами экранирующей камеры, при этом экранирующая камера установлена в ложементах на поворотной платформе, которая в свою очередь посредством подшипника скольжения, приводов грубой и точной юстировки и узла арретирования соединена с устаноленной по горизонтальному уровню неподвижной частью стола, при этом для первоначальной установки устройства в азимутальной плоскости на поворотной платформе установлена буссоль.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
Фиг. 1. Вектор индукции геомагнитного поля  в системе координат, связанной с магнитным меридианом (ось X) и вертикалью (Z).
Фиг. 2. Зависимость значения модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в центре экранирующей камеры от угла поворота α.
Фиг. 3. Зависимость значения модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля на краях рабочего объема экранирующей камеры от угла поворота α.
Фиг. 4. Блок-схема устройства для обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере.
Принцип работы устройства для обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере основан на зависимости коэффициента ослабления модуля магнитной индукции в экранирующей камере цилиндрической формы конечной длины от величины угла между направлением магнитного меридиана в данной географической точке и продольной осью экранирующей камеры.
Рассмотрим работоспособность предложенного принципа на примере действующей технологической установки, используемой в биофизических исследованиях.
г⊥
г||
Для выбранной конфигурации экранирующей камеры с использованием ленты АМС 82КЗХСР определены поперечный и продольный коэффициенты ослабления геомагнитного поля К и К соответственно.
Определено, что величина коэффициента ослабления геомагнитного поля зависит от ориентации продольной оси экрана Ρ относительно вектора геомагнитного поля . Минимум модуля индукции гипогеомагнитного поля достигается, когда ось экрана P перпендикулярна направлению вектора .
Покажем, как изменяется поле внутри экранирующей камеры при расположении ее оси P в горизонтальной плоскости и вращении экранирующей камеры вокруг вертикальной оси.
Элементы вектора индукции геомагнитного поля по данным магнитной обсерватории «Ключи» (10 км от Академгородка г. Новосибирск) показаны на фиг. 1. Ось X направлена вдоль магнитного меридиана, ось Ζ - по вертикали. По данным магнитной обсерватории среднестатистическое значение модуля вектора индукции геомагнитного поля равен 60600 нТл (результат многолетнего мониторинга), а угол наклонения I вектора напряженности геомагнитного поля относительно оси X равен 73,4°. Угол вращения экранирующей камеры α - это угол между продольной осью экранирующей камеры P и осью Y. В первоначальном состоянии P совмещается осью Y, т.е. α=0.
Пусть , ,  единичные векторы вдоль осей X, Y, Z соответственно. Найдем компоненты вектора  в указанной системе координат.
Согласно фиг. 2 можно записать:
X
0
B=BcosI
Y
B=0
Z'
0
B=BsinI
Положение оси P экрана зададим единичным вектором , направленным вдоль продольной оси, тогда:
α - угол между осью экрана P и осью Y.
Индукция поля, параллельного оси экрана равна:
Так как , то индукция поля, перпендикулярного оси , находится из соотношения:
||
⊥
Таким образом, B и B определены в зависимости от магнитного наклонения I и угла α поворота оси экранирующей камеры.
В общем случае индукция поля внутри экранирующей камеры определяется по формуле:
Используя соотношения 2, 3 и 4, получим для модуля индукции поля внутри камеры:
2
В нашем случаи I=73,4°, тогда cosI=0,0813 и для расчета зависимости (5) можно использовать формулу:
г||
г⊥
г||
г⊥
г||
г⊥
Значения К и К определены при расчете действующей экранирующей камеры для ослабления геомагнитного поля, стенки которой выполнены из ленты АМС 82КЗХСР. В центре экрана они равны: К=99,3; К=436,1. На краях рабочего объема: К=48,6; К=377,4.
г||
г⊥
Э
Э
Используя эти значения К и К, можно рассчитать по формуле (6) значение модуля индукции магнитного поля B в центре экранирующей камеры и на краях ее рабочего объема в зависимости от угла α. Результаты этого расчета приведены в таблице, а на фиг. 2 и 3 приведены графики зависимости B от угла α в центре и на краях рабочего объема экранирующей камеры.
Приведенные в таблице результаты расчета, выполненные на примере действующей экранирующей камеры в конкретной географической точке в определенных геомагнитных условиях, наглядно показывают перспективность изложенного принципа для создания предложенного в качестве полезной модели устройства, используемого при проведении биофизических экспериментов и в соответствующих технологических процессах.
На фигуре 4 приведено устройство для обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере. Устройство содержит экранирующую цилиндрическую камеру 1, размещенную в ложементах 5 поворотной платформы 6, подшипник скольжения 10, привод грубой юстировки 8, привод точной юстировки 9, узел арретирования 7, магнитометрический измеритель 2 коэффициента ослабления магнитного поля, снабженный трехкомпонентным феррозондовым датчиком 4 гипогеомагнитного поля и трехкомпонентным феррозондовым датчиком 3 геомагнитного поля, неподвижную часть поворотного стола 11, регулируемые по высоте опоры 13, измерительный уровень 12 и буссоль 14. Кинематическая схема исполнительных органов приводов грубой и точной юстировки камеры изображена схематично (муфты и иные вспомогательные элементы условно не показаны).
Таблица
α (град)
B<sub>Э</sub> (нТл) (Центр)
B<sub>Э</sub> (нТл) (Край раб. объема)
0 (180)
138,9
160,6
10 (190)
142,2
171,9
20 (200)
150,5
200,9
30 (210)
162,8
238,7
40 (220)
176,6
278,1
50 (230)
190,2
314,6
60 (240)
202,2
345,5
70 (250)
211,4
368,8
80 (260)
217,3
383,1
90 (270)
219,2
387,9
100 (280)
217,3
383,1
110 (290)
211,4
368,8
120 (300)
202,2
345,5
130 (310)
190,2
314,6
140 (320)
176,6
278,1
150 (330)
162,8
238,7
160 (340)
150,5
200,9
170 (350)
142,2
171,9
180 (360)
138,9
160,6
Ниже приведены параметры основных узлов устройства и их краткая характеристика (фиг. 4). Основными узлами устройства являются экранирующая камера и измеритель коэффициента ослабления магнитного поля
Экранирующая цилиндрическая камера 1 конечной длины выполнена в виде многооболочечной конструкции, на каждую оболочку которой нанесена лента из аморфно-металлического сплава на основе кобальта (АМС), имеющая коэффициент ослабления модуля вектора напряженности геомагнитного поля не менее 600, при условии ориентации продольной оси камеры в азимутальной плоскости перпендикулярно направлению вектора геомагнитного поля.
Магнитометрический измеритель 2 коэффициента ослабления магнитного поля представляет собой цифровой феррозондовый магнитометр, снабженный двумя трехкомпонентными феррозондовыми датчиками 3, 4. Датчик 4 предназначен для измерения величины модуля вектора магнитной индукции гипогеомагнитного поля, а датчик 3 - для измерения величины модуля магнитной индукции геомагнитного поля. При этом, прибор автоматически вычисляет коэффициент ослабления магнитного поля в реальном времени.
Обеспечение заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере осуществляется следующим образом.
Контролируют измерителем коэффициента ослабления магнитного поля значение модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в камере, в исходном положении установленной произвольно на ложементы 5, юстируемой по азимуту, поворотной платформы 6 поворотного стола.
Предварительно юстируют камеру 1 посредством буссоли 14 относительно направления вектора индукции внешнего геомагнитного поля. При этом, значение модуля вектора магнитной индукции гипогеомагнитного поля должно быть минимально возможным.
Поворачивая экранирующую цилиндрическую камеру 1 при помощи привода 8 грубой юстировки, изменяют модуль вектора индукции гипогеомагнитного поля до заданного уровня, фиксируют камеру 1 посредством арретирующего узла 7 в этом положении, тем самым стабилизируя его значение на заданном уровне. В зависимости от технологического процесса, путем дополнительных поворотов камеры 1 до заданных уровней устанавливают, фиксируют, тем самым стабилизируют и поддерживают очередные значения модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля.
На стабильность заданного уровня модуля вектора магнитной индукции гипогеомагнитного поля влияют магнитные бури (в основном, как следствие солнечной активности). Возмущения геомагнитного поля приводят к увеличению значения модуля вектора магнитной индукции гипогеомагнитного поля.
Данное устройство позволяет отслеживать и компенсировать данные возмущения. Происходит это следующим образом.
Юстируют камеру 1 в условиях невозмущенного геомагнитного поля с некоторым рассогласованием относительно нулевого угла между направлением магнитного меридиана и продольной осью камеры, тем самым создавая необходимый диапазон регулирования коэффициента ослабления магнитного поля.
Если в процессе экспозиции в камере 1 измерителем 2 коэффициента ослабления магнитного поля в режиме измерения величины модуля вектора магнитной индукции гипогеомагнитного поля будет зафиксирован факт его увеличения, то посредством привода 9 точной юстировки поворотом камеры 1 увеличивают коэффициент ослабления магнитного поля, тем самым компенсируя данное возмущение.