Установка для исследования и юстировки магнитных полей

АСУ. ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

УДК 539.107.8: 538.244.2

УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЮСТИРОВКИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Н.К. АНДРЕЕВ, А.Н. ЦВЕТКОВ

Казанский государственный энергетический университет

Описывается установка для измерения распределения и юстировки магнитного поля соленоидов. Установка состоит из холловских и ЯМР-датчиков, координатного стола, корректирующих и градиентных катушек и персонального компьютера, управляющего работой всей установки. Установка позволяет настраивать поля с

точностью отклонения 10_5 —10_6 от заданной однородности в рабочем объеме.

Введение

В настоящее время в датчиках контроля технологических процессов, например ЯМР-анализаторах состава воды и горючих смесей и расходомерах для электростанций используются прецизионные магнитные системы. При изготовлении магнитных систем неизбежны отклонения от их проектных параметров. Поэтому даже в поточном производстве каждую магнитную систему приходится налаживать индивидуально, что может стать длительным процессом при ручной наладке. Эффективность процесса наладки магнитных систем можно повысить с помощью автоматизированных стендов. В данной работе рассматривается автоматизированная установка для исследования конфигурации магнитного поля и юстировки соленоидов.

Основные принципы юстировки

Функции, которые должна выполнять установка, можно изложить на базе анализа принципов юстировки.

Обычно при проектировании магнитной системы задаются такие характеристики, как среднее значение напряженности Но магнитного поля, форма, размеры и другие особенности рабочей области, а также допуск АН на отклонение напряженности магнитного поля в рабочей области от Но [1].

Источниками магнитного поля в магнитной системе могут служить катушки с током и намагниченные тела. Изготовленная магнитная система включает в себя юстировочные элементы. В качестве юстировочных элементов выступают элементы механической регулировки и датчики положения и ориентации катушек соленоида, регуляторы и датчики тока собственных и корректирующих катушек соленоида.

© Н.К. Андреев, А.Н. Цветков

Проблемы энергетики, 2004, № 5-6

Под юстировкой магнитной системы принято понимать такие изменения пространственного положения (х1,у1 ,г1,0i,фi), токов II и магнитной энергии W^ источников, которые приводят к получению требуемых параметров магнитного поля в заданной рабочей области. Эти изменения ниже будут называться регулировками и обозначаться q^. Здесь l — номер источника.

При анализе начало координат расположим в центре симметрии системы. Разложим в ряд Тейлора компоненту Hz напряженности поля вдоль

цилиндрической оси системы и представим этот ряд в виде разложения по градиентам поля Gt различного порядка (* = x,у,г,хх,уу,гг,xz,xy,yz...):

Hz (х, У, г) = Нг (0,0,0)+ гСъ + хах + уСу +

+ г 2Gzz + х 2Gхх + У2 Gуу + ^хг + ^ху + УZGyz +...,

дНг д2 Н7

где Gx =-гг; Gxy =-г-дг и т. д. дх * дхду

Для однородного поля в точках внутри рабочей области должны выполняться равенства Gt = 0 для всех * и Нг (х, у, г)= Н 0= Нг (0,0,0). Это условие

можно сформулировать как условие минимума функционала

N

^

I=1

с АН / Н0 й (АН / Н0 )заданное, где суммирование по значениям поля производится в

выбранных N точках рабочей области. В каждой точке с номером 1 поле Н (хI, уI, г1) складывается из магнитных полей всех источников

Нг(х1, уI, г,) = 2 Нг^(х1, уI, г,) + 2 н гтг (х1, уI, г,) + 2Н

гсп

где описывает поле «-той катушки соленоида; Нгп1Г - поле г-го

ферромагнитного тела или постоянного магнита в конструкции и ближайшем окружении соленоида. Слагаемые Н7.сп в выражении (3) учитывают вклады в

поле п-й катушки и других источников, которые введены в систему для компенсации градиентов исходной системы.

В результате достаточно малого регулировочного воздействия магнитное поле получает приращение

АН = £1%;,

г

п

где к± =-----------коэффициент чувствительности магнитной системы на приращение

^I

регулировочного параметра q l. Значения коэффициентов к1 в данной точке пространства параметров qi определяются из теоретической или

экспериментальной модели магнитной системы путем проведения виртуальных или реальных регулировок. Заметим, что наличие предварительно

подготовленной модели может сильно ускорить процесс юстировки.

Цепочка действий в процессе юстировки включает построение теоретической модели поля исходной магнитной системы, проведение измерений поля в выбранных точках рабочей области, сравнение заданных значений поля с измеренными значениями, вычисление направления и величины регулировок в соответствии с моделью системы, выполнение необходимых регулировок. Далее действия циклически повторяются до тех пор, пока не будет удовлетворено с заданной точностью условие (2).

На втором этапе юстировки в зависимости от вида датчика ЯМР измерение выполняется методами одномерной (1М), двумерной (2М) или трехмерной (3М) ЯМР-интроскопии [2].

Преобразование частот в спектрах в координаты осуществляется по формуле

Аю = ю-ю0 =yGXx .

В результате юстировки спектры сигналов от всех выделенных локальных областей рабочего объема должны слиться в одну узкую линию, ширина которой свидетельствует о результирующей неоднородности поля в рабочем объеме.

Аппаратура

Установка для исследования и юстировки магнитных полей (рис. 1) состоит из следующих основных частей: 1) датчиков магнитного поля, 2) персонального компьютера, 3) контроллера для управления юстировочными элементами магнитной системы.

В качестве датчиков магнитного поля используются датчики Холла и датчики ЯМР. Координатный стол (позиционер), снабженный системой измерения и задания положения, служит для точного позиционирования датчиков. Причем на первом этапе юстировки, когда градиенты магнитного поля могут быть еще велики, измерения проводятся датчиками Холла. Точность измерения датчиков Холла позволяет отрегулировать и снизить относительную неоднородность поля до уровня 10-3 -10-4. На втором этапе, когда достигнутая однородность поля в рабочей области после первых этапов позволяет уверенно наблюдать сигнал ЯМР, для точной юстировки применяются датчики ЯМР. С помощью датчика ЯМР можно снизить относительный уровень неоднородности поля до значений 10-5 -10-6.

Радиочастотные (РЧ) катушки датчика ЯМР с образцом могут быть различных типов. Проще всего использовать РЧ-катушку достаточно малого размера по сравнению с размерами рабочей области. Значительно ускоряется процесс измерения с системой электрически связанных между собой и резонирующих как единое целое на одной частоте катушек, положения которых в рабочей области заранее определены. В последнее время чаще всего применяют

РЧ-катушки, внутри которых размещается весь рабочий объем. Внутри катушки располагается тестовый образец с рабочим веществом. В качестве резонансного вещества удобно взять раствор парамагнитной соли в воде.

РС

ПРОГРАМ-

МАТОР

МОДУЛЯТОР

РЧ

ГРАДИЕНТНЫЕ

УСИЛИТЕЛИ

В

0

ГРАД. КАТУШКИ

ПОЗИЦИОНЕР ДАТЧИК ХОЛЛА ОБРАЗЕЦ

ГРАД. КАТУШКИ

АЦП

ФЧД

РЧ

л

ДИСПЛЕИ

ИСТОЧНИК

- ПИТАНИЯ МАГНИТА

СИСТЕ-

МА

ОХЛАЖ-

ДЕНИЯ

ТЕРМОС-

ТАТ

Рис. 1. Функциональная схема установки для исследования и юстировки магнитных полей

Персональный компьютер выполняет следующие функции: 1) хранит программы теоретической модели магнитной системы, по которым рассчитываются значения напряженности и градиентов магнитного поля, коэффициенты чувствительности, значения и направления регулировочных воздействий; 2) считывает и хранит значения напряженности магнитного поля, а также координаты точек, в которых измерялось поле; 3) хранит программы измерений и импульсных последовательностей ЯМР; 4) загружает в оперативное запоминающее устройство программатора импульсные последовательности ЯМР; 5) управляет регулировками.

Программатором часто называют генератор времязадающих и управляющих импульсов [3]. Программатор является промежуточным звеном между персональным компьютером, датчиками и исполнительными устройствами. Программатор выдает в заданные моменты времени импульсы на управление формой, фазой и частотой выходных импульсов передатчика, а также мощных усилителей тока градиентов магнитного поля, управляет аналогоцифровым преобразованием сигналов с датчиков Холла и ЯМР и передачей их в

компьютер. Программатор преобразует коды команд из компьютера в сигналы управления исполнительными устройствами для выполнения регулировок. Программатор с помощью своего достаточно мощного оперативного запоминающего устройства разгружает компьютер для выполнения функций обработки сигналов.

Датчик ЯМР вместе с исследуемой магнитной системой и компьютером представляет собой импульсный фурье-спектрометр ЯМР. Он обеспечивает выдачу резонансных селективных и мощных возбуждающих импульсов радиочастотной мощности в катушки датчиков и возбуждение сигналов ЯМР в образцах, прием и фазочувствительное детектирование сигналов. Квадратурные сигналы ЯМР через АЦП заводятся в ОЗУ компьютера и далее подвергаются фурье-преобразованию [4].

Важной частью установки является набор корректирующих и градиентных катушек. Как правило, в настоящее время используются системы корректирующих катушек, генерирующих ортогональные градиенты поля.

Для магнитной кодировки положения спинов по координатам используются постоянные и импульсные линейные градиенты магнитного поля. Линейность амплитудных и пространственных характеристик х, у, г-градиентов в рабочей области должна выдерживаться с точностью порядка 1 %. В связи с этим в настоящее время разработаны специальные методы синтеза градиентных катушек.

Синтез линейных градиентов поля

Синтез линейных градиентов поля производится посредством выбора положения и угла раствора катушек, состоящих из круговых витков и дуг.

В сверхпроводящих и резистивных соленоидах применяют градиентные и корректирующие катушки, расположенные на цилиндрической поверхности. Градиент GZ создают с помощью пар круговых витков, расположенных в

плоскости перпендикулярно оси г, с противоположными направлениями токов I. Первоначальное расположение витков ищется по условию

P4

Это соответствует отношению координаты положения витка к его среднему радиусу Zi / го = 0,87. На протяжении примерно 40 % области с радиусом 40 см можно получить значение 2,25 % для среднеквадратичного отклонения (с.к.о.) градиента от линейного закона. В случае двух пар круговых витков, расположенных при Zi/ ^0 =1,10 и г 2/ Г) =0,37 с противоположными направлениями токов и количеством витков N2 / N = 1/9, можно получить с.к.о. = 0,11 % на протяжении примерно 40 % рабочей области.

Градиенты Gx и Gy создают с помощью седловидных катушек. Выражения

для градиентов поля дуги с углом раствора 20 и радиусом Г выглядят следующим образом:

0 2 2 2

п - kI f [sina(2 - х cosa-у sina-х + 2у - г ) - 3у(1 - у cosa)]dia,

Gy = j С 2 2 21^2 ,

г -0 Н - 2(хcosa + у sina) + х + у + z I

2 2

соз а + у зт а) + х + у + г

Здесь а - текущее угловое положение элемента дуги в цилиндрической системе координат; I - сила тока.

В конфигурации катушки О у с углом 20 = 120 °, со средним радиусом

г0 = 44 см, г1/ г0 = 1,64 и г2/ г0 = 0,40 среднеквадратичное отклонение от линейности на радиусе 17 см равно 5,1 %.

Улучшение линейности градиента до 1,12 % может быть достигнуто, если в центральной области системы четыре дуги заменить четырьмя парами дуг с тем же направлением токов и параметрами: 20 = 125,7 °; г1 / г0 = 1,54; г 2 / г0 = 1,00 для прямого тока; г3 / г0 = 0,24 для обратного тока; г0 = 40 см; N3 / ^2 = 4/9; N1 = N 3 + N 2 .

Параметры установки

Частотный диапазон 1 - 10 МГц.

Передатчик выполнен по схеме, описанной в работе [5].

Программатор выполнен по схеме [6], модифицированной для подсоединения к персональному компьютеру типа 1ВМ РС и выполнения указанных выше задач.

Результаты эксперимента

На рис. 2 приведен пример результатов юстировки поля вдоль оси соленоида.

3 2 0 0 -

8 Н

3 0 0 0 -

2 8 0 0 -

2 6 0 0 -

2 40 0 -

2 2 0 0 -

2 0 0 0 -

1 8 0 0 -

16 0 0

-3 0 -2 0 -1 0 0

10 2 0 3 0

Рис. 2. Результаты настройки поля соленоида: C - конфигурация поля соленоида вдоль оси до юстировки; B - поле соленоида после настройки (отклонение от однородности в области длиной 40 см на уровне 2,3 • 10-5); сплошная линия - аппроксимация поля B полиномом Соленоид проектировался так, чтобы создавать однородное поле 0,02 Тл на уровне 10-5 в рабочей области в форме цилиндра длиной 40 и диаметром 25 см. После проведения механических юстировок была достигнута относительная неоднородность 400 / 960000 = 4,16 • 10-4. Последующая юстировка с помощью

четырехкатушечного ЯМР-датчика дала относительную неоднородность 2,3 • 10-5. Аппроксимация поля полиномом четвертой степени показывает, что после юстировки сильные градиенты поля возникают на границе рабочей области.

Выводы

1. В работе описаны метод и прибор для юстировки магнитных полей.

2. Ввиду наличия в комплекте датчиков Холла и ЯМР метод и прибор являются достаточно универсальными с возможностью работы в неоднородных и однородных магнитных полях. Прибор при смене датчиков и регулирующих элементов можно использовать для настройки поля в рабочих объемах различного размера.

3. В отличие от часто применяемого в настройке магнитных полей метода

проб и ошибок, который не всегда дает успешный результат, применение

автоматизированной настройки с использованием расчетной модели магнитной системы значительно облегчает и ускоряет процесс юстировки.

Summary

The equipment for magnetic field measurement and adjustment is described. The equipment consists of the Hall and NMR transducers, positioning table, correction and gradient coils and personal computer for control of the whole equipment. The described equipment is

able to adjust magnetic fields up to 10-5 -10-6 of the relative homogeneity.

Литература

1. Андреев Н.К., Зарипов М.Р., Хасанов Р.Ф. ЯМР-интроскоп: проблема создания основного магнитного поля // В кн.: Радиоспектроскопия. - Пермь: Пермский ун-т, 1985. - C.287 - 290.

2. Сороко Л.М. Интроскопия на основе ядерного магнитного резонанса. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

3. Зарипов М.Р., Хасанов Р.Ф., Андреев Н.К. Программатор в стандарте КАМАК для ЯМР-интроскопа // В кн.: Радиоспектроскопия. Материалы IX Всесоюзной школы по магнитному резонансу. - Пермь; Пермский ун-т, 1987.

- С. 330 - 333.

4. Андреев Н.К., Зарипов М.Р., Хасанов Р.Ф. Вычислительно-отображающий комплекс ЯМР-интроскопа // В кн.: Радиоспектроскопия. - Пермь: Пермский ун-т, 1985. - C. 291 - 297.

5. Петухов С.А., Зеленин В.П., Мельников А.К., Зехов С.В., Болховский В.Л. Оконечный усилитель мощности для экспериментов по ЯМР-томографии // В кн.: Радиоспектроскопия. - Пермь: Пермский ун-т, 1985. - C. 334 - 336.

Программный генератор импульсных последовательностей для ЯМР (ЯКР)-спектрометра Шагалов В.А., Анашкин В.Н., Губайдуллин Ф.Ф. и др. // Приборы и техника эксперимента. - 1998. - № 2. - С. 48 - 51.

Поступила .24.06.2003