МАГНИТОМЕТР ХОЛЛА
HALL EFFECT MAGNETOMETER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение направлено на магнитометр для измерения напряженности магнитных полей, более конкретно на измерение напряженности магнитных полей в контексте устройств масс-спектрометрии вторичных ионов.
Предпосылки изобретения
Датчик Холла представляет собой измерительный преобразователь, который изменяет свое выходное напряжение в результате воздействия магнитного поля. Сила, оказываемая магнитным полем на движущиеся электроны электрического тока, протекающего через электрический проводник в магнитном поле, толкает движущиеся электроны к одной стороне проводника, создавая таким образом избыток отрицательных электрических зарядов на этой стороне проводника и производя впоследствии напряжение между этими двумя сторонами. Это напряжение может быть измерено и использовано для обратной связи с электронной схемой, которая управляет магнитным полем. Наличие этого поперечного напряжения называется эффектом Холла и поэтому может быть обнаружено с помощью датчика Холла. Как правило, датчики Холла очень чувствительны к изменениям температурных условий окружающей среды.
Устройства масс-спектрометрии вторичных ионов, МСВИ, часто содержат среди других компонентов устройство с магнитным сектором, определяющее промежуток прохода между его полюсными наконечниками. Ионный пучок, образованный ионами, которые должны анализироваться с помощью устройства МСВИ, проходит через промежуток. На всем пути пролета ионы находятся в вакууме для предотвращения столкновений и загрязнений. Магнитное поле в промежутке прохода оказывает различное влияние на траектории ионов в пучке в зависимости от отношения их массы к заряду. Следовательно, устройство с магнитным сектором способно разделять ионы в соответствии с их характеристиками. Разделенные ионы образуют сигнал вторичных ионов, который на последующей стадии может быть обнаружен и идентифицирован соответствующими средствами обнаружения и идентификации ионов. Как правило, для управления напряженностью магнитного поля применяется контроллер магнитного поля, таким образом на детектор ионов в течение длительных периодов времени принимается стабильный сигнал вторичных ионов. Более конкретно, магнитное поле может управляться либо электронными схемами, которые обеспечивают постоянный электрический ток, протекающий через катушки, индуцирующие магнитное поле, либо путем включения измерительного устройства в магнитное поле, которое предоставляет информацию обратной связи электронным схемам для обеспечения более точного управления магнитным полем. Эти измерительные устройства могут содержать магнитометры Холла, которые основаны на датчике Холла, как описано выше.
Заявка на патент Японии, со ссылкой JPH 11-235755 A, относится к удлиненному плоскому датчику на основе прибора на эффекте Холла, содержащему защитную трубку, выполненную из полиимида. Защитная трубка применяется для защиты провода.
Заявка на патент США, опубликованная как US 3665366, относится к магнитометру Холла, который устойчив к экстремальным колебаниям температуры в диапазоне температур от -273 °C до +200 °C. Магнитометр Холла содержит небольшой стержень из электроизоляционного материала, устойчивого к этим экстремальным изменениям температуры (закаленное стекло). Стержень пересекается проводами, соединенными со слоем полупроводникового материала. Такие известные магнитометры Холла не очень хорошо подходят для работы в условиях вакуума или в зонах высокого напряжения.
Заявка на патент Японии, со ссылкой JP 2001 091613, относится к многокристальному модулю для магнитного датчика, имеющего небольшое магнитное влияние на кристаллы интегральных схем.
Заявка на патент Японии, со ссылкой JP 2015 141121 A, относится к конфигурации, которая устраняет ошибочное обнаружение магнитного поля, приложенного в определенном направлении.
Заявка на патент США, опубликованная как US 2016/0018476 А1, относится к блоку датчиков в прессованном корпусе.
Заявка на патент Японии, со ссылкой JP 2006 128213, относится к полупроводниковому устройству, которое может поддерживать высокую точность обнаружения.
Техническая задача
Целью настоящего изобретения является устранение по меньшей мере одного из недостатков, существующих в предшествующем уровне техники. В частности, изобретение направлено на предоставление магнитометра Холла, выполненного с возможностью точно определять напряженность магнитного поля в вакуумной среде и в средах с высоким напряжением.
Краткое описание настоящего изобретения
Цель изобретения состоит в предоставлении магнитометра Холла, содержащего средство удерживания, электрически изолированный корпус и чувствительный элемент на эффекте Холла. Чувствительный элемент на эффекте Холла заключен в указанный электрически изолированный корпус, и стенки корпуса содержат электроизоляционный материал. Корпус механически соединен с указанным средством удерживания.
Предпочтительно, к стенкам указанного корпуса может быть прикреплен герметичный колпачок, выполненный из электроизоляционного материала, и в них может содержаться часть поверхности указанного средства удерживания. Корпус предпочтительно может быть соединен с указанным средством удерживания посредством средства соединения, содержащего средство вакуумного уплотнения.
Электроизоляционный материал предпочтительно может представлять собой стекло.
Чувствительный элемент на эффекте Холла предпочтительно может иметь сплюснутую форму.
Предпочтительно, корпус может иметь сплюснутую форму.
Корпус может предпочтительно проходить вдоль продольной оси. Чувствительный элемент на эффекте Холла предпочтительно может быть расположен в центре указанного корпуса относительно его высоты и ширины.
Средство удерживания и корпус предпочтительно могут проходить вдоль общей продольной оси.
Предпочтительно, средство соединения может содержать шайбу.
Средство вакуумного уплотнения предпочтительно может содержать уплотнительное кольцо, помещенное в соответствующее гнездо указанного средства удерживания.
Средство соединения может предпочтительно дополнительно содержать средство крепления для закрепления указанного чувствительного элемента на эффекте Холла.
Предпочтительно, средство соединения и средство удерживания могут дополнительно содержать электрические проводники, функционально соединенные с указанным чувствительным элементом на эффекте Холла, для передачи электрического сигнала, генерируемого указанным чувствительным элементом на эффекте Холла.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предусмотрено использование магнитометра Холла согласно настоящему изобретению для измерения магнитного поля в промежутке, образованном между двумя полюсными наконечниками магнита, причем указанные полюсные наконечники имеют плавающий электрический потенциал, составляющий по меньшей мере 1 кВ. Электрический потенциал может быть выше 1 кВ, например, до 20 кВ.
Предпочтительно, указанные полюсные наконечники могут быть частями магнитного сектора устройства масс-спектрометрии вторичных ионов, МСВИ.
В магнитометре Холла согласно настоящему изобретению предусмотрен чувствительный элемент на эффекте Холла с изоляцией от высокого напряжения. Вследствие заключения датчика Холла в специально сконструированную стеклянную трубку становится возможным использование магнитометра для измерения магнитного поля в условиях высокого напряжения, например, между полюсными наконечниками магнита с плавающим высоким электрическим потенциалом. В магнитометре Холла применяются детали, обработанные с высокой точностью, для обеспечения правильной ориентации чувствительного элемента на эффекте Холла относительно магнитного поля, которое должно восприниматься. Это позволяет повысить точность измерения по сравнению с известными магнитометрами Холла.
Поскольку чувствительный элемент на эффекте Холла содержится при температуре и давлении окружающей среды и защищен от окружающей среды, его можно использовать для измерения магнитных полей в любых средах, кроме вакуума, например, при высоких давлениях, в жидкостях или в опасных/коррозийных средах.
Краткое описание графических материалов
Несколько вариантов осуществления настоящего изобретения проиллюстрированы с помощью фигур, которые не ограничивают объем настоящего изобретения, на которых:
на фиг. 1 представлено схематическое изображение поперечного разреза предпочтительного варианта осуществления устройства согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 представлено изображение в перспективе предпочтительного варианта осуществления устройства согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3 представлен поперечный разрез устройства, показанного на фиг. 2;
на фиг. 4 представлен поперечный разрез в перспективе механизма фиксации устройства согласно настоящему изобретению;
на фиг. 5 представлен вид спереди механизма фиксации устройства согласно настоящему изобретению.
Подробное описание
В этом разделе подробно описано изобретение на основании  предпочтительных вариантов осуществления и фигур. Если не указано иное, признаки в одном описанном варианте осуществления могут комбинироваться с дополнительными признаками другого описанного варианта осуществления.
Для обозначения аналогичных понятий среди разных вариантов осуществления изобретения будут использоваться подобные ссылочные позиции. Например, ссылочные позиции 100 и 200 обозначают магнитометр Холла согласно двум разным вариантам осуществления изобретения.
На фиг. 1 представлен схематический вид магнитометра 100 Холла согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Магнитометр 100 на ближнем конце содержит ручку 110, с помощью которой он может удерживаться или крепиться в заданном месте. Хотя возможны и другие геометрические конфигурации, в показанном примере магнитометр удаляется от центра ручки 110 вдоль продольной оси, которая соответствует горизонтальному направлению на фиг. 1. Чувствительный элемент 130 на эффекте Холла прикреплен к средству удерживания или к ручке 110 и проходит от его основания 112. Чувствительный элемент на эффекте Холла представляет собой измерительный преобразователь, который изменяет свое выходное напряжение в результате воздействия магнитного поля, в котором он находится. Сигнал выходного напряжения передается на любое подключенное устройство с помощью не показанных средств электрического соединения, таких как электрические провода, расположенные через средство 110 удерживания.
Чувствительный элемент на эффекте Холла заключен в герметизированный корпус 120. Стенки корпуса 120 содержат стеклянный колпачок 122 и по меньшей мере часть стенки 112 ручки 110, на которой механически закреплен стеклянный колпачок. В качестве альтернативы, стенки корпуса могут быть полностью выполнены из стекла, причем стеклянный корпус сам прикреплен к стенке 112 ручки 110. Стенки корпуса могут содержать другие материалы при условии, что они электрически изолированы и проницаемы для магнитного поля, которое должно восприниматься чувствительным элементом 130 на эффекте Холла. Поскольку стекло устойчиво к высоким уровням вакуума, предоставленный магнитометр способен работать в высоковакуумных средах. В частности, поскольку стекло также является высоковольтным изолятором, предлагаемая конфигурация позволяет использовать магнитометр в высоковольтных полях.
Крепление стеклянного колпачка 122 к средству 110 удерживания таково, что атмосфера внутри корпуса 120 плотно изолирована от окружающей атмосферы. С этой целью предусмотрено средство 140 вакуумного уплотнения, такое как воздухонепроницаемое уплотнительное кольцо. Как показано на фиг. 1, чувствительный элемент 130 на эффекте Холла предпочтительно заключен внутри корпуса 120 в центре. Оба имеют предпочтительно удлиненную и сплюснутую форму.
Дополнительный предпочтительный вариант осуществления магнитометра 200 Холла согласно настоящему изобретению показан на фиг. 2 и 3. Магнитометр 210 содержит на своем ближнем конце ручку 210, с помощью которой он может удерживаться или крепиться в заданном месте. Ближний конец средства 210 удерживания содержит механизм 213 быстрой фиксации, выполненный с возможностью надежной и многократной фиксации магнитометра Холла в соответствующем стыковочном отверстии внешнего устройства.
Полый стальной стержень 214 проходит от механизма 213 фиксации в направлении дальнего конца магнитометра 200. Стержень 214 из нержавеющей стали прикреплен к механизму 213 быстрой фиксации посредством, например, уплотнительного кольца 216. Внутри стержня 230 из нержавеющей стали находится трубка 211 из полиэфирэфиркетона, ПЭЭК. Чувствительный элемент 230 на эффекте Холла прикреплен к средству удерживания с помощью средства 240 соединения. Предпочтительно, он прикреплен к трубке 211 посредством обработанной с высокой точностью детали 241, соединенной с трубкой 211 с помощью уплотнительного средства 242. Обработанная с высокой точностью деталь 241 имеет такую форму, что она удерживает чувствительный элемент 230 на эффекте Холла точно параллельно главной оси магнитометра 200. Шайба из ПЭЭК и система уплотнительных колец 243 дополнительно обеспечивают герметичное соединение стеклянного колпачка 222, который окружает чувствительный элемент 230 на эффекте Холла, со средством 210 удерживания магнитометра. Изображенное в качестве примера уплотнительное кольцо 243 установлено в соответствующем гнезде средства 210 удерживания.
Стеклянный колпачок 222 имеет такую форму, чтобы плотно закрывать чувствительный элемент 230 на эффекте Холла. Предпочтительно, он проходит на расстояние от 5 до 6 см, и предпочтительно на расстояние 5,4 см от дальней поверхности 212 основания средства 210 удерживания. Имея сплюснутую форму, стеклянный колпачок имеет ширину приблизительно от 7 до 8 см, предпочтительно 7,6 см. Высота стеклянного колпачка составляет от 3 до 4 см, предпочтительно 3,6 см. Возможны и другие размеры без отступления от объема настоящего изобретения в зависимости исключительно от области применения, в которой должен использоваться магнитометр Холла.
Поскольку магнитометр Холла согласно вариантам осуществления настоящего изобретения может быть экранирован от окружающей его среды электрически и с точки зрения температуры и давления, он может применяться для измерения магнитного поля во множестве сред, возникающих в различных конкретных применениях.
Магнитометр Холла согласно вариантам осуществления настоящего изобретения находит конкретное применение в устройстве масс-спектрометрии вторичных ионов, МСВИ, имеющем магнитные полюсные наконечники с плавающим высоким электрическим потенциалом, составляющим свыше 1 кВ. Обычно диапазон высокого напряжения доходит приблизительно до 20 кВ.
В таком устройстве пучок первичных ионов направлен к поверхности образца. Он извлекает вторичные ионы с поверхности образца. Пучок вторичных ионов фокусируется и ускоряется с помощью электродного узла перед входом в разделительное устройство, образованное магнитным сектором, который также может иметь плавающий высокий электрический потенциал. Сфокусированный пучок вторичных ионов проходит через промежуток, образованный между полюсными наконечниками магнитного сектора, который расположен в вакуумном корпусе.
Промежуток прохода имеет высоту приблизительно 5 мм, и важно убедиться, что магнитное поле во всем промежутке однородно и хорошо управляется. Однородное магнитное поле улучшает общую способность обнаружения и разрешающую способность по массе устройства МСВИ. С этой целью магнитометр Холла согласно настоящему изобретению, выполненный с возможностью измерения магнитного поля в высоковольтных средах и устойчивый к вакууму, вставляется в промежуток между полюсными наконечниками. В частности, стеклянный корпус 120, 220, содержащий сплюснутый чувствительный элемент 130, 230 на эффекте Холла, вставляется в промежуток. Сигнал, воспринимаемый магнитометром Холла, может затем использоваться в качестве обратной связи для управления напряженностью магнитного поля между полюсными наконечниками, которое индуцируется с помощью катушечного устройства.
Конфигурация магнитометра согласно настоящему изобретению и, в частности, форма чувствительного элемента и стеклянного колпачка, обеспечивает точную ориентацию магнитометра внутри относительно узкого промежутка между полюсными наконечниками. Наиболее точный сигнал получается, когда плоский чувствительный элемент выровнен параллельно промежутку между полюсами и перпендикулярен магнитному полю.
Для дальнейшего обеспечения выравнивания магнитометра внутри промежутка между полюсными наконечниками средство удерживания содержит обработанную с высокой точностью прорезь 250, как показано на фиг. 4 и 5. Эта прорезь противоположна обработанному с высокой точностью штырю 251, расположенному на спектрометре МСВИ, точнее на фланце спектрометра МСВИ. При установке на спектрометр МСВИ комбинация штыря и противоположной ему прорези гарантирует, что магнитометр Холла установлен в одной четко определенной ориентации и чувствительный элемент находится в перпендикулярной ориентации к магнитному полю.
Возможна и обратная ситуация: штырь может находиться на магнитометре Холла, а прорезь фланца спектрометра МСВИ на противоположной стороне.