Исследование поведения магнитного поля системы в условиях климатических испытаний

Исследование поведения магнитного поля системы в условиях климатических испытаний Черкасова О. А.1, Черкасова С. А.2

1Черкасова Ольга Алексеевна / Cherkasova Olga Alekseevna - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра компьютерной физики и метаматериалов, физический факультет, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского;

2Черкасова Светлана Алексеевна / Cherkasova Svetlana Alekseevna - кандидат технических

наук, доцент, кафедра технической механики и деталей машин, Институт электронной техники и машиностроения Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., г. Саратов

Аннотация: рассмотрено изменение основных магнитных параметров и их стабильность при низких и высоких температурах. Установлено, что система, собранная на основе постоянных магнитов из сплава Sm-Co, проявляет термостабильность. Результаты исследования можно использовать при проектировании магнитных систем из магнитотвердых материалов. Ключевые слова: магнитная система, диапазон температур, индукция магнитного поля, температурный коэффициент индукции.

При проектировании магнитных систем (МС) первая трудность, с которой сталкивается разработчик, - это выбор оптимального размера компонентов системы и величины магнитной индукции на её оси. Для получения устойчивого электронного пучка необходимой мощности, как правило, создают периодические магнитные системы с возможной фокусировкой. В результате чего возникает еще одна трудность: как поведет себя система, собранная из постоянных магнитов, при различных температурах? Изменится при этом величина магнитного поля и как это учесть при проектировании? Все эти вопросы снимаются на практике, однако хотелось бы иметь общую картину, чтобы уменьшить затраты на производство.

Учитывая современную тенденцию к минимизации приборов и устройств, длина МС также имеет не маловажную роль. Следовательно, чем ближе будут располагаться постоянные магниты друг к другу, тем короче может быть сама система. Однако для создания устойчивого электромагнитного пучка в канале, необходимо иметь относительно протяженную однородную часть МС. Всё это влечет за собой еще один момент: влияние собственных размагничивающих полей постоянных магнитов, входящих в систему, друг на друга. В данной работе не будет учитываться этот фактор и, чтобы исключить такое воздействие, МС соберется из постоянных магнитов, удаленных друг от друга на некоторое расстояние, намного превышающее длину самих магнитов. Тем самым, если и будет оказано влияние собственных размагничивающих полей, то оно будет незначительным и, следовательно, из-за малости им можно пренебречь.

Материалы и методы исследования. В качестве постоянных магнитов использовали кольцевой магнит 0 16*8*3,5 мм, изготовленный из материала КСГЭ [1] по технологии, предложенной в работе [2], в количестве 8 шт. Перед сборкой в систему магниты были подобраны близкие по величине магнитной индукции на оси кольца (Вцк). Для создания макета МС, в нашем случае еще и фокусирующей, использовали стяжку длиной 220 мм с внутренним каналом 0 5 мм и толщиной стенки 3 мм. Таким образом, постоянные магниты устойчиво на ней размещаются. Для создания магнитной периодической фокусирующей системы на стяжке постоянные магниты собирались на отталкивание. Чтобы исключить влияние собственных размагничивающих полей, магниты размещались на расстоянии 20 мм друг от друга, для чего использовали втулки размером 0 12*8*20 мм. Для

исключения эффекта подмагничивания от материала оснастки (стяжка, втулка) использовались немагнитные материалы с высокой теплопроводностью (дюралевые или латунные сплавы). Созданный таким образом макет МС (рис. 1) позволяет говорить об отсутствии влияния собственных размагничивающих полей и подмагничивающего эффекта.

магнит

Рис. 1. Макет МС

С помощью зонта с датчиком Холла измерялась индукция на оси системы. Теперь необходимо определиться с типом климатических испытаний. Для этого обратимся к ГОСТу [3, с. 6] и выберем температурные испытания на тепло и холод. Рекомендованными температурами являются 11= -60°С и 12= +120°С. Следовательно, при этих температурах исследуется макетная МС. Предел допустимых значений погрешности измерений и поддерживаемой температуры в термокамере и МС не более ±3°С. В качестве контроля используется 1о=+20°С. Температурные испытания проводились в камере тепла и холода. МС при выбранной температуре выдерживалась в течение 30 мин, после чего проводились измерения величины магнитной индукции на оси системы. Цикл испытаний: +20°С^(-60)°С^+20°С^+120°С^+20°С.

Результаты и обсуждение. Вид кривой распределения амплитудного значения магнитной индукции на оси МС при контрольной (начальной) температуре представлен на рис. 2. Основными параметрами, по которым судили о термостабильности МС, были выбраны относительное температурное изменение магнитной индукции (5В) и ее температурный коэффициент (Ткв):

ТКВ —

В

1,2

В0

Во " {р1,2 - £

100% =

100%.

Рис. 2. Распределение величины магнитной индукции на оси системы

Значения магнитной индукции на оси МС при последующих испытаниях сведены в таблицу. Сравним изменение величины магнитной индукции при 10=+20°С и -60°С. Как видно из таблицы на всех магнитах произошло увеличение магнитной индукции. Среднее поле выросло на 1% и составило 113,1 мТл, что укладывается в погрешность измерения, при этом 5в=0,012, а ТКВ=0,015 %/°С. После испытаний на холод все параметры вернулись в исходное состояние. Это лишний раз доказывает, что изменения, возникающие при холоде, являются обратимыми. Однако для данного случая можно предположить, что холод не оказал никакого влияния на систему и, в частности, на магниты.

Таблица 1. Распределение магнитного поля в системе при термоиспытаниях

№ магнита в системе Величина магнитной индукции на оси, мТл, при температуре

+20°С -60°С +20°С +120°С +20°С

1 -111,2 -113,6 -112,8 -105,3 -108,8

2 115,2 116 115,2 107,2 110,4

3 -114,4 -116 -115,2 -114,4 -117,6

4 115,2 116 115,2 112,8 115,2

5 -110 -112,8 -111,2 -108,8 -112

6 113,6 115,2 113,6 111,2 113,6

7 -108,8 -110,4 -110,4 -106,4 -109,6

8 113,6 115,2 113,6 110,4 113,6

Теперь посмотрим, какие изменения претерпела МС при 12= +120°С. Средняя величина магнитной индукции составила 109,6 мТл, что меньше на 3,35% по сравнению с индукцией при комнатной температуре Что касается других параметров, то 5в=0,027, а ТКВ=0,027 %/°С. После тепла величина магнитной индукции вернулась в исходное состояние с учетом погрешности измерения.

В итоге можно сделать вывод, что постоянные магниты обладают температурной стабильностью, а такие основные параметры, как ТКВ находятся в пределах нормы для данного материала. Следовательно, МС, собранная из таких магнитов будет считаться надежной. Что же касается других критериев климатических испытаниях, то, как правило, это воздействие агрессивных сред и влажности. Сразу нужно оговорить, что для сохранения всех основных параметров системы ее следует защищать от агрессивных сред и влажности различными компаундами, т.к. магниты способны к окислению поверхности, что и приведет к снижению магнитных параметров. В данных исследованиях ограничились исключительно температурными испытаниями.

Таким образом, при проектировании магнитов или МС необходимо иметь запас по индукции поля на оси системы, для обеспечения работоспособности, в пределах 5-10%. Можно предположить, что чем выше температура испытаний (эксплуатации), тем больший запас по индукции необходим.

Литература

1. ГОСТ 21559-76* Материалы магнитотвердые спеченные. Марки, технические требования и методы контроля. М.: ГКС, 1991. 20 с.

2. Черкасова О. А. Влияние режимов спекания на магнитные характеристики магнитов из сплава КС37 // Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2013. Вып. 15. С. 106-112.

3. ГОСТ 16962-71. Изделия электронной техники и электротехники. Механические и климатические воздействия. Требования и методы испытаний. М.: ГКС, 1987. 103 с.