РЕГУЛИРУЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ СТРУКТУР ХАЛЬБАХА
HALBACH STRUCTURE-BASED VARIABLE MAGNETIC FIELD GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к генераторам магнитного поля и конкретно к регулируемым генераторам магнитного поля на основе структур Хальбаха.
Уровень техники
Генераторы магнитного поля находят широкое применение в научных исследованиях, например при исследовании магнитокалорических, магнитооптических, магнитоакустических, магнитоэлектрических явлений; в физике твердого тела для изучения энергетических спектров электронов в металлах, полупроводниках и сверхпроводниках; для исследования ферро- и антиферромагнетизма; в магнитохимии; для удержания плазмы в магнитогидродинамических генераторах и двигателях; для получения сверхнизких температур; в электронных микроскопах для фокусировки пучков электронов и других областях.
К традиционным генераторам магнитного поля для получения магнитных полей порядка единиц тесла относятся электромагниты. Однако для этого вида генераторов требуется источник питания не менее чем на несколько киловатт. Более того, для многих применений одним из основных требований является компактность установки для исследований, и применение электромагнитов в этих случаях затруднено или невозможно из-за их значительных габаритов и массы, а также требований к электропотреблению и электробезопасности.
Указанные проблемы решены при использовании генераторов магнитного поля на основе постоянных магнитов. В статьях Н.А.Leupold, A.S.Tilak and E.Potenziani II, IEEE Trans. Mag., 2902 (1993) и Н.А.Leupold, A.S.Tilak and E.Potenziani II, J. Appl. Phys. 73, 10 (1993), описаны структуры, в которых отдельные постоянные магниты выстроены в виде полых цилиндров или сфер, причем вектора намагниченности указанных отдельных постоянных магнитов ориентированы в соответствии с теоремой Хальбаха (K.Halbach, Nucl. Instrum. Methods 169, 1 (1980)). Указанные структуры формируют магнитное поле, локализованное в рабочем отверстии, образованном в полости соответствующих цилиндра или сферы. Такие структуры называются структурами Хальбаха, в частности цилиндрами Хальбаха и сферами Хальбаха.
Из публикации заявки на патент Японии 2000-243621 А известен генератор магнитного поля на основе цилиндра Хальбаха. В указанном генераторе восемь постоянных магнитов треугольной формы образуют круговую конфигурацию, формируя цилиндр Хальбаха.
Однако предполагается, что в такой конфигурации поле в рабочем отверстии не может превышать величину коэрцитивной силы постоянных магнитов, формирующих указанный генератор.
Из патента US 6,768,407 известен генератор магнитного поля, в котором для усиления магнитного поля в полость магнитной цепи, выполненной в виде цилиндра Хальбаха, помещена вторая магнитная цепь, содержащая два полюсных наконечника, расположенных друг напротив друга, и постоянные магниты, осуществляющие магнитное соединение между указанными полюсными наконечниками.
Такая конфигурация постоянных магнитов в указанном генераторе магнитного поля обеспечивает концентрацию магнитного потока, создаваемого первой магнитной цепью, между указанными полюсными наконечниками с помощью второй магнитной цепи. Это позволяет создать в рабочем отверстии указанного генератора магнитное поле, превышающее величину коэрцитивной силы постоянных магнитов, формирующих указанный генератор.
Генераторы магнитного поля на основе структур Хальбаха имеют перед электромагнитами следующие преимущества:
1) компактность;
2) отсутствие необходимости в источнике питания.
Указанные преимущества позволяют использовать генераторы магнитного поля на основе структур Хальбаха, в частности, в мобильных лабораториях на базе автомобилей и аэроносителей, где затруднено или невозможно использование стандартных источников питания, а требование к компактности является решающим.
Общим недостатком описанных генераторов магнитного поля на основе структур Хальбаха является невозможность оперативной регулировки величины поля в рабочем отверстии. Величина магнитной индукции в рабочем отверстии определяется соотношениями
для цилиндра Хальбаха и
r
0
i
для сферы Хальбаха, где B - остаточная магнитная индукция постоянных магнитов, формирующих структуру Хальбаха; r - радиус структуры Хальбаха; r - радиус рабочего отверстия.
Таким образом, для изменения этой величины в рабочем отверстии необходимо перестраивать генератор, изменяя радиус структуры Хальбаха, и/или радиус рабочего отверстия, и/или материал постоянных магнитов, что по существу означает создание нового генератора. Но даже в этом случае возможности регулировки величины магнитного поля весьма ограничены и сводятся к построению нескольких генераторов с разными величинами магнитных полей.
В то же время необходимо отметить, что при исследовании магнитных свойств материалов нередко возникает необходимость в проведении измерений в условиях изменяющегося, в том числе периодически, магнитного поля. Очевидно, что такие исследования невозможно проводить с применением описанных выше генераторов на основе структур Хальбаха. При использовании для получения переменного во времени магнитного поля электромагнитов возникают ограничения, связанные с большими размерами и массой электромагнитов, способных генерировать магнитное поле порядка единиц тесла, а также требованиями по электропотреблению и электробезопасности.
Как было отмечено выше, генераторы магнитного поля используют при проведении научных исследований, в частности при проведении магнитокалорических измерений. Так, из патента США 5806979 известна калориметрическая система, содержащая держатель образца с закрепленным на нем образцом, датчик температуры образца и нагреватель образца. Указанную систему используют для измерения теплоемкости образца. Указанная система также позволяет помещать образец в магнитное поле, создаваемое постоянным током. Очевидно, что такая система при необходимости получения магнитных полей порядка единиц тесла будет иметь значительные размер и массу, а также характеризоваться высоким энергопотреблением, что обусловлено используемым генератором магнитного поля.
Сущность изобретения
Задачей заявленной группы изобретений является создание генератора магнитного поля на основе структур Хальбаха с возможностью плавной регулировки величины генерируемого магнитного поля с сохранением высокой однородности магнитного поля для получения компактного, с минимальным потреблением электроэнергии генератора для генерации регулируемого магнитного поля, а также разработка способа проведения магнитокалорических измерений, а также
создание магнитокалорической измерительной системы,
магнитооптической измерительной системы,
магнитоакустической измерительной системы и
магнитоэлектрической измерительной системы, в которых для генерации магнитного поля использован генератор магнитного поля на основе структур Хальбаха с возможностью плавной регулировки величины генерируемого магнитного поля.
max
max
max
Поставленная задача решена тем, что в регулируемом генераторе магнитного поля, содержащем первый комплект постоянных магнитов, расположенных с образованием рабочей области, окруженной этими магнитами, по меньшей мере один из указанных магнитов установлен с возможностью вращения. В таком генераторе магнитное поле, генерируемое в рабочем отверстии, является векторной суммой полей, создаваемых отдельными постоянными магнитами с разным направлением векторов намагниченности. Путем вращения по меньшей мере одного из указанных постоянных магнитов напряженность магнитного поля в рабочем отверстии можно изменять в диапазоне от -Н до +H, где H - максимальная напряженность магнитного поля, создаваемая указанным регулируемым генератором.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения генератор магнитного поля дополнительно включает второй комплект постоянных магнитов, при этом магниты первого комплекта скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, а магниты второго комплекта также скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, причем второй комплект установлен в полости первого комплекта, а указанная возможность вращения реализована благодаря тому, что первый комплект магнитов установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.
Второй комплект постоянных магнитов также может быть установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная возможность вращения может быть реализована благодаря тому, что магниты комплекта установлены каждый на оси с возможностью вращения.
Целесообразно, чтобы указанные магниты были выполнены в форме цилиндров, причем в части объема указанных цилиндров магнит был замещен магнитомягким материалом.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения в генераторе имеется двигатель, соединенный по меньшей мере с одним из указанных постоянных магнитов для его вращения.
Указанный двигатель может быть шаговым.
Предлагаемый генератор может дополнительно включать управляющее устройство для управления двигателем.
Устройство для управления двигателем, как правило, содержит по меньшей мере одно вычислительное устройство.
В предпочтительном варианте генератор дополнительно содержит измеритель магнитного поля, который в свою очередь может содержать генератор Холла.
В предлагаемом генераторе может быть установлена обратная связь между измерителем магнитного поля и управляющим устройством для управления двигателем.
Постоянные магниты в предлагаемом генераторе могут быть изготовлены из сплава неодим-железо-бор.
Рабочая область в предлагаемом генераторе предпочтительно имеет цилиндрическую форму.
Указанные структуры Хальбаха могут быть выполнены в виде сфер Хальбаха или в виде цилиндров Хальбаха.
Указанные комплекты постоянных магнитов, расположенных с образованием структур Хальбаха, как правило, расположены соосно.
Первый и второй комплекты магнитов предпочтительно соединены между собой механизмом, обеспечивающим их согласованное вращение по отношению друг к другу.
Указанный механизм, как правило, обеспечивает вращение первого и второго комплектов магнитов в противоположных направлениях.
Магниты комплекта, каждый из которых установлен на оси с возможностью вращения, предпочтительно соединены между собой механизмом, обеспечивающим их согласованное вращение по отношению друг к другу.
Кроме того, поставленная задача решена тем, что в магнитокалорической измерительной системе, содержащей:
генератор магнитного поля;
контейнер, в котором имеется отверстие для отсасывания содержащейся в нем среды и создания вакуума и который выполнен с возможностью размещения в нем образца;
нагреватель, выполненный с возможностью нагрева этого образца;
охладитель, выполненный с возможностью охлаждения этого образца; и
датчик температуры образца, выполненный с возможностью измерения температуры образца;
и
управляющее устройство для управления температурой, соединенное с указанным датчиком температуры, генератор магнитного поля включает первый комплект постоянных магнитов, расположенных с образованием рабочей области, окруженной этими магнитами и выполненной с возможностью размещения указанного контейнера, причем по меньшей мере один из указанных постоянных магнитов выполнен с возможностью вращения.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения генератор магнитного поля дополнительно включает второй комплект постоянных магнитов, при этом магниты первого комплекта скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, а магниты второго комплекта также скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, причем второй комплект установлен в полости первого комплекта, а указанная возможность вращения реализована благодаря тому, что первый комплект установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.
Целесообразно, чтобы второй комплект магнитов был также установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная возможность вращения может быть реализована благодаря тому, что магниты комплекта установлены каждый на оси с возможностью вращения.
Целесообразно, чтобы указанные магниты были выполнены в форме цилиндров, причем в части объема указанных цилиндров магнит был замещен магнитомягким материалом.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения управляющее устройство для управления температурой содержит по меньшей мере одно вычислительное устройство.
В предлагаемой измерительной системе может быть установлена обратная связь между управляющим устройством для управления температурой и нагревателем.
Охладитель, как правило, выполнен в виде криостатического устройства, в частности сосуда Дьюара со стержневым концом, причем указанный сосуд выполнен с возможностью помещения в него указанного контейнера. В качестве хладагента может быть использован жидкий азот.
Датчик температуры образца предпочтительно выполнен в виде термопары.
Указанная магнитокалорическая измерительная система может дополнительно содержать управляющее устройство для управления этой магнитокалорической измерительной системой, которое в свою очередь может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство.
Как правило, указанное управляющее устройство дополнительно производит получение, запись, хранение и отображение информации.
Образец в контейнере может быть закреплен с помощью нити или может быть прикреплен к держателю винтами.
-3
Контейнер предпочтительно выполнен с возможностью создания в нем вакуума глубиной не меньше чем 10 Торр.
Также поставленная задача решена тем, что был реализован способ проведения магнитокалорических измерений, который включает:
помещение образца в рабочую область, образованную по меньшей мере первым комплектом постоянных магнитов, окружающих указанную рабочую область;
создание в указанном рабочем отверстии вакуума;
установление в указанном рабочем отверстии начальной напряженности магнитного поля;
установление и поддержание в указанном рабочем отверстии температуры измерений;
изменение напряженности магнитного поля в рабочем отверстии посредством вращения по меньшей мере одного из указанных постоянных магнитов; и
одновременное измерение изменений температуры образца при адиабатических условиях и напряженности магнитного поля в указанной рабочей области.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения перед помещением образца в рабочую область в полости первого комплекта постоянных магнитов дополнительно устанавливают второй комплект постоянных магнитов, скрепленных между собой и расположенных с образованием структуры Хальбаха, а вокруг рабочей области вращают постоянные магниты первого комплекта, также скрепленные между собой и расположенные с образованием структуры Хальбаха.
Второй комплект постоянных магнитов также могут вращать вокруг рабочей области.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения указанное вращение может быть реализовано благодаря тому, что по меньшей мере один из указанных магнитов вращают вокруг его оси.
-3
В предпочтительном варианте выполнения изобретения в рабочем отверстии обеспечивают вакуум глубиной не меньше чем 10 Торр.
Информацию о значениях напряженности магнитного поля в указанном рабочем отверстии, температуре измерений и изменениях температуры образца при адиабатических условиях целесообразно получать, записывать, хранить и отображать.
Первый и второй комплекты постоянных магнитов целесообразно вращать в противоположных направлениях.
Также поставленная задача решена тем, что в магнитооптической измерительной системе, содержащей:
источник излучения;
приемник излучения, выполненный с возможностью получения излучения от указанного источника излучения;
держатель образца, выполненный с возможностью закрепления на нем образца, так что излучение от указанного источника излучения может взаимодействовать с указанным образцом;
генератор магнитного поля, выполненный с возможностью создания магнитного поля, взаимодействующего с указанным образцом; и
по меньшей мере один поляризатор, выполненный с возможностью взаимодействия с излучением от указанного источника излучения, генератор магнитного поля включает первый комплект постоянных магнитов, расположенных с образованием рабочей области, окруженной этими магнитами и выполненной с возможностью размещения в ней указанного держателя образца, причем по меньшей мере один из указанных постоянных магнитов установлен с возможностью вращения.
В предпочтительном варианте реализации изобретения генератор магнитного поля дополнительно включает второй комплект постоянных магнитов, при этом магниты первого комплекта скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, а магниты второго комплекта также скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, причем второй комплект установлен в полости первого комплекта, а указанная возможность вращения реализована благодаря тому, что первый комплект магнитов расположен с возможностью вращения вокруг рабочей области.
Второй комплект постоянных магнитов также может быть расположен с возможностью вращения вокруг рабочей области.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная возможность вращения может быть реализована благодаря тому, что магниты комплекта установлены каждый на оси с возможностью вращения.
Целесообразно, чтобы указанные магниты были выполнены в форме цилиндров, причем в части объема указанных цилиндров магнит был замещен магнитомягким материалом.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения магнитооптическая измерительная система содержит по меньшей мере один спектрометрический прибор.
Указанная магнитооптическая измерительная система может дополнительно содержать управляющее устройство для управления этой магнитооптической измерительной системой, которое в свою очередь может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство.
Как правило, указанное управляющее устройство дополнительно производит получение, запись, хранение и отображение информации.
Кроме того, поставленная задача решена тем, что в магнитоакустической измерительной системе, содержащей:
акустический генератор;
держатель образца, выполненный с возможностью закрепления на нем образца, так что акустический сигнал от указанного акустического генератора может взаимодействовать с указанным образцом;
генератор магнитного поля, выполненный с возможностью создания магнитного поля, взаимодействующего с указанным образцом; и
устройство для измерения уровня акустического сигнала, выполненное с возможностью измерения уровня акустического сигнала от указанного акустического генератора, генератор магнитного поля включает первый комплект постоянных магнитов, расположенных с образованием рабочей области, окруженной этими магнитами и выполненной с возможностью размещения в ней указанного держателя образца, причем по меньшей мере один из указанных постоянных магнитов установлен с возможностью вращения.
В предпочтительном варианте реализации изобретения генератор магнитного поля дополнительно включает второй комплект постоянных магнитов, при этом магниты первого комплекта скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, а магниты второго комплекта также скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, причем второй комплект установлен в полости первого комплекта, а указанная возможность вращения реализована благодаря тому, что первый комплект магнитов установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.
Второй комплект магнитов также может быть установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная возможность вращения может быть реализована благодаря тому, что магниты комплекта установлены каждый на оси с возможностью вращения.
Целесообразно, чтобы указанные магниты были выполнены в форме цилиндров, причем в части объема указанных цилиндров магнит был замещен магнитомягким материалом.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения магнитоакустическая измерительная система содержит управляющее устройство для управления этой магнитоакустической измерительной системой, которое, в свою очередь, может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство.
Устройство для управления магнитоакустической измерительной системой обычно производит получение, запись, хранение и отображение информации.
Как правило, магнитоакустическая измерительная система содержит акустический спектрометр.
Наконец, поставленная задача решена тем, что в магнитоэлектрической измерительной системе, содержащей:
держатель образца, выполненный с возможностью закрепления на нем образца;
генератор магнитного поля, выполненный с возможностью создания магнитного поля, взаимодействующего с указанным образцом; и
измерительное устройство для измерения электрического напряжения, выполненное с возможностью измерения электрического напряжения на образце, генератор магнитного поля включает первый комплект постоянных магнитов, расположенных с образованием рабочей области, окруженной этими магнитами и выполненной с возможностью размещения в ней указанного держателя образца, причем по меньшей мере один из указанных постоянных магнитов выполнен с возможностью вращения.
В предпочтительном варианте реализации изобретения генератор магнитного поля дополнительно включает второй комплект постоянных магнитов, при этом магниты первого комплекта скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, а магниты второго комплекта также скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, причем второй комплект установлен в полости первого комплекта, а указанная возможность вращения реализована благодаря тому, что первый комплект магнитов расположен с возможностью вращения вокруг рабочей области.
Второй комплект магнитов также может быть установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная возможность вращения реализована благодаря тому, что магниты комплекта установлены каждый на оси с возможностью вращения.
Целесообразно, чтобы указанные магниты были выполнены в форме цилиндров, причем в части объема указанных цилиндров магнит был замещен магнитомягким материалом.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения магнитоэлектрическая измерительная система содержит управляющее устройство для управления этой магнитоэлектрической измерительной системой, которое, в свою очередь, может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство.
Управляющее устройство для управления магнитоэлектрической измерительной системой обычно производит получение, запись, хранение и отображение информации.
Описание настоящего изобретения снабжено соответствующими чертежами, перечень которых приведен ниже.
Фиг.1 - функциональная схема регулируемого генератора магнитного поля на основе структур Хальбаха, в котором структуры Хальбаха выполнены в виде цилиндров Хальбаха;
фиг.2 - поперечное сечение регулируемого генератора магнитного поля с показанными направлением вектора напряженности магнитного поля в рабочем отверстии и направлениями векторов намагниченности отдельных сегментов цилиндров Хальбаха;
фиг.3 - функциональная схема механической системы регулируемого генератора магнитного поля;
фиг.4 - функциональная схема магнитокалорической измерительной системы;
фиг.5 - внешний вид контейнера для магнитокалорической измерительной системы с разъединенными внешним корпусом и вставкой;
фиг.6 - внешний вид держателя образца;
фиг.7а - внешний вид охладителя;
фиг 7б - верхний конец охладителя с закрепленным на нем контейнером;
фиг.8 - держатель образца с образцом, закрепленным посредством хлопчатобумажной нити;
фиг.9 - держатель образца с образцом, закрепленным посредством пластиковой крышки с винтами;
фиг.10 - функциональная схема магнитооптической измерительной системы;
фиг.11 - функциональная схема магнитоакустической измерительной системы;
фиг.12 - функциональная схема магнитоэлектрической измерительной системы;
фиг.13 - поперечное сечение регулируемого генератора магнитного поля, содержащего постоянные магниты в виде цилиндров с магнитомягкими вставками.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Ниже представлено подробное описание настоящего изобретения со ссылками на соответствующие чертежи.
На фиг.1 показана функциональная схема предпочтительного варианта осуществления изобретения. В представленном регулируемом генераторе магнитного поля структуры Хальбаха выполнены в виде цилиндров Хальбаха. Из чертежа видно, что генератор включает внешний цилиндр 1 Хальбаха и внутренний цилиндр 2 Хальбаха, который расположен в полости цилиндра 1 соосно с ним. Оба указанных цилиндра помещены в корпус 5. В полости цилиндра 2 образована рабочая область, представляющая собой рабочее отверстие 3, предпочтительно цилиндрической формы, ось которого совпадает с осью цилиндра 2. Цилиндры 1 и 2 выполнены из постоянных магнитов, изготовленных, например, из сплава неодим-железо-бор. Магнитное поле в рабочем отверстии 3 равно векторной сумме магнитных полей, создаваемых каждым из указанных цилиндров. Для удобства при работе с генератором на торцевой крышке генератора выполнена отметка, например в виде болта, установленного в резьбовом отверстии, с помощью которой можно определить направление магнитного поля в рабочем отверстии. Для этого необходимо провести воображаемую линию, соединяющую ось рабочего отверстия 3 и центр указанного болта и лежащую в плоскости торцевой крышки, и тогда направление магнитного поля будет параллельно указанной линии. На фиг.2 показано поперечное сечение регулируемого генератора магнитного поля для одного из возможных взаимных положений внутреннего и внешнего цилиндров 2 и 1 Хальбаха с показанными направлениями вектора намагниченности отдельных постоянных магнитов, составляющих указанные цилиндры, и направлением результирующего магнитного поля в рабочем отверстии 3.
max
max
max
Цилиндры выполнены с возможностью вращения друг относительно друга, причем посредством их вращения напряженность магнитного поля в рабочем отверстии 3 можно изменять в диапазоне от -Н до +H, где H - максимальная напряженность магнитного поля, создаваемая указанным регулируемым генератором. Вращение можно выполнять различными способами, в частности вращать внешний цилиндр вокруг неподвижного внутреннего, вращать внутренний цилиндр внутри неподвижного внешнего или вращать указанные цилиндры в противоположных направлениях. Для вращения цилиндров можно использовать любой двигатель, который обеспечивает точный поворот цилиндров друг относительно друга на заданный угол, например шаговый двигатель.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения регулируемый генератор магнитного поля содержит шаговый двигатель 4 и передаточный механизм 6, расположенные в нижней части корпуса 5 и обеспечивающие вращение внешнего цилиндра 1 и внутреннего цилиндра 2 в противоположных направлениях. Передаточный механизм представлен на фиг.3 и содержит шестерню 67, насаженную на ведущий вал 68 двигателя 4, шестерню 69, насаженную на вал 70, вращающийся в подшипниках 71, шестерни 72 и 73, насаженные на вал 74, шестерню 75, насаженную на консольный вал 76, и шестерню 77, насаженную на вал 78. Подшипники 71 предпочтительно выполнены из керамического материала. Ведущий вал 68 через шестерню 69 связан с валом 70, на котором посажен внешний цилиндр 1. Далее через шестерни 72, 73, 75 и 77 и вал 74 ведущий вал 68 связан с валом 78, на котором установлен внутренний цилиндр 2. Наличие в механизме 6 шестерни 75, насаженной на вал 76, обеспечивает вращение вала 78 в противоположном направлении по отношению к валу 70 и, соответственно, вращение в противоположном направлении цилиндров 1 и 2.
Управление шаговым двигателем 4 осуществляют с помощью управляющего устройства 11, которое предназначено для управления двигателем и которое может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство.
Здесь и далее по тексту под вычислительным устройством понимают любое устройство для проведения вычислений, получения, обработки, хранения и выдачи информации, а также совокупность таких устройств, включая контроллер, компьютер и т.п.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 11 включает контроллер 10 движения, например двухосевой контроллер PCI-7340 производства National Instruments, и модуль 7 электропитания. Модуль 7 передает управляющий сигнал на шаговый двигатель 4 посредством экранированного соединительного кабеля длиной 2 м, снабженного соединителями DB15, и содержит источник 8 питания, например SP-300-24, и микрошаговый драйвер 9, например SMD-78.
Контроллер 10 движения посредством передачи трех управляющих сигналов управляет микрошаговым драйвером 9. В число указанных управляющих сигналов входят запускающий сигнал, сигнал установления направления движения и сигнал тактового импульса для установления скорости вращения. Передачу сигналов осуществляют по соединительному кабелю с 68-разъемным соединителем типа D.
Дополнительное управление микрошаговым драйвером 9 для установки требуемого режима работы шагового двигателя осуществляют с помощью восьми переключателей (не показаны), расположенных на самом драйвере. В частности, с помощью переключателей 1-3 включают ток в обмотках шагового двигателя, с помощью переключателя 4 включают ток удержания позиции, с помощью переключателей 5-8 устанавливают коэффициент деления для тактового импульса, полученного с контроллера 10 движения.
Источник 8 питания, обеспечивающий электропитанием шаговый двигатель 4 и микрошаговый драйвер 9, может выдавать 24 В стабилизированного напряжения при токе 12 А. При работе генератора магнитного поля средний ток модуля 7 электропитания составляет 1,2 А.
Для измерения напряженности магнитного поля в рабочем отверстии используют измеритель 13 магнитного поля, который может содержать гауссметр 14 и соединенный с ним датчик 15 магнитного поля. Датчик 15 расположен таким образом, что сигнал с него в любой момент времени пропорционален напряженности магнитного поля в рабочем отверстии. Датчик 15 может быть выполнен, в частности, в виде генератора Холла, например HGCA-3020 производства Lake Shore. В качестве гауссметра 14 может быть использован, например, гауссметр 475 DPS производства Lake Shore. Чувствительность датчика 15 предварительно загружают в память гауссметра 14, который соединен с управляющим устройством 12 для управления генератором и предназначен для получения с датчика 15 мгновенных значений напряженности магнитного поля, их предварительной обработки, записи и передачи на управляющее устройство 12.
Управляющее устройство 12 для управления генератором предназначено для общего управления регулируемым генератором магнитного поля и может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство. В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 12 содержит управляющий компьютер, например ROBO-2000-4045 с контроллером NI PCI GPIB 488.2. На управляющем компьютере установлена операционная система Windows XP и управляющее программное обеспечение на базе LabView 8.0, совместимое с операционной системой Windows XP.
Управляющее устройство 12 соединено с гауссметром 14 через интерфейс GPIB. Устройство 12, гауссметр 14, а также модуль 7 электропитания помещены в 19" корпус Minirack производства Schroff.
С помощью управляющего устройства 12 устанавливают скорость регистрации данных гауссметром 14, которая может составлять 100 измерений/сек (по умолчанию), 30 измерений/сек или 10 измерений/сек, а также общее количество измерений за один цикл измерений. Это количество ограничено емкостью буфера гауссметра 14 и не может превышать 1024.
Команды, определяющие параметры вращения шагового двигателя 4, передают с управляющего устройства 12 на контроллер 10 движения, который соединен с управляющим устройством через шину PCI.
Для установления в рабочем отверстии 3 требуемой напряженности магнитного поля необходимо с помощью управляющего устройства 12 включить вращение шагового двигателя 4 для соответствующего изменения величины магнитного поля. Также устанавливают требуемую скорость вращения. Величину магнитного поля можно контролировать с помощью интерфейса программного обеспечения управляющего устройства 12, а также по вакуумному флуоресцентному дисплею, расположенному на передней панели гауссметра 14 и отображающему текущую величину напряженности магнитного поля, измеренную с помощью датчика 15 магнитного поля. При достижении требуемого значения напряженности вращение шагового двигателя и, соответственно, изменение величины магнитного поля прекращают. Кроме того, с помощью управляющего устройства 12 возможно автоматическое выставление конфигурации генератора магнитного поля, соответствующей нулевому значению поля в рабочем отверстии 3. Таким образом, с помощью управляющего устройства 12 в генераторе реализована обратная связь между управляющим устройством 11 для управления шаговым двигателем и измерителем 13 магнитного поля, которая обеспечивает точное и оперативное управление генератором для получения требуемой величины магнитного поля в рабочем отверстии 3.
max
max
Кроме того, представленный регулируемый генератор магнитного поля позволяет получать переменное во времени магнитное поле, в том числе быстропеременное, со скоростью развертки поля до 200 Гц. Этого достигают непрерывным вращением цилиндров 1 и 2 в противоположных направлениях, при этом в рабочем отверстии происходит периодическое изменение напряженности магнитного поля в диапазоне от -H до +H.
Генератор может работать в трех режимах в зависимости от того, какую часть полного цикла изменения магнитного поля используют:
max
1. режим половины цикла - генератор обеспечивает изменение магнитного поля, соответствующее половине полного цикла изменения магнитного поля. В этом режиме напряженность магнитного поля в рабочем отверстии изменяют от 0 до +H и снова до 0, что соответствует 4800 шагам шагового двигателя 4;
max
max
2. режим одного цикла - генератор обеспечивает изменение магнитного поля, соответствующее одному циклу изменения магнитного поля. В этом режиме напряженность магнитного поля в рабочем отверстии изменяют от 0 до +H, далее через до 0 до -Н и снова до 0, что соответствует 9600 шагам шагового двигателя 4;
max
max
3. режим множества циклов - генератор обеспечивает изменение магнитного поля, соответствующее двум и более циклам изменения магнитного поля. В этом режиме напряженность магнитного поля в рабочем отверстии 3 изменяют периодически в диапазоне от -Н до +Н, что соответствует 9600×N шагам шагового двигателя 4, где N≥2 - количество циклов изменения магнитного поля.
Требуемый режим переменного магнитного поля устанавливают с помощью управляющего устройства 12.
Следует отметить, что представленный регулируемый генератор магнитного поля может быть выполнен не только на основе цилиндров Хальбаха, но и на основе других структур Хальбаха, в частности на основе сфер Хальбаха.
Кроме того, еще в одном предпочтительном варианте реализации изобретения регулируемый генератор магнитного поля может содержать постоянные магниты в виде цилиндров, выполненных с возможностью вращения вокруг своей оси (фиг.13). Путем вращения цилиндров 79 вокруг своей оси соответственно изменяют направление вектора намагниченности, перпендикулярного оси цилиндра, что в свою очередь обеспечивает изменение результирующего магнитного поля в рабочем отверстии 3. В части объема цилиндров 79 магнит замещен магнитомягким материалом. Более конкретно, цилиндры 79 содержат вставки 80 из магнитомягкого материала, например железа. Вставки 80 выполнены в виде объемов, ограниченных равными сегментами оснований цилиндра и соответствующими частями боковой поверхности цилиндра, как показано на фиг.13. Такие вставки с помощью стандартного передаточного механизма соединены с шаговым двигателем, который может быть любым шаговым двигателем, известным из уровня техники, и который посредством вращения этих вставок обеспечивает вращение магнитов. Этот же механизм соединяет между собой все магниты генератора, обеспечивая их согласованное вращение. Таким образом, вставки 80 образуют ключи для вращения цилиндров и обеспечивают их более легкий поворот, что является существенным преимуществом, учитывая значительные моменты сил, создаваемые в генераторе. Конструкции, известные из уровня техники, в которых для обеспечения поворота магниты вклеивают в трубки, менее надежны, при этом отсутствует возможность замены магнита в случае необходимости.
Указанные вставки также выполняют функцию концентратора магнитного потока, так что величина поля при использовании магнитов со вставками практически такая же, что и в случае использования цилиндров, полностью выполненных из магнитного материала, при этом уменьшено использование дорогостоящего магнитного материала, что снижает стоимость генератора в целом.
На фиг.4 представлена функциональная схема магнитокалорической измерительной системы, в которой генератор магнитного поля выполнен на основе двух цилиндров Хальбаха. Предлагаемая магнитокалорическая измерительная система предназначена для измерения величины магнитокалорического эффекта, проявляющегося в изменении ΔТ температуры магнитного материала при изменении напряженности магнитного поля Н при адиабатических условиях. Соответственно под величиной магнитокалорического эффекта понимают указанное изменение ΔТ температуры.
Из чертежа видно, что регулируемый генератор 17 магнитного поля, описанный выше, включает внешний цилиндр 1 Хальбаха и внутренний цилиндр 2 Хальбаха, который расположен в полости цилиндра 1 соосно с ним. Оба указанных цилиндра помещены в корпус 5. В полости цилиндра 2 образована рабочая область, выполненная в виде рабочего отверстия 3, предпочтительно цилиндрической формы, причем ось отверстия 3 совпадает с осью цилиндра 2.
В генераторе магнитного поля магнитокалорической измерительной системы в соответствии с настоящим изобретением шаговый двигатель 4 и описанный выше передаточный механизм системы 6, расположенные в нижней части корпуса 5, обеспечивают вращение внешнего цилиндра 1 и внутреннего цилиндра 2 в противоположных направлениях. Управление указанным шаговым двигателем осуществляют с помощью устройства 11 для управления двигателем, которое может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство. В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 11 для управления двигателем включает контроллер 10 движения, например двухосевой контроллер PCI-7340 производства National Instruments, и модуль 7 электропитания.
Указанный модуль содержит источник 8 питания, например SP-300-24, и микрошаговый драйвер 9, например SMD-78, и посредством экранированного соединительного кабеля длиной 2 м, снабженного соединителями DB15, соединен с шаговым двигателем 4.
В рабочем отверстии 3 размещен контейнер 18 (фиг.5), включающий внешний корпус 19 и вставку 20. Вставка оборудована вакуумными фланцами 21, например ISO-KF производства Leybold, для быстрого и легкого соединения указанной вставки и внешнего корпуса. Указанные фланцы с коротким штенгелем, центрирующим кольцом с кольцевым уплотнителем и зажимным кольцом, например DN 50 KF (не показаны), обеспечивают вакуумное соединение внешнего корпуса 19 и вставки 20. Кроме того, в заднюю стенку вставки 20 впаяно два фланца с длинным штенгелем, например DN 16 KF, а фланец с коротким штенгелем, например DN 16 KF, впаян в верхнюю часть вставки 20 (данные фланцы не показаны на чертежах). Один из указанных фланцев с длинным штенгелем вместе с центрирующим кольцом с кольцевым уплотнителем и зажимным кольцом, например DN 16 KF, используют для соединения c шлангом внешней вакуумной системы, который должен быть снабжен соответствующим фланцем. Второй фланец с длинным штенгелем и фланец с коротким штенгелем используют для закрепления в них проходных каналов для электрических кабелей. В качестве проходных каналов можно, например, использовать проходные каналы FE 16/9S производства Leybold, закрепляемые во фланцах с помощью центрирующих колец с кольцевым уплотнителем и зажимных колец, например DN 16 KF.
Вставка 20 включает головку 22 с зажимными вакуумными фланцами 21, держатель 23 образца и стержень 24 держателя образца. Верхняя часть стержня 24 припаяна к головке 22, а на его нижней части закреплен держатель 23 образца.
На фиг.6 представлен внешний вид держателя 23 образца, на котором размещают образец, нагреватель, датчик температуры образца, датчик магнитного поля, описанные далее (на чертеже не показаны).
-3
Перед проведением измерений для обеспечения адиабатических условий с помощью внешней вакуумной системы во вставке 20 создают вакуум глубиной не меньше 10 Торр.
На фиг.7 показан охладитель 25, в который помещают контейнер 18. Указанный охладитель может быть выполнен в виде криостатического устройства, в частности сосуда Дьюара с жидким азотом. Используемый сосуд Дьюара имеет стандартную конструкцию и содержит внешний и внутренний корпусы, между которыми создан вакуум. Время испарения жидкого азота из указанного сосуда составляет 10 часов. Нижний конец 26 сосуда Дьюара выполнен в виде стержня для обеспечения возможности помещения указанного сосуда в рабочее отверстие 3. Верхний конец 27 сосуда Дьюара снабжен теплоизоляционной крышкой 28 с отверстием 29 для введения контейнера 18. Также сосуд Дьюара оборудован верхним фланцем 30, снабженным отверстиями с резьбой 31 для закрепления контейнера 18, и нижним фланцем 32, на котором расположено отверстие 33 диаметром 12 мм для регулировки положения сосуда Дьюара.
Размещенный на держателе 23 образца нагреватель 35, выполненный, например, в виде резистивного нагревателя, с охладителем 25 предназначены для установления и поддержания температуры измерений. Здесь и далее по тексту под температурой измерений понимают температуру, при которой проводят изменения величины магнитокалорического эффекта. Рабочий диапазон температур магнитокалорической измерительной системы заключен в интервале от 200 до 370 К. Для контроля температуры измерений на держателе 23 образца может быть дополнительно установлен датчик 36 температуры, например резистивный температурный датчик CX-1080-SD-HT-20M производства Lake Shore. Магнитокалорическая измерительная система дополнительно содержит устройство 37 для управления температурой, которое обеспечивает установление и поддержание температуры измерений. Устройство 37 может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство и в предпочтительном варианте осуществления изобретения выполнено на базе температурного контроллера модели 331 производства Lake Shore. Устройство 37 получает информацию о температуре держателя 23 образца от датчика 36 температуры, сравнивает его с требуемой температурой и генерирует сигнал, пропорциональный разнице между текущей температурой держателя 23 и требуемой. Этот сигнал, в свою очередь, управляет расположенным в указанном контроллере блоком питания, от которого запитан нагреватель 35, что позволяет устанавливать и поддерживать температуру измерений. Таким образом, между устройством 37 и нагревателем 35 установлена обратная связь, обеспечивающая точное и оперативное управления температурой измерений.
Датчик 38 температуры образца, расположенный на держателе 23 образца, предназначен для измерения изменения температуры образца вследствие изменения напряженности магнитного поля в рабочем отверстии. В предпочтительном варианте осуществления изобретения датчик температуры образца выполнен в виде термопары, например медно-константановой, зажатой между двумя равными частями исследуемого образца. Выходной сигнал напряжения с выхода термопары, пропорциональный температуре, поступает на вход измерителя 39 напряжения, например нановольтметра Agilent 34420A.
Для измерения напряженности магнитного поля в рабочем отверстии используют измеритель 13 магнитного поля, которой может содержать гауссметр 14 и соединенный с ним датчик 15 магнитного поля. Датчик 15 расположен таким образом, что сигнал с него в любой момент времени пропорционален напряженности магнитного поля в рабочем отверстии. Указанный датчик 15 магнитного поля может быть выполнен, в частности, в виде генератора Холла, например HGCA-3020 производства Lake Shore. В качестве гауссметра 14 может быть использован, например, гауссметр 475 DPS производства Lake Shore. Чувствительность датчика 15 магнитного поля предварительно загружают в память гауссметра 14. Гауссметр соединен с управляющим устройством 36 для управления магнитокалорической измерительной системой и предназначен для получения с датчика 15 мгновенных значений напряженности магнитного поля, их предварительной обработки, записи и передачи на управляющее устройство 36.
С помощью управляющего устройства 36, которое может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство, управляют магнитокалорической измерительной системой. В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 36 содержит управляющий компьютер, например ROBO-2000-4045 с контроллером NI PCI GPIB 488.2. На управляющем компьютере установлена операционная система Windows ХР и управляющее программное обеспечение на базе LabView 8.0, совместимое с операционной системой Windows ХР.
Управляющее устройство 36 соединено с гауссметром 14, устройством 37 для измерения температуры и устройством 39 для измерения напряжения через интерфейс GPIB. Кроме того, управляющее устройство 36 через шину PCI соединено с контроллером 10 движения. Устройства 36, 37 и 39, гауссметр 14, а также модуль 7 электропитания помещены в 19" корпус Minirack производства Schroff.
При проведении измерений магнитокалорического эффекта генератор магнитного поля магнитокалорической системы может работать в трех режимах, как описано выше.
Требуемый режим работы генератора магнитного поля устанавливают с помощью управляющего устройства 36.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения образец для исследований представляет собой два одинаковых элемента, имеющих форму параллелограмма. Один из указанных элементов располагают на пластиковой подложке, закрепленной на держателе 23 образца, при этом длинный конец элемента направляют вдоль направления магнитного поля. Пластиковая подложка в силу своей сравнительно невысокой теплопроводности обеспечивает близкие к адиабатическим условия измерения величины магнитокалорического эффекта. Для дополнительного уменьшения теплового контакта между образцом и держателем образца используют рифленую подложку, что позволяет уменьшить площадь контакта. В то же время при сравнительно более медленном процессе установления температуры измерений указанная пластина обеспечивает практически синхронное изменение температуры образца и держателя 23 образца. Последнее является весьма важным фактором, так как датчик 36 температуры для контроля температуры измерений установлен на указанном держателе. Второй элемент образца помещают на первый, при этом датчик 38 температуры образца, выполненный в виде термопары, зажимают между указанными элементами.
Образец на держателе может быть закреплен двумя способами. Закрепление одним из указанных способов проиллюстрировано на фиг.8. Здесь образец 40 закреплен с помощью хлопчатобумажной нити 41. Раскрепляют образец посредством разрезания нити ножницами. Такой способ крепления обеспечивает минимальный тепловой контакт между образцом и держателем образца и, соответственно, продолжительное сохранение температуры образца, измененной вследствие магнитокалорического эффекта. В то же время при таком способе крепления между образцом и держателем может существовать разница температур до 10-20 К, которую учитывают с помощью управляющего программного обеспечения управляющего устройства 36. Указанный способ крепления используют при сравнительно небольшой скорости изменения величины магнитного поля (не более 0,5 Тл/сек).
Второй способ крепления образца проиллюстрирован на фиг.9. Из чертежа видно, что образец 40 закрепляют с помощью пластиковой крышки 42 и винтов 43. В этом случае тепловой контакт между образцом и держателем существенно больше, что обеспечивает практически одинаковую температуру образца и держателя (разница температур составляет не более 1-2 К). С другой стороны, по той же причине изменение температуры образца вследствие магнитокалорического эффекта можно наблюдать относительно короткое время. Очевидно, указанный способ крепления целесообразно использовать при больших скоростях изменения магнитного поля.
Отметим, что оба метода крепления обеспечивают хороший тепловой контакт между образцом и датчиком 38 температуры образца.
Для закрепления образца на пластиковой подложке можно использовать небольшое количество вакуумной консистентной смазки, причем это количество должно быть достаточно малым, чтобы дополнительная тепловая нагрузка была пренебрежимо мала.
-3
Для проведения измерений величины магнитокалорического эффекта образец закрепляют на держателе 23 образца одним из описанных выше способов, а вставку 20, содержащую указанный держатель, помещают во внешний корпус 19 контейнера 18. В рабочем отверстии 3 размещают охладитель 25, в который вставляют указанный контейнер 18, содержащий образец. Во вставке 20 с помощью внешней вакуумной системы создают вакуум глубиной не меньше 10 Торр. Таким образом обеспечивают размещение образца в рабочем отверстии 3 и адиабатические условия измерений.
2
Для установления начального значения напряженности магнитного поля в рабочем отверстии 3 с помощью управляющего программного обеспечения управляющего устройства 36 запускают шаговый двигатель и обеспечивают взаимное вращение цилиндров Хальбаха генератора магнитного поля. Скорость вращения шагового двигателя также устанавливают с помощью указанного управляющего программного обеспечения. При достижении требуемой напряженности магнитного поля вращение останавливают. Возможно также автоматическое установление величины магнитного поля в рабочем отверстии 3 на нулевом уровне. Управляющее программное обеспечение в режиме реального времени выдает информацию о скорости вращения шагового двигателя (шаг/сек), а также значениях ускорения или замедления (шаг/сек).
Для обеспечения вращения шагового двигателя 4 и требуемого режима работы генератора магнитного поля команды, определяющие параметры вращения шагового двигателя, передают с управляющего устройства 36 на контроллер 10 движения.
Контроллер 10 движения посредством передачи трех управляющих сигналов управляет микрошаговым драйвером 9, при этом используют первую ось указанного контроллера. В число указанных управляющих сигналов входят запускающий сигнал, сигнал установления направления движения и сигнал тактового импульса для установления скорости вращения. Передачу сигналов осуществляют по соединительному кабелю с 68-разъемным соединителем D типа.
Дополнительное управление микрошаговым драйвером 9 для установки требуемого режима работы шагового двигателя осуществляют с помощью восьми переключателей (не показаны), расположенных на самом драйвере. В частности, с помощью переключателей 1-3 включают ток в обмотках шагового двигателя, с помощью переключателя 4 включают ток удержания позиции, с помощью переключателей 5-8 устанавливают коэффициент деления для тактового импульса, полученного с контроллера 10 движения.
Источник 8 питания, обеспечивающий электропитанием шаговый двигатель 4 и микрошаговый драйвер 9, может выдавать 24 В стабилизированного напряжения при токе 12 А. При работе генератора магнитного поля средний ток модуля 7 электропитания составляет 1,2 А.
Указанный модуль передает управляющий сигнал на шаговый двигатель 4 посредством экранированного соединительного кабеля длиной 2 м, снабженного соединителями DB15.
Величину магнитного поля в рабочем отверстии контролируют с помощью измерителя 13 магнитного поля. Значение напряженности можно контролировать с помощью интерфейса программного обеспечения управляющего устройства 36, а также по вакуумному флуоресцентному дисплею, расположенному на передней панели гауссметра 14 и отображающему текущую величину напряженности магнитного поля, измеренную с помощью датчика 15 магнитного поля.
С помощью управляющего устройства 36 в магнитокалорической измерительной системе реализована обратная связь между управляющим устройством 11 для управления шаговым двигателем и измерителем 13 магнитного поля, которая обеспечивает точное и оперативное управление генератором магнитного поля для получения требуемой величины магнитного поля в рабочем отверстии 3.
С помощью устройства управления 36 также устанавливают и поддерживают температуру измерений. При работе в ручном режиме с помощью интерфейса управляющего программного обеспечения вводят требуемое значение температуры. Дополнительно можно вводить значение скорости изменения температуры. От устройства 36 информация о требуемой температуре поступает в устройство 37 для управления температурой.
При работе в автоматическом режиме с помощью интерфейса управляющего программного обеспечения вводят начальную температуру, конечную температуру и шаг изменения температуры. Система последовательно устанавливает и стабилизирует все требуемые температуры и проводит измерения величины магнитокалорического эффекта при установленном режиме работы генератора магнитного поля при каждой из указанных температур. После проведения измерений при последней из требуемых температур система автоматически выключает нагреватель 35.
Устройство 39 для измерения напряжения и гауссметр 14 передают на устройство 36 значения соответственно изменений температуры образца и напряженности магнитного поля в рабочем отверстии. Для обеспечения одновременной регистрации данных об изменении температуры образца и напряженности магнитного поля модуль 7 электропитания дополнительно содержит плату регистрации данных, которая получает импульсный сигнал со второй оси контроллера 10 движения. Указанный сигнал формирует сигналы управления процессом регистрации данных, которые через кабель регистрации данных с 6-контактным соединителем F DIN поступают на гауссметр 14 и устройство 39 для измерения напряжения. В частности, сигнал со второй оси контроллера 10 начинает процесс регистрации данных гауссметром 14 и устройством 39 для измерения напряжения. В результате такого построения схемы указанные устройства начинают процесс регистрации данных одновременно. Кроме того, сигнал со второй оси контроллера 10 инициирует запускающие импульсы для устройства 39, определяющие его скорость считывания. Максимальная частота следования импульсов 50 Гц, что соответствует скорости считывания 50 измерений/сек.
Скорость регистрации данных, которая может составлять 100 измерений/сек (по умолчанию), 30 измерений/сек или 10 измерений/сек, а также общее количество измерений за один цикл измерений устанавливают с помощью управляющего устройства 36. Скорости регистрации данных 100 измерений/сек соответствуют скорость считывания гауссметром 14 100 измерений/сек и скорость считывания устройством 39 для измерения напряжения 50 измерений/сек, а скоростям регистрации данных 30 измерений/сек и 10 измерений/сек соответствуют аналогичные значения скорости считывания указанных устройств. Общее количество измерений за один цикл измерений ограничено емкостью буферов гауссметра 14 и устройства 39 и не может превышать 1024.
Для иллюстрации взаимодействия управляющего устройства 36 для управления магнитокалорической измерительной системой и устройства 37 для управления температурой рассмотрим процессы установления температуры измерений и проведения измерений в ручном режиме. С помощью интерфейса управляющего программного обеспечения в управляющее устройство 36 вводят требуемое значение температуры. Устройство 36 передает это значение в устройство 37 для управления температурой и начинает считывать из последнего текущие значения температуры. Устройство 36 считает количество текущих значений температуры, попадающих в предустановленный интервал достоверности. Когда это количество достигает предустановленной пользователем суммы, происходит автоматический запуск процесса измерения разности температур образца и держателя образца. Количество измерений устанавливают с помощью управляющего интерфейса. Далее управляющее программное обеспечение рассчитывает среднее значение указанной разности температур для проведенного количества измерений, а также температуру образца как сумму температуры держателя образца и рассчитанного среднего значения указанной разности. После этого устройство 36 запускает процессы изменения магнитного поля в соответствии с заданным режимом работы генератора и измерения величины магнитокалорического эффекта.
Устройство 36 получает, записывает, сохраняет данные измерений на жестком диске, формирует зависимости изменений температуры образца от времени ΔТ(t), напряженности магнитного поля от времени H(t) и изменений температуры образца от напряженности ΔТ(Н), а также отображает полученные зависимости, например в виде графиков.
Отметим, что представленная магнитокалорическая измерительная система может содержать регулируемый генератор магнитного поля, выполненный не только на основе цилиндров Хальбаха, но и на основе других структур Хальбаха, в частности на основе сфер Хальбаха.
Также генератор магнитного поля может содержать постоянные магниты в виде цилиндров, как описано выше.
Также следует отметить, что с помощью указанной магнитокалорической системы можно проводить измерения величины магнитокалорического эффекта в образце, помещенном в разреженный газ, а не вакуум. Вследствие увеличенного теплообмена это уменьшит точность измерений, однако позволит быстрее устанавливать очередную температуру измерений при охлаждении. Используемый газ не должен образовывать конденсат на стенках сосуда Дьюара. В качестве газа-наполнителя, например, можно использовать гелий.
Также для ускорения процесса теплообмена при охлаждении газ-наполнитель можно напускать при установлении требуемой температуры, а при проведении измерений проводить его откачку.
Представленная магнитокалорическая измерительная система позволяет реализовать способ проведения магнитокалорических измерений, включающий:
- помещение образца в рабочее отверстие, образованное в полости первого комплекта постоянных магнитов, скрепленных между собой и расположенных с образованием структуры Хальбаха, и второго комплекта постоянных магнитов, скрепленных между собой и расположенных с образованием структуры Хальбаха, причем второй комплект расположен в полости первого и формирует рабочее отверстие;
- создание в указанном рабочем отверстии вакуума;
- установление в указанном рабочем отверстии начальной напряженности магнитного поля;
- установление и поддержание в указанном рабочем отверстии температуры измерений;
- изменение напряженности магнитного поля в рабочем отверстии посредством вращения по меньшей мере одного из указанных комплектов постоянных магнитов вокруг своей оси;
- одновременное измерение изменений температуры образца при адиабатических условиях и напряженности магнитного поля в указанном рабочем отверстии.
На фиг.10 показана функциональная схема магнитооптической измерительной системы. В предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная система предназначена для измерения величины эффекта Фарадея. Эффект Фарадея состоит в повороте плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через образец, помещенный в магнитное поле. Под величиной эффекта Фарадея понимают соответственно значение угла поворота указанной плоскости поляризации.
Магнитооптическая измерительная система содержит источник 44 света с блоком питания 45. В качестве источника света можно использовать лазер, например гелий-неоновый лазер с длиной волны 0,632 мкм. Получаемый монохроматический линейно поляризованный свет попадает на дополнительный поляризатор 46 и далее в выполненную в виде рабочего отверстия 3 рабочую область генератора 17 магнитного поля, описанного выше. В рабочем отверстии 3 оптическая система 47 обеспечивает прохождение оптического излучения через образец 48, закрепленный на держателе 49 образца, в направлении, параллельном направлению магнитного поля в рабочем отверстии 3. Далее свет попадает на поляризатор 50, выполняющий функцию анализатора, и на приемник 51 оптического излучения, в качестве которого может быть использован фотоэлектронный умножитель. Сигнал с приемника 51 оптического излучения поступает на измеритель 52 электрического тока и далее на управляющее устройство 53 для управления магнитооптической системой.
Для измерения напряженности магнитного поля в рабочем отверстии используют измеритель 13 магнитного поля, который может содержать гауссметр 14 и соединенный с ним датчик 15 магнитного поля. Датчик 15 расположен таким образом, что сигнал с него в любой момент времени пропорционален напряженности магнитного поля в рабочем отверстии. Указанный датчик 15 магнитного поля может быть выполнен, в частности, в виде генератора Холла, например HGCA-3020 производства Lake Shore. В качестве гауссметра 14 может быть использован, например, гауссметр 475 DPS производства Lake Shore. Чувствительность датчика 15 магнитного поля предварительно загружают в память гауссметра 14. Гауссметр соединен с управляющим устройством 53 для управления магнитооптической измерительной системой через интерфейс GPIB и предназначен для получения с датчика 15 мгновенных значений напряженности магнитного поля, их предварительной обработки, записи и передачи на управляющее устройство 53.
С помощью управляющего устройства 53 осуществляют управление магнитооптической измерительной системой. Устройство 53 может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство. В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 53 содержит управляющий компьютер, например ROBO-2000-4045 с контроллером NI РСI GPIB 488.2. На управляющем компьютере установлена операционная система Windows XP и управляющее программное обеспечение на базе LabView 8.0, совместимое с операционной системой Windows ХР.
В регулируемом генераторе 17 магнитного поля электрооптической измерительной системы в соответствии с настоящим изобретением шаговый двигатель 4 и описанный выше передаточный механизм 6, расположенные в нижней части корпуса 5, обеспечивают вращение внешнего цилиндра 1 и внутреннего цилиндра 2 в противоположных направлениях. Управление указанным шаговым двигателем осуществляют с помощью устройства 11 для управления двигателем, которое может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 11 для управления двигателем включает контроллер 10 движения, например двухосевой контроллер PCI-7340 производства National Instruments, и модуль 7 электропитания. Указанный модуль передает управляющий сигнал на шаговый двигатель 4 посредством экранированного соединительного кабеля длиной 2 м, снабженного соединителями DB15, и содержит источник 8 питания, например SP-300-24, и микрошаговый драйвер 9, например SMD-78.
Контроллер 10 движения посредством передачи трех управляющих сигналов управляет микрошаговым драйвером 9. В число указанных управляющих сигналов входят запускающий сигнал, сигнал установления направления движения и сигнал тактового импульса для установления скорости вращения. Передачу сигналов осуществляют по соединительному кабелю с 68-разъемным соединителем D типа.
Дополнительное управление микрошаговым драйвером 9 для установки требуемого режима работы шагового двигателя осуществляют с помощью восьми переключателей (не показаны), расположенных на самом драйвере. В частности, с помощью переключателей 1-3 включают ток в обмотках шагового двигателя, с помощью переключателя 4 включают ток удержания позиции, с помощью переключателей 5-8 устанавливают коэффициент деления для тактового импульса, полученного с контроллера 10 движения.
Источник 8 питания, обеспечивающий электропитанием шаговый двигатель 4 и микрошаговый драйвер 9, может выдавать 24 В стабилизированного напряжения при токе 12 А. При работе генератора магнитного поля средний ток модуля 7 электропитания составляет 1,2 А.
Команды, определяющие параметры вращения шагового двигателя 4, передают с управляющего устройства 53 на контроллер 10 движения, который соединен с управляющим устройством через шину PCI.
Для установления в рабочем отверстии 3 требуемой напряженности магнитного поля необходимо с помощью управляющего устройства 53 включить вращение шагового двигателя 4 для соответствующего изменения величины магнитного поля. Также устанавливают требуемую скорость вращения. Величину магнитного поля можно контролировать с помощью интерфейса программного обеспечения управляющего устройства 53, а также по вакуумному флуоресцентному дисплею, расположенному на передней панели гауссметра 14 и отображающему текущую величину напряженности магнитного поля, измеренную с помощью датчика 15 магнитного поля. При достижении требуемого значения напряженности вращение шагового двигателя и соответственно изменение величины магнитного поля прекращают.
Таким образом, с помощью управляющего устройства 53 в магнитооптической измерительной системе реализована обратная связь между управляющим устройством 11 для управления шаговым двигателем и измерителем 13 магнитного поля, которая обеспечивает точное и оперативное управление генератором магнитного поля для получения требуемой величины магнитного поля в рабочем отверстии 3.
Кроме того, с помощью управляющего устройства 53 возможно автоматическое выставление конфигурации генератора магнитного поля, соответствующей нулевому значению поля в рабочем отверстии 3.
max
max
+
Регулируемый генератор магнитного поля магнитооптической измерительной системы позволяет получать переменное во времени магнитное поле, в том числе быстропеременное, со скоростью развертки поля до 200 Гц. Этого достигают непрерывным вращением цилиндров 1 и 2 в противоположных направлениях, при этом в рабочем отверстии происходит периодическое изменение напряженности магнитного поля в диапазоне от -Н до Н.
Генератор может работать в трех режимах, как описано выше.
Требуемый режим переменного магнитного поля устанавливают с помощью управляющего устройства 53.
Измерение угла поворота плоскости поляризации излучения в образце 48, при помещении указанного образца в магнитное поле, создаваемое генератором 17 магнитного поля, проводят следующим образом.
При нулевом значении магнитного поля в рабочем отверстии 3 плоскость поляризатора 50 выставляют перпендикулярно плоскости поляризатора 46. Такое положение соответствует нулевому значению сигнала на измерителе 52 электрического поля. Интерфейс управляющего устройства 53 отображает сигнал с измерителя и, таким образом, обеспечивает контроль указанного сигнала оператором. При генерации в рабочем отверстии 3 отличного от нуля магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации излучения на некоторый угол, что приводит к увеличению сигнала на измерителе 52. Поворачивая плоскость поляризатора 50 до повторного достижения нулевого значения сигнала, измеряют угол поворота плоскости поляризации излучения в образце 48, причем указанный угол равен углу поворота плоскости поляризатора 50, отсчитанному от первоначального положения. Величину указанного угла поворота поляризатора 50 можно определять, например, по шкале нониуса.
При работе в режиме множества циклов магнитооптическая измерительная система может работать как амплитудный модулятор оптического излучения. При этом плоскости поляризаторов 46 и 50 располагают перпендикулярно друг другу, что обеспечивает нулевой сигнал на выходе поляризатора 50 при отсутствии магнитного поля в рабочем отверстии 3. При периодическом изменении магнитного поля, воздействующего на образец 48, происходит периодическое изменение величины угла поворота плоскости поляризации излучения, что, соответственно, обеспечивает амплитудную модуляцию оптического сигнала.
Управляющее устройство 53 получает, записывает, сохраняет данные измерений угла поворота плоскости поляризации излучения и величины магнитного поля на жестком диске, формирует зависимости угла поворота плоскости поляризации от времени, напряженности магнитного поля от времени и угла поворота плоскости поляризации от напряженности магнитного поля, а также отображает полученные зависимости, например в виде графиков.
Отметим, что представленная магнитооптическая измерительная система может содержать регулируемый генератор магнитного поля, выполненный не только на основе цилиндров Хальбаха, но и на основе других структур Хальбаха, в частности на основе сфер Хальбаха.
Также генератор магнитного поля может содержать постоянные магниты в виде цилиндров, как описано выше.
Также следует отметить, что применение магнитооптической измерительной системы в соответствии с настоящим изобретением не ограничено измерением эффекта Фарадея, указанную систему можно применять и для исследования других магнитооптических явлений. Например, указанную систему можно применять для наблюдения эффекта Зеемана, который состоит в расщеплении энергетических уровней и спектральных линий атомов и других систем под действием магнитного поля. В этом случае магнитооптическая измерительная система может дополнительно содержать спектрометрический прибор.
На фиг.11 показана функциональная схема магнитоакустической измерительной системы, предназначенная для измерения магнитоакустических эффектов. В общем случае к магнитоакустическим эффектам относятся зависимости амплитуды, частоты, скорости распространения и поляризации акустической волны от величины напряженности магнитного поля, воздействующего на среду, в которой распространяется акустическая волна.
Магнитоакустическая измерительная система в соответствии с настоящим изобретением предназначена, в частности, для измерения величины магнитоакустического эффекта, выраженного в изменении амплитуды акустической волны при воздействии на среду, по которой распространяется акустическая волна, магнитного поля.
Магнитоакустическая измерительная система содержит акустический генератор 54 для генерации акустического сигнала. Под акустическим сигналом здесь и далее понимается сигнал в звуковом и ультразвуковом диапазонах.
3
В выполненной в виде рабочего отверстия 3 рабочей области генератора 17 магнитного поля, описанного выше, расположен держатель 55 образца, на котором размещают две области немагнитной среды 56, 57 и заключенный между указанными областями образец 58. Указанный образец соединен с указанными областями по поверхностям Q1 и Q2. Немагнитная среда может быть выполнена, например, в виде кристалла ниобата лития LiNbO.
Магнитоакустическая измерительная система также содержит устройство 59 для измерения уровня акустического сигнала, которое может быть выполнено, например, в виде акустического спектрометра. Устройство 59 соединено с управляющим устройством 60 для управления магнитоакустической измерительной системой.
Для измерения напряженности магнитного поля в рабочем отверстии используют измеритель 13 магнитного поля, который может содержать гауссметр 14 и соединенный с ним датчик 15 магнитного поля. Датчик 15 расположен таким образом, что сигнал с него в любой момент времени пропорционален напряженности магнитного поля в рабочем отверстии. Указанный датчик 15 магнитного поля может быть выполнен, в частности, в виде генератора Холла, например HGCA-3020 производства Lake Shore. В качестве гауссметра 14 может быть использован, например, гауссметр 475 DPS производства Lake Shore. Чувствительность датчика 15 магнитного поля предварительно загружают в память гауссметра 14. Гауссметр соединен с управляющим устройством 60 для управления магнитооптической измерительной системой через интерфейс GPIB и предназначен для получения с датчика 15 мгновенных значений напряженности магнитного поля, их предварительной обработки, записи и передачи на управляющее устройство 60.
С помощью управляющего устройства 60 осуществляют управление магнитооптической измерительной системой. Устройство 60 может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство. В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 60 содержит управляющий компьютер, например ROBO-2000-4045 с контроллером NI PCI GPIB 488.2. На управляющем компьютере установлена операционная система Windows XP и управляющее программное обеспечение на базе LabView 8.0, совместимое с операционной системой Windows XP.
В регулируемом генераторе 17 магнитного поля электрооптической измерительной системы шаговый двигатель 4 и описанный выше передаточный механизм 6, расположенные в нижней части корпуса 5, обеспечивают вращение внешнего цилиндра 1 и внутреннего цилиндра 2 в противоположных направлениях. Управление указанным шаговым двигателем осуществляют с помощью устройства 11 для управления двигателем, которое может включать по меньшей мере одно вычислительное устройство.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 11 для управления двигателем включает контроллер 10 движения, например двухосевой контроллер PCI-7340 производства National Instruments, и модуль 7 электропитания. Указанный модуль передает управляющий сигнал на шаговый двигатель 4 посредством экранированного соединительного кабеля длиной 2 м, снабженного соединителями DB15, и содержит источник 8 питания, например SP-300-24, и микрошаговый драйвер 9, например SMD-78.
Контроллер 10 движения посредством передачи трех управляющих сигналов управляет микрошаговым драйвером 9. В число указанных управляющих сигналов входят запускающий сигнал, сигнал установления направления движения и сигнал тактового импульса для установления скорости вращения. Передачу сигналов осуществляют по соединительному кабелю с 68-разъемным соединителем D типа.
Дополнительное управление микрошаговым драйвером 9 для установки требуемого режима работы шагового двигателя осуществляют с помощью восьми переключателей (не показаны), расположенных на самом драйвере. В частности, с помощью переключателей 1-3 включают ток в обмотках шагового двигателя, с помощью переключателя 4 включают ток удержания позиции, с помощью переключателей 5-8 устанавливают коэффициент деления для тактового импульса, полученного с контроллера 10 движения.
Источник 8 питания, обеспечивающий электропитанием шаговый двигатель 4 и микрошаговый драйвер 9, может выдавать 24 В стабилизированного напряжения при токе 12 А. При работе генератора магнитного поля средний ток модуля 7 электропитания составляет 1,2 А.
Команды, определяющие параметры вращения шагового двигателя 4, передают с управляющего устройства 60 на контроллер 10 движения, который соединен с управляющим устройством через шину PCI.
Для установления в рабочем отверстии 3 требуемой напряженности магнитного поля необходимо с помощью управляющего устройства 60 включить вращение шагового двигателя 4 для соответствующего изменения величины магнитного поля. Также устанавливают требуемую скорость вращения. Величину магнитного поля можно контролировать с помощью интерфейса программного обеспечения управляющего устройства 60, а также по вакуумному флуоресцентному дисплею, расположенному на передней панели гауссметра 14 и отображающему текущую величину напряженности магнитного поля, измеренную с помощью датчика 15 магнитного поля. При достижении требуемого значения напряженности вращение шагового двигателя и, соответственно, изменение величины магнитного поля прекращают.
С помощью управляющего устройства 60 в магнитоакустической измерительной системе реализована обратная связь между управляющим устройством 11 для управления шаговым двигателем и измерителем 13 магнитного поля, которая обеспечивает точное и оперативное управление генератором магнитного поля для получения требуемой величины магнитного поля в рабочем отверстии 3.
Кроме того, с помощью управляющего устройства 60 возможно автоматическое выставление конфигурации генератора магнитного поля, соответствующей нулевому значению поля в рабочем отверстии 3.
max
max
+
Регулируемый генератор магнитного поля магнитооптической измерительной системы позволяет получать переменное во времени магнитное поле, в том числе быстропеременное, со скоростью развертки поля до 200 Гц. Этого достигают непрерывным вращением цилиндров 1 и 2 в противоположных направлениях, при этом в рабочем отверстии происходит периодическое изменение напряженности магнитного поля в диапазоне от -Н до Н.
Генератор может работать в трех режимах в зависимости от того, в течение какой части полного цикла изменения магнитного поля проводят измерения: в режиме половины цикла, режиме одного цикла и режиме множества циклов. Реализация указанных режимов аналогична, например, их реализации в магнитооптической измерительной системе, описанной выше.
Управляющее устройство 60 также соединено с акустическим генератором 54. С помощью интерфейса программного обеспечения устройства 60 можно управлять указанным акустическим генератором 54, задавая параметры создаваемого им акустического сигнала, такие как амплитуда, частота, поляризация и длительность импульса.
При измерении магнитоакустического эффекта с помощью акустического генератора 54 в области немагнитной среды 56 создают акустическую волну. Указанная волна проходит через поверхность Q1 в образец 58, далее через поверхность Q2 - во вторую область немагнитной среды 57, после чего попадает в приемный тракт устройства 59 для измерения уровня акустического сигнала. Величину магнитоакустического эффекта определяют как отношение
,
0
где A - амплитуда входного акустического сигнала на поверхности Н1, А(Н) - амплитуда выходного акустического сигнала на поверхности Н2 как функция напряженности магнитного поля в рабочем отверстии 3. Измеренное устройством 59 для измерения уровня акустического сигнала значение амплитуды выходного акустического сигнала поступает на управляющее устройство 60.
0
Управляющее устройство 60 получает, записывает, сохраняет данные измерений амплитуды выходного акустического сигнала и величины магнитного поля на жестком диске, а также записывает и сохраняет на жестком диске значения амплитуды входного акустического сигнала, создаваемого акустическим генератором 54. Кроме того, управляющее устройство 60 формирует зависимости амплитуд входного и выходного акустических сигналов и напряженности магнитного поля от времени, амплитуды выходного акустического сигнала и величины магнитоакустического эффекта А(Н)/А от напряженности магнитного поля, а также отображает полученные зависимости, например в виде графиков.
Отметим, что представленная магнитооптическая измерительная система может содержать регулируемый генератор магнитного поля, выполненный не только на основе цилиндров Хальбаха, но и на основе других структур Хальбаха, в частности на основе сфер Хальбаха.
Также генератор магнитного поля может содержать постоянные магниты в виде цилиндров, как описано выше.
0
Также следует отметить, что применение заявляемой магнитооптической измерительной системы не ограничено измерением величины А(Н)/А. Указанную систему можно применять для оценки магнитоакустических эффектов, выраженных в изменении частоты, скорости распространения и поляризации акустической волны. В этом случае в систему могут быть введены дополнительные устройства для измерения указанных параметров.
E
На фиг.12 показана функциональная схема магнитоэлектрической измерительной системы, предназначенной для измерения магнитоэлектрического эффекта. Здесь и далее под магнитоэлектрическим эффектом понимают изменение электрической поляризации образца во внешнем магнитном поле. В частности, в настоящее время большой интерес представляют исследования магнитоэлектрического эффекта в многослойных композитных структурах, содержащих слои магнитострикционных и пьезоэлектрических материалов, что обусловлено значительной величиной этого эффекта в указанных структурах и перспективами создания на их основе датчиков магнитных полей, твердотельных преобразователей напряжения и электрогенераторов. В таких структурах магнитоэлектрический эффект является следствием взаимодействия слоев из разных материалов. Под воздействием магнитного поля слои из магнитострикционного материала испытывают деформацию, что, в свою очередь, приводит к деформации механически связанных с ним слоев пьезоэлектрического материала. Деформация последних обусловливает изменение их электрической поляризации в силу пьезоэффекта. В результате на поверхности структуры происходит генерация связанных зарядов, которые создают электрическое поле E=U/d, где U - разность потенциалов, d - толщина структуры. Величину магнитоэлектрического эффекта характеризует магнитоэлектрический коэффициент α=Е/Н, где Н - напряженность магнитного поля.
Магнитоэлектрическая измерительная система содержит генератор 17 магнитного поля, описанный выше. В рабочую область указанного генератора, выполненную в виде рабочего отверстия 3, помещен держатель 61 образца, выполненный с возможностью закрепление на нем образца 62. Образец 62 располагают между обкладками 63, соединенными через усилитель 64 напряжения с измерительным устройством 65 для измерения электрического напряжения, которое, в свою очередь, соединено с управляющим устройством 66 для управления магнитоэлектрической измерительной системой. Измерительное устройство 65 может быть выполнено, например, в виде осциллографа.
Для измерения напряженности магнитного поля в рабочем отверстии используют измеритель 13 магнитного поля, который может содержать гауссметр 14 и соединенный с ним датчик 15 магнитного поля. Датчик 15 расположен таким образом, что сигнал с него в любой момент времени пропорционален напряженности магнитного поля в рабочем отверстии. Указанный датчик 15 магнитного поля может быть выполнен, в частности, в виде генератора Холла, например HGCA-3020 производства Lake Shore. В качестве гауссметра 14 может быть использован, например, гауссметр 475 DPS производства Lake Shore. Чувствительность датчика 15 магнитного поля предварительно загружают в память гауссметра 14. Гауссметр соединен с управляющим устройством 66 для управления магнитоэлектрической измерительной системой через интерфейс GPIB и предназначен для получения с датчика 15 мгновенных значений напряженности магнитного поля, их предварительной обработки, записи и передачи на управляющее устройство 66.
С помощью управляющего устройства 66 осуществляют управление магнитоэлектрической измерительной системой. Устройство 66 может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство. В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 66 содержит управляющий компьютер, например ROBO-2000-4045 с контроллером NI PCI GPIB 488.2. На управляющем компьютере установлена операционная система Windows XP и управляющее программное обеспечение на базе LabView 8.0, совместимое с операционной системой Windows XP.
В регулируемом генераторе 17 магнитного поля магнитоэлектрической измерительной системы шаговый двигатель 4 и описанный выше передаточный механизм 6, расположенные в нижней части корпуса 5, обеспечивают вращение внешнего цилиндра 1 и внутреннего цилиндра 2 в противоположных направлениях. Управление указанным шаговым двигателем осуществляют с помощью устройства 11 для управления двигателем, которое может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 11 для управления двигателем включает контроллер 10 движения, например двухосевой контроллер PCI-7340 производства National Instruments, и модуль 7 электропитания. Указанный модуль передает управляющий сигнал на шаговый двигатель 4 посредством экранированного соединительного кабеля длиной 2 м, снабженного соединителями DB15, и содержит источник 8 питания, например SP-300-24, и микрошаговый драйвер 9, например SMD-78.
Контроллер 10 движения посредством передачи трех управляющих сигналов управляет микрошаговым драйвером 9. В число указанных управляющих сигналов входят запускающий сигнал, сигнал установления направления движения и сигнал тактового импульса для установления скорости вращения. Передачу сигналов осуществляют по соединительному кабелю с 68-разъемным соединителем D типа.
Дополнительное управление микрошаговым драйвером 9 для установки требуемого режима работы шагового двигателя осуществляют с помощью восьми переключателей (не показаны), расположенных на самом драйвере. В частности, с помощью переключателей 1-3 включают ток в обмотках шагового двигателя, с помощью переключателя 4 включают ток удержания позиции, с помощью переключателей 5-8 устанавливают коэффициент деления для тактового импульса, полученного с контроллера 10 движения.
Источник 8 питания, обеспечивающий электропитанием шаговый двигатель 4 и микрошаговый драйвер 9, может выдавать 24 В стабилизированного напряжения при токе 12 А. При работе генератора магнитного поля средний ток модуля 7 электропитания составляет 1,2 А.
Команды, определяющие параметры вращения шагового двигателя 4, передают с управляющего устройства 66 в контроллер 10 движения, который соединен с управляющим устройством через шину PCI.
Для установления в рабочем отверстии 3 требуемой напряженности магнитного поля необходимо с помощью управляющего устройства 66 включить вращение шагового двигателя 4 для соответствующего изменения величины магнитного поля. Также устанавливают требуемую скорость вращения. Величину магнитного поля можно контролировать с помощью интерфейса программного обеспечения управляющего устройства 66, а также по вакуумному флуоресцентному дисплею, расположенному на передней панели гауссметра 14 и отображающему текущую величину напряженности магнитного поля, измеренную с помощью датчика 15 магнитного поля. При достижении требуемого значения напряженности вращение шагового двигателя и, соответственно, изменение величины магнитного поля прекращают.
С помощью управляющего устройства 66 в магнитоэлектрической измерительной системе реализована обратная связь между управляющим устройством 11 для управления шаговым двигателем и измерителем 13 магнитного поля, которая обеспечивает точное и оперативное управление генератором магнитного поля для получения требуемой величины магнитного поля в рабочем отверстии 3.
Кроме того, с помощью управляющего устройства 66 возможно автоматическое выставление конфигурации генератора магнитного поля, соответствующей нулевому значению поля в рабочем отверстии 3.
max
max
+
Регулируемый генератор магнитного поля магнитооптической измерительной системы позволяет получать переменное во времени магнитное поле, в том числе быстропеременное, со скоростью развертки поля до 200 Гц. Этого достигают непрерывным вращением цилиндров 1 и 2 в противоположных направлениях, при этом в рабочем отверстии происходит периодическое изменение напряженности магнитного поля в диапазоне от -Н до Н.
Генератор может работать в трех режимах в зависимости от того, в течение какой части полного цикла изменения магнитного поля проводят измерения: в режиме половины цикла, режиме одного цикла и режиме множества циклов. Реализация указанных режимов аналогична, например, их реализации в магнитооптической измерительной системе, описанной выше.
Измерение величины магнитоэлектрического эффекта с помощью магнитоэлектрической измерительной системы в соответствии с настоящим изобретением проводят следующим образом.
С помощью генератора 17 магнитного поля в рабочем отверстии 3 создают магнитное поле, причем указанное поле может быть как постоянным, так и переменным во времени в соответствии с одним из трех вышеописанных режимом работы указанного генератора.
Электрическое напряжение на обкладках 63, генерируемое под воздействием магнитного поля на образец 62, усиливают усилителем 64 напряжения и измеряют измерительным устройством 65 для измерения электрического напряжения. Информация о величине указанного напряжения поступает на управляющее устройство 66.
E
Управляющее устройство 66 получает, записывает и сохраняет данные измерений величин электрического напряжения и магнитного поля на жестком диске. Кроме того, управляющее устройство 66 формирует зависимости электрического напряжения и напряженности магнитного поля от времени, электрического напряжения от напряженности магнитного поля, магнитоэлектрического коэффициента α от времени, а также отображает полученные зависимости, например в виде графиков.
Отметим, что представленная магнитооптическая измерительная система может содержать регулируемый генератор магнитного поля, выполненный не только на основе цилиндров Хальбаха, но и на основе других структур Хальбаха, в частности на основе сфер Хальбаха.
Также генератор магнитного поля может содержать постоянные магниты в виде цилиндров, как описано выше.
Отметим также, что описанные выше предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения приведены в качестве примеров и не могут рассматриваться как ограничивающие область его применения. Объем охвата настоящего изобретения определен пунктами формулы изобретения и включает комбинации и подкомбинации различных вышеописанных признаков, так же как их модификации и изменения.