СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА
METHOD FOR DETERMINING MAGNETIC PROPERTIES OF A MATERIAL

Заявленное изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения магнитных свойств материалов.
В настоящее время известны различные способы определения магнитных свойств материалов, основанные на помещении образца исследуемого материала в магнитное поле и последующем измерении его магнитных характеристик (см., в частности, Fausto Fiorillo. ((Measurements of magnetic materials)), Metrologia, 47 (2010), стр. 114-142).
Общим недостатком известных способов является использование сложных электронных средств, обусловленное необходимостью измерения магнитных характеристик исследуемых материалов, в том числе, и для определения их принадлежности к определенному классу магнитных материалов (ферромагнетикам, парамагнетикам или диамагнетикам), что усложняет реализацию этих способов и, следовательно, ограничивает возможность их применения.
Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании способа определения магнитных свойств материала, который позволяет без применения сложных электронных средств исследовать образцы материалов самого разного размера (от маленьких образцов, размерами в несколько сотен микрометров, до больших и массивных образцов, размерами в единицы и десятки сантиметров).
При этом достигается технический результат, заключающийся в возможности определения принадлежности исследуемого материала к определенному классу магнитных материалов без необходимости в трудоемком измерении его магнитных характеристик.
Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания способа определения магнитных свойств материала, в котором:
- в заданной области пространства размещают мишень, изготовленную из исследуемого материала (неизвестного материала либо материала с неизвестными магнитными свойствами),
- создают в упомянутой заданной области пространства (в непосредственной близости от поверхности исследуемого материала) магнитное поле, силовые линии которого имеют составляющую, параллельную поверхности упомянутой мишени,
- нагревают поверхность упомянутой мишени до температуры, при которой происходит, по меньшей мере, частичное расплавление исследуемого материала,
- осуществляют ударное воздействие на нагретую поверхность упомянутой мишени, в результате которого происходит вылет частиц исследуемого материала и их оседание на поверхности упомянутой мишени,
- фиксируют картину распределения частиц исследуемого материала на поверхности упомянутой мишени, соответствующую картине распределения магнитного поля в заданной области пространства, и
- сопоставляют ее с картинами распределения частиц известных материалов на поверхностях мишеней с идентичными геометрическими характеристиками, полученными в упомянутой заданной области пространства в условиях действия магнитного поля с идентичными свойствами.
Источник упомянутого магнитного поля и/или источник упомянутого нагрева и/или источник упомянутого ударного воздействия могут быть как изначально размещенными в заданной области пространства, так и размещаться в ней в связи с необходимостью обеспечить присутствие магнитного поля и/или нагрев и/или ударное воздействие.
В одном из частных вариантов, в качестве источника упомянутого магнитного поля, а также источника упомянутого нагрева, а также источника упомянутого ударного воздействия используют установку плазменного фокуса, при этом упомянутую мишень размещают в разрядной камере упомянутой установки на заданном расстоянии от ее анода и воздействуют на поверхность упомянутой мишени одиночным плазменным импульсом или серией таких импульсов.
В другом частном варианте, в качестве источника упомянутого магнитного поля, а также источника упомянутого нагрева, а также источника упомянутого ударного воздействия используют лазерную установку, при этом упомянутую мишень размещают на заданном расстоянии от выходного окна упомянутой установки и воздействуют на поверхность упомянутой мишени одиночным лазерным импульсом или серией таких импульсов.
В еще одном частном варианте, в качестве источника упомянутого магнитного поля используют, по меньшей мере, один постоянный твердотельный или электрический магнит.
В еще одном частном варианте, упомянутый нагрев поверхности упомянутой мишени осуществляют с помощью индуктора.
В еще одном частном варианте, упомянутый нагрев поверхности упомянутой мишени осуществляют с помощью токового контура, расположенного в непосредственной близости от поверхности упомянутой мишени с той же стороны, с которой наблюдается оседание частиц упомянутого материала.
В еще одном частном варианте, упомянутый нагрев поверхности упомянутой мишени осуществляют посредством пропускания электрического тока через упомянутую мишень.
В еще одном частном варианте, упомянутое ударное воздействие на нагретую поверхность упомянутой мишени осуществляют посредством механического удара в центр упомянутой мишени со стороны, обратной стороне, с которой наблюдается оседание частиц упомянутого материала.
В еще одном частном варианте, в качестве источника механического удара используют механический ударник.
В еще одном частном варианте, в качестве источника механического удара используют пьезоэлемент, расположенный на поверхности упомянутой мишени со стороны, обратной стороне, с которой наблюдается оседание частиц упомянутого материала.
В еще одном частном варианте, в качестве источника механического удара используют пулю или снаряд.
В еще одном частном варианте, в качестве источника механического удара используют пучок частиц.
В еще одном частном варианте, упомянутый нагрев поверхности упомянутой мишени и упомянутое ударное воздействие на нагретую поверхность упомянутой мишени осуществляют пучком заряженных частиц.
На фиг. 1 показана схема реализации заявленного способа, согласно одному из частных вариантов (в установке плазменного фокуса ПФ-5, ФИАН).
На фиг. 2 показана схема реализации заявленного способа, согласно другому частному варианту (в лазерной установке).
На фиг. 3а и 3b показана схема реализации нагрева, согласно еще одному частному варианту (индукционный нагрев).
На фиг. 4 показана схема реализации заявленного способа, согласно еще одному частному варианту (нагрев посредством пропускания электрического тока через мишень и ударное воздействие посредством механического ударника).
На фиг. 5 показана схема реализации заявленного способа, согласно еще одному частному варианту (нагрев с помощью токового контура и ударное воздействие посредством пьезоэлемента).
На фиг. 6 показана схема реализации ударного воздействия, согласно еще одному частному варианту (посредством механического ударника).
На фиг. 7 показана схема реализации ударного воздействия, согласно еще одному частному варианту (посредством пьезоэлемента).
На фиг. 8 показана схема реализации ударного воздействия, согласно еще одному частному варианту (с помощью пули или снаряда).
На фиг. 9 показана схема реализации ударного воздействия, согласно еще одному частному варианту (с помощью пучка частиц).
На фиг. 10 показана схема реализации заявленного способа, согласно еще одному частному варианту (нагрев и ударное воздействие с помощью пучка заряженных частиц).
На фиг. 11 показана картина распределения частиц расплавленного материала по поверхности мишени из Fe в результате воздействия импульсов азотной плазмы на расстоянии от анода до мишени, равном 25 мм, при заряде конденсаторной батареи до 18 кВ на установке ПФ-5.
На фиг. 12 показана картина распределения частиц расплавленного материала по поверхности мишени из Fe в результате воздействия импульсов азотной плазмы на расстоянии от анода до мишени, равном 50 мм, при заряде конденсаторной батареи до 18 кВ на установке ПФ-5.
На фиг. 13 показана картина распределения частиц расплавленного материала по поверхности мишени из А1 в результате воздействия импульсов азотной плазмы на расстоянии от анода до мишени, равном 25 мм, при заряде конденсаторной батареи до 18 кВ на установке ПФ-5.
Установка плазменного фокуса, показанная на фиг. 1, представляет собой один из вариантов Z-пинчевого плазменного устройства и состоит из двух коаксиальных медных электродов (анода 1 и катода 2), разделенных между собой цилиндрическим керамическим изолятором 3, и конденсаторной батареи 4. Анод 1 и катод 2 размещены в разрядной камере 5, заполняемой рабочим газом до давления в несколько мм рт. ст. Энергия, накопленная в конденсаторной батарее 4, поступает на анод 1 через управляемый разрядник 6.
После подачи напряжения происходит электрический пробой вдоль поверхности изолятора 3, приводящий к образованию токово-плазменной оболочки (далее - ТПО), которая под действием пондеромоторных сил сначала отрывается от поверхности изолятора 3, а затем происходит ее движение в межэлектродном пространстве в направлении торцов анода 1 и катода 2.
После выхода на торцы анода 1 и катода 2 ТПО начинает двигаться в радиальном направлении к вертикальной оси установки, при этом ТПО приобретает форму конуса с вершиной, направленной к аноду 1 (см. поз. 7 на фиг. 1). Благодаря конической форме ТПО, в процессе ее сжатия на вертикальной оси формируется кумулятивный поток плотной высокотемпературной плазмы.
Известно, что в установках плазменного фокуса возникают магнитные поля. Например, в статье Крауза В.И и др. «Магнитозондовые исследования токовой оболочки на установке ПФ-3», «Физика плазмы», 2010, стр. 997-1012 [5], описано исследование динамики ТПО во время разряда на установке ПФ-3 с помощью магнитных зондов, расположенных на различном расстоянии от оси установки и от анода. Магнитные зонды начинали фиксировать магнитное поле, образованное ТПО, при ее приближении к ним.
Для реализации заявленного способа мишень 8, преимущественно, с плоской или полусферической поверхностью (что обеспечивает наглядную картину распределения магнитного поля), изготовленную из неизвестного материала либо из материала с неизвестными магнитными свойствами, размещают в разрядной камере 5 на заданном (определяемом задачей эксперимента) расстоянии от анода 1.
Как следствие воздействия на поверхность мишени 8 одиночным плазменным импульсом или серией таких импульсов (см. поз.9 на фиг.1), происходит нагрев поверхности мишени 8 до температуры, при которой происходит, по меньшей мере, частичное расплавление материала, из которого изготовлена мишень 8. В частности, в установке ПФ-5 во время эксперимента поверхность мишени 8 может нагреться до температуры более 3000°С. Также в процессе разряда в ПФ-5 на мишень 8 воздействует ударная волна.
В результате происходит вылет частиц материала, из которого изготовлена мишень 8, и их оседание на поверхности мишени 8. Далее фиксируют картину распределения частиц материала на поверхности мишени 8, соответствующую картине распределения магнитного поля в разрядной камере 5 (т.е. в области пространства перед мишенью 8).
В варианте реализации способа, показанном на фиг.2, мишень 8 размещают на заданном (определяемом задачей эксперимента) расстоянии от выходного окна 10 лазерной установки 11 и воздействуют на поверхность мишени 8 одиночным лазерным импульсом или серией таких импульсов (см. поз.12 на фиг.2).
Известно, что вблизи облученной лазерным излучением мишени возникают магнитные поля с направлением, параллельным плоскости мишени (см. статью Yu.S. Kas’yanov, G.S. Sarkisov «Spatial-temporal measurement of magnetic fields in laser-produced plasmas», Journal of Russian Laser Research, Vol.15, №3, 1994, pp.265-282, или обзор J.Α. Stamper «Review on spontaneous magnetic fields in laser-produced plasmas: Phenomena and measurements», Laser and Particle Beams, Vol. 9, №4, pp. 841-862).
Как следствие воздействия на поверхность мишени 8 одиночным лазерным импульсом или серией таких импульсов 12, происходит нагрев поверхности мишени 8 до температуры, при которой происходит, по меньшей мере, частичное расплавление материала, из которого изготовлена мишень 8. Также в процессе воздействия, по меньшей мере, одиночного лазерного импульса 12 на мишень 8 на нее воздействует ударная волна (также для создания ударной волны можно использовать другой или другие лазерные импульсы 12, следующие за первым).
В результате происходит вылет частиц материала, из которого изготовлена мишень 8, и их оседание на поверхности мишени 8. Далее, аналогично, фиксируют картину распределения частиц материала на поверхности мишени 8, соответствующую картине распределения магнитного поля в области пространства перед мишенью 8.
В варианте реализации способа, показанном на фиг. 3, нагрев поверхности мишени 8 осуществляют посредством индукционного нагрева. Как показано на фиг. 3а, мишень 8 помещают внутрь индуктора 13 (катушка с токовыми витками), нагревают переменным током, после чего индуктор 13 желательно выключить, чтобы создаваемое им магнитное поле не вносило ошибок в созданное заранее в заданной области пространства магнитное поле, а также убрать в сторону, чтобы поверхность мишени 8 не закрывалась токовыми витками индуктора 13 (см. фиг. 3b). После чего нужно осуществить ударное воздействие на мишень 8, например, посредством механического ударника (более подробно описано со ссылкой на фиг. 6).
В варианте реализации способа, показанном на фиг. 4, нагрев поверхности мишени 8 осуществляют посредством пропускания электрического тока через мишень 8 с помощью проводников (например, промышленных проводов) 14. После нагрева нужно осуществить ударное воздействие на мишень 8, например, посредством механического ударника (более подробно описано со ссылкой на фиг. 6).
В варианте реализации способа, показанном на фиг. 5, нагрев поверхности мишени 8 осуществляют с помощью токового контура 15, расположенного с той же стороны, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8. Питание к токовому контуру 15 подается по проводникам 16. Токовый контур, в частности, может быть изготовлен из вольфрамовой нити (температура плавления 3422°С). Температура плавления материала контура 15 должна быть выше температуры плавления материала мишени 8. Допустимо также использовать в качестве токовых контуров 15 электронагреватели, аналогичные тем, что используются в электропечах сопротивления, например, из дисилицида молибдена (температура плавления 1300-1500°С), карборундовые или силитовые (температура плавления до 1300°С). Выбор подходящего материала токового контура 15 будет зависеть от выбранного материала мишени 8 (а именно, от его температуры плавления). В общем случае, токовый контур 15, расположенный с той же стороны, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8, не вносит существенного искажения в картину распределения созданного заранее в заданной области пространства магнитного поля. Однако в случае, когда необходимо получить максимально достоверные данные, можно убирать токовый контур 15 в сторону от мишени 8 после наступления момента начала расплавления ее поверхности. После нагрева нужно осуществить ударное воздействие на мишень 8, например, посредством пьезоэлемента (более подробно описано со ссылкой на фиг. 7).
В вариантах реализации ударного воздействия, показанном на фиг. 4-9, ударное воздействие на нагретую поверхность мишени 8 осуществляют посредством механического удара в центр мишени 8 со стороны, обратной стороне, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8. В частности, как показано на фиг. 6, в качестве источника механического удара можно использовать механический ударник 16. Двигатель 17, запитанный, например, от промышленной сети с помощью проводников 18, передвигает поршень 19, который через воздушную прослойку 20, в свою очередь, передвигает ударник 16, который ударяет по металлическому проводнику (концентратору) 21 ударной волны. Металлический проводник (концентратор) 21 ударной волны закрепляют в корпусе 22 с помощью держателя 23 проводника (концентратора) 21 ударной волны. Ударная волна передается через концентратор 21 в центр мишени 8 и затем от центра распространяется к периферии мишени 8 (принцип работы, как в отбойном молотке). Можно синхронизировать момент начала плавления поверхности мишени 8 с моментом удара (одного), но также можно создавать постоянно периодические удары (как в отбойном молотке).
В качестве источника механического удара также можно использовать пьезоэлемент 24, установленный на поверхности мишени 8 со стороны, обратной стороне, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8 (см. фиг. 7). При подаче на пьезоэлемент 24 напряжения по проводникам 25, он изгибается, тем самым создавая ударную волну в мишени 8, которая распространяется от центра к периферии.
В качестве источника механического удара также можно использовать пулю или снаряд 26, попадающий в центр мишени 8 со стороны, обратной стороне, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8 (см. фиг. 8). Механизм ускорения пули или снаряда 26 не показан, можно использовать любой из известных механизмов (например, пистолетный механизм). Стрелкой (поз. 27) показано направление движения пули или снаряда 26. Пуля или снаряд 26, при попадании по мишени 8, создает в ней ударную волну, распространяющуюся от центра к периферии.
В качестве источника механического удара также можно использовать пучок частиц 28 (в частности, дроби), попадающий в центр мишени 8 со стороны, обратной стороне, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8 (см. фиг. 9). Механизм ускорения пучка частиц 28 не показан, можно использовать любой из известных механизмов (например, пистолетный механизм). Стрелкой (поз. 29) показано направление движения пучка частиц 28. Пучок частиц 28, при попадании по мишени 8, создает в ней ударную волну, распространяющуюся от центра к периферии.
Наряду с перечисленными выше способами нагрева поверхности мишени 8, на фиг. 10 представлен еще один, а именно, с помощью пучка заряженных частиц 30. Стрелкой (поз. 31) показано направление движения пучка заряженных частиц 30. Пучок заряженных частиц 30, при попадании по мишени 8, нагревает ее поверхность. Достоинством такого метода нагрева является возможность направления пучка заряженных частиц 30 под углом (т.е. не только перпендикулярно) к поверхности мишени 8.
При перпендикулярном падении пучка заряженных частиц 30 на поверхность мишени 8 с его помощью можно осуществить как нагрев, так и ударное воздействие на нагретую поверхность мишени 8. В данном случае пучок заряженных частиц 30 должен находиться со стороны, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8.
Подтверждением возможности осуществления предлагаемого способа служат экспериментальные результаты, полученные на установке ПФ-5. Был проведен анализ полученных экспериментальных данных в результате облучения плоских мишеней 8 из Fe, Cu и Al на различных расстояниях (-25 и -50 мм) от анода 1 ПФ-5 плазменными импульсами. В качестве рабочего газа использовался азот. Конденсаторная батарея 4 заряжалась до 18 кВ.
На поверхности мишени 8 из Fe (ферромагнетик) имела место ориентация мелких частиц (капель) расплавленного металла вдоль линий магнитного поля, которые связаны с токовыми филаментами, формирующими ТПО при ее схождении над анодом 1 ПФ-5 (см. фиг. 1). При близком (-25 мм) расположении мишени 8 из Fe линии магнитного поля от токовых филаментов проникают в металл и ориентируют капли металла.
В результате для Fe наблюдается картина искривления условных линий разлета капель расплавленного металла вблизи края зоны воздействия плазмы (см. фиг. 11). При удалении мишени из Fe на большее расстояние (-50 мм) наблюдаемая картина исчезает (см. фиг. 12), что связано с ослаблением магнитного поля от токовых филаментов на таком расстоянии и, как следствие, недостаточностью величины магнитной индукции для поворота капель расплавленного металла на поверхности мишени 8.
Для Al (парамагнетик) по всей зоне воздействия плазмы на поверхности мишени 8 сохраняется картина прямолинейного распределения капель расплавленного металла (см. фиг. 13). Для Cu (диамагнетик) имеет место картина, похожая на Al (не показана).
Стоит отметить, что процесс разряда в ПФ-5 имеет периодический характер синусоидальной формы с изменением знака потенциала на аноде 1 с «+» на «-». На фиг. 1 изображены направления токов и магнитных полей от них в тот временной период, когда на аноде «+». Именно периодическое изменение направления тока и, соответственно меняющее свое направление магнитное поле, способствует тому, что мы наблюдаем поворот капель расплавленного металла (в случае Fe) на фиг. 11 как по часовой стрелке, так и против нее.
Теоретически и экспериментально ранее было доказано, что жидкий металл способен отвечать на воздействия внешнего магнитного поля (см., в частности, работу Michael Conrath «Dynamics of Liquid Metal Drops Influenced by Electromagnetic Fields», 2007, стр. 32-56). В упомянутой работе показано, что диск расплавленного металла может принимать различные фиксированные геометрические формы в зависимости от параметров воздействующего на него магнитного поля. В частности, в работе было исследовано изменение формы диска расплавленного металла в зависимости от величины тока в индукторе, создающем внешнее магнитное поле, и частоты внешнего магнитного поля, и показано, что изначально имеющий круглую форму диск расплавленного металла с увеличением тока индуктора и частоты внешнего магнитного поля изменяет свою форму сначала на однолепестковую, потом на двух-, трех- и четырех-лепестковую, а при дальнейшем повышении параметров капля распадается на две и более отдельные капли, также имеющие форму из различного количества лепестков.
В условиях отсутствия составляющей магнитного поля, параллельной плоскости мишени 8, или недостаточной величине этой составляющей (как в случае отдаления мишени 8 на большое расстояние от ТПО, изображенном на фиг. 12), на картине распределения частиц (капель) расплавленного магнитного материала не будет наблюдаться поворота капель (как на фиг. 11). Картина распределения капель расплавленного магнитного материала будет демонстрировать прямолинейное распределение капель от центра мишени 8 к ее периферии (как на фиг. 13).
В подобном случае для реализации заявленного способа необходимо использовать мишень 8 с поверхностью криволинейной формы, в частности, полусферической поверхностью, либо изменить расположение мишени 8 в заданной области пространства.
Предложенный способ отличается простым использованием и позволяет, имея эталонные картины распределения частиц различных расплавленных материалов на поверхностях мишеней при наличии в заданной области пространства магнитного поля с известными свойствами, сравнивать их с картиной, полученной в аналогичных условиях, но при исследовании неизвестного материала или материала с неизвестными магнитными характеристиками. Таким образом, предложенный способ позволяет с высокой степенью достоверности определить принадлежность исследуемого неизвестного материала к одному из уже исследованных ранее материалов или к классу материалов, схожих по своим магнитным характеристикам без необходимости использования сложных электронных средств, которые нужны, например, для измерения петли Гистерезиса исследуемого материала. Более того, предложенный способ освобождает от надобности изготовления специального измерительного оборудования, необходимого для проведения измерений в особых случаях, таких как, например, исследование больших или массивных образцов, исследование постоянных магнитов и др.