Принцип действия большинства преобразователей средств измерений основан на преобразовании электрической и магнитной энергий, поэтому электрические и магнитные поля, наводимые внутри средств измерений источниками, расположенными вблизи, искажают характер преобразования электрической и магнитной энергии в измерительном устройстве. Для защиты чувствительных элементов приборов от влияния внутренних и внешних электрических и магнитных полей применяют экранирование.
Под магнитным экранированием какой-либо области пространства понимается ослабление магнитного поля внутри этой области путем ограничения ее оболочкой, изготовленной из магнито-мягких материалов. В практике также применяется другой способ экранирования, когда в оболочку помещают источник магнитного поля, ограничивая тем, самым распространение последнего в окружающую среду.
Основы экранирования базируются на теории распространения электрического и магнитного поля. Излучаемая энергия передается электромагнитным полем. Когда поле изменяется во времени, его электрическая и магнитная составляющие существуют одновременно, причем одна из них может быть больше другой. Если больше электрическая составляющая, то поле считается электрическим, если больше магнитная составляющая, то поле считают магнитным. Обычно поле имеет ярко выраженный характер вблизи своего источника на расстоянии длины волны. В свободном пространстве, на большом расстоянии от источника энергии (сравнительно с длиной волны) обе составляющие поля имеют равное количество энергии. Кроме того, всякий проводник, расположенный в электромагнитном поле, обязательно поглощает и вновь излучает энергию, поэтому и на малых расстояниях от такого проводника относительное распределение энергии отличается от распределения энергии в свободном пространстве.
Электрическая (электростатическая) составляющая поля соответствует напряжению на проводнике, а магнитная (электромагнитная) - току. Определение необходимости той или иной степени экранирования данной электрической цепи, а так же, как и определение достаточности того или иного вида экрана, почти не поддается техническому расчету, потому что теоретические решения отдельных простейших задач оказываются неприемлемыми к сложным электрическим цепям, состоящим из произвольно расположенных в пространстве элементов, излучающих электромагнитную энергию в самых разнообразных направлениях. Для расчета экрана пришлось бы учитывать влияние всех этих отдельных излучений, что невозможно. Поэтому от конструктора, работающего в этой области, требуется ясное понимание физического действия каждой экранирующей детали, ее относительного значения в комплексе деталей экрана и умение выполнять ориентировочные расчеты эффективности экрана.
По принципу действия различают электростатические, магнитостатические и электромагнитные экраны.
Экранирующее действие металлического экрана обуславливается двумя причинами: отражением поля от экрана и затуханием поля при прохождении сквозь металл. Каждое из этих явлений не зависит одно от другого и должно рассматриваться отдельно, хотя общий экранирующий эффект является результатом их обоих.
Электростатическое экранирование состоит в замыкании электрического поля на поверхности металлической массы экрана и передаче электрических зарядов на корпус устройства (рис 1.).
Если между элементом конструкции А, создающим электрическое поле, и элементом Б, для которого влияние этого поля вредно, поместить экран В, соединенный с корпусом (землей) изделия, то он будет перехватывать электрические силовые линии, защищая элемент Б от вредного влияния элемента А. Следовательно, электрическое поле может быть надежно экранировано даже очень тонким слоем металла.
Индуктированные заряды располагаются на внешней поверхности экрана так, что электрическое поле внутри экрана равно нулю.
Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толщине экрана, имеющего повышенную магнитную проницаемость. Материал экрана должен обладать магнитной проницаемостью значительно больше магнитной проницаемости окружающей среды. Принцип действия магнитостатического экрана показан на рис 2.
Магнитный поток, создаваемый элементом конструкции (в данном случае проводом), замыкается в стенках магнитного экрана вследствие его малого магнитного сопротивления. Эффективность такого экрана тем больше, чем больше его магнитная проницаемость и толщина.
Магнитостатический экран применяют только при постоянном поле или в диапазоне низких частот изменения последнего.
Электромагнитное экранирование основано на взаимодействии переменного магнитного поля с вихревыми токами, наведенными им в толще и на поверхности токопроводящего материала экрана. Принцип электромагнитного экранирования иллюстрирован на рис. 3. Если на пути однородного магнитного потока поместить медный цилиндр (экран), то в нем возбудятся переменные Э.Д.С., которые, в свою очередь, создадут переменные индукционные вихревые токи. Магнитное поле этих токов будет замкнутым (рис 3б); внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами - в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле оказывается ослабленным (рис. 3в) внутри цилиндра и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующие действие.
Эффективность электромагнитного экранирования увеличивается с увеличением обратного поля, которое будет тем больше, чем больше протекающие по цилиндру вихревые токи, т.е. чем больше электрическая проводимость цилиндра.
Ослабление магнитного поля металлом может быть вычислено. Оно пропорционально толщине экрана, коэффициенту вихревых токов и корню квадратному из произведения частоты поля, магнитной проницаемости и проводимости материала экрана.
При экранировании элементов изделия магнитостатическими и электромагнитными экранами следует учитывать, что они будут эффективны и как электростатические экраны, если их надежно соединить с корпусом устройства.
При выполнении работы используются: установка для создания электромагнитного поля; генератор сигналов специальной формы Г6-26; измерительная катушка для оценки напряженности электромагнитного поля; осциллограф С1-64; вольтметр; комплект экранов, изготовленных их различных материалов.
Сигнал синусоидальной формы подается с генератора сигналов установки через понижающий трансформатор. Для подключения измерительной катушки 5 к осциллографу и катушки 1 возбуждения электромагнитного поля к генераторам сигналов, на основании 3 установки укреплены клеммные гнезда 6 и 7. Включение установки осуществляется тумблером 8.
Для характеристики экранирующего материала пользуются еще двумя значениями глубины проникновения x 0.1 , x 0.01 , характеризующими падение плотности напряженности поля (ока) в 10 и 100 раз от значения на его поверхности
которые приводятся в справочных таблицах для различных материалов. В таблице 2 приведены значения x 0 , x 0.1 , x 0.01 , для меди, алюминия, стали и пермаллоя .
При выборе материала экрана удобно пользоваться кривыми эффективности экранирования, приведенными на графиках рис.4.
В качестве материала магнитных экранов в слабых полях используются сплавы с высокой магнитной проницаемостью. Пермаллои, относящиеся к группе ковких сплавов с высокой магнитной проницаемостью, хорошо обрабатываются резанием и штамповкой. По составу пермаллои принято делить на низконикелевые (40-50% Ni) и высоконикелевые (72-80% Ni). Для улучшения электромагнитных и технологических свойств пермаллои часто легируют молибденом, хромом, кремнием, кобальтом, медью и другими элементами. Основными показателями электромагнитного качества этих сплавов являются значения начальной µ нач и максимальной µ max магнитной проницаемости. Коэрцитивная сила H c у пермаллоев должна быть как можно меньше, а удельное электрическое сопротивление ρ и намагниченность насыщения M s как можно более высоким. Зависимость указанных параметров для двойного сплав Fe-Ni от процентного содержания никеля представлена на рис. 5.
Характеристика µ нач (рис. 5) имеет два максимума, относительный (1) и абсолютный (2). Область относительного минимума ограниченная содержанием никеля 40-50% соответствует низконикелевому пермаллою, а область абсолютного максимума, ограниченная содержанием никеля 72-80% - высоконикелевому. Последний обладает и наибольшим значением µ max . Течение характеристик µ 0 M s и ρ (рис.5) свидетельствует о том, что магнитное насыщение и удельное электрическое сопротивление у низконикелевого пермаллоя существенно выше, чем у высоконикелевого. Указанные обстоятельства разграничивают сферы применения низконикелевого и высоконикелевого пермаллоев
Низконикелевый пермаллой применяют для изготовления магнитных экранов, работающих в слабых постоянных магнитных полях. Легированный кремнием и хромом низконикелевый пермаллой применяют при повышенных частотах.
Сплавы 79НМ, 80НХС, 81НМА, 83НФ с наивысшей магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях и индукцией насыщения 0,5 -0,75 Тл для магнитных экранов, сердечников магнитных усилителей и бесконтактных реле. Сплавы 27КХ, 49КХ, 49К2Ф и 49К2ФА, обладающие высокой индукцией технического насыщения (2,1 - 2,25 Тл), применяют для магнитных экранов, защищающих аппаратуру от воздействия сильных магнитных полей
Перед началом работы
Во время работы
В аварийных ситуациях
Лабораторная установка немедленно должна быть выключена в следующих случаях:
После окончания работы
Экспериментальным путем определить области эффективного использования различных материалов для электромагнитных материалов при изменении частот электромагнитного поля от 102 до 104 Гц.
Подключить установку для создания электромагнитного поля к генератору сигналов. Подключить измерительную катушку к входу осциллографа и к вольтметру. Измерить амплитуду U сигнала, пропорциональную напряженности электромагнитного поля внутри цилиндрического каркаса катушки возбуждения поля. Закрыть измерительную катушку экраном
Измерить амплитуду U’ сигнала с измерительной катушки. Определить эффективность экранирования
на данной частоте и записать в таблицу (см. приложение).
Проделать измерения по п.5.1.1. для частот 100, 500, 1000, 5000, 104 Гц. Определить эффективность экранирования на каждой частоте.
Исследуемые образцы экранов. Экспериментальное исследование свойств материалов для магнитных экранов осуществляется с применением образцов в
форме цилиндрических стаканов 9 (рис. 6), основные параметры которых приведеныв таблице 3.
Экраны могут быть как однослойными, так и многослойными с воздушным зазором между ними, цилиндрическими и с прямоугольным сечением. Расчет количества слоев экрана может быть проведен по достаточно громоздким формулам, поэтому выбор количества слоев рекомендуется производить по кривым эффективности экранирования, приведенными в справочниках.
При экранировании элементов изделия магнитостатическими и электромагнитными экранами следует учитывать, что они будут эффективны и как электростатические экраны, если их надежно соединить с корпусом устройства
1 - катушка возбуждения электромагнитного поля;
2 - немагнитный каркас;
3 - немагнитное основание;
4 - понижающий трансформатор;
5 - измерительная катушка;
6 и 7 - клеммные гнезда;
8 - тумблер;
9 - магнитный экран;
10 - генератор сигналов;
11 - осциллограф;
12 - вольтметр.
Провести измерения для экранов из стали обыкновенного качества, пермаллоя, алюминия, меди, латуни.
По результатам измерений построить кривые эффективности экранирования для различных материалов по типу рис.4. Проанализировать результаты эксперимента. Сравнить результаты эксперимента со справочными данными, сделать выводы.
Экспериментальным путем определить влияние толщины стенки экрана (стакана) на эффективность экранирования.
Для материалов с высокой магнитной проницаемостью (сталь, пермаллой) эксперимент провести в электромагнитном поле на частотах 100 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 5000 Гц, 10000 Гц по методике, изложенной для экранов с различной толщиной стенки.
Для материалов с электропроводностью (медь, алюминий) эксперимент провести на частотах 100 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 5000 Гц, 10000 Гц по изложенной методике.
Проанализировать результаты эксперимента. Сравнить результаты эксперимента с данными, приведенными в таблице 1. Сделать выводы
1. Гроднев И. И. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот. М.: Связь. 1972. - 275с.
2. Конструирование приборов. В 2-х кн. / Под ред. В. Краузе; Пер. с нем. В.Н. Пальянова; Под ред. О.Ф. Тищенко. - Кн. 1-М.: Машиностроение, 1987.
3. Материалы в приборостроении и автоматике: Справочник/ под. ред. Ю.М. Пятина. - 2е изд. Перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1982.
4. Оберган А.Н. Конструирование и технология средств измерений. Учебное пособие. - Томск, Ротапринт ТПИ. 1987. - 95с.
5. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. - М. Связьиздат, 1968.
6. Генератор сигналов синусоидальной формы Г6-26. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1980г. - 88с.
7. Осциллограф С1-64. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.
Учебно-методическое пособие
Составители: Гормаков А. Н., Мартемьянов В. М
Компьютерный набор и верстка Иванова В. С.
Экранирование магнитного поля.
Метод шунтирования. -Метод магнитного поля экраном.
Метод шунтирования магнитного поля экраном применяется для защиты от постоянного и медленно изменяющего переменного магнитного поля. Экраны изготавливаются из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницательностью (сталь, пермаллой). При наличии экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам, которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана. Чем толще экран и, чем меньше швов, стыков, тем экранирование эффективнее. Метод вытеснения магнитного поля экраном применяется для экранирования переменных высокочастотных магнитных полей. При этом используются экраны из немагнитных металлов. Экранирование основано на явлении индукции.
Если поставить на пути равнопеременного магнитного моля медный цилиндр, в котором возбудятся переменные вихревые индукционные токи(токи Фуко). Магнитное поле этих токов будет замкнутым; внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами – в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле оказывается ослабленным у цилиндра и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующее действие, которое будет тем эффективнее, чем меньше электрическое сопротивление цилиндра, т.е. чем больше протекающие по нему вихревые токи.
Благодаря поверхностному эффекту («скинэффекту») плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциальному закону
Где
μ– относительная магнитная проницаемость материала; μ˳– магнитная проницаемость вакуума, равная 1.25*108 гн*см-1; ρ– удельное сопротивление материала, Ом*см; ƒ– частота, Гц.
Для немагнитного материала μ = 1. И экранирующий эффект определяется только по ƒ и ρ.
Экранирование является активным методом защиты информации. Экранирование магнитного поля (магнитостатическое экранирование) используется при необходимости подавить наводки на низких частотах от 0 до 3..10 кГц. Эффективность магнитостатического экранирования повышается при применении многослойных экранов.
Эффективность магнитного экранирования зависит от частоты и электрических свойств материала экрана. Чем ниже частота, тем слабее действует экран, тем большей толщины приходится его делать для достижения одного и того же экранирующего эффекта. Для высоких частот, начиная с диапазона средних волн, экран из любого металла толщиной 0,5 ... 1,5 мм действует весьма эффективно. При выборе толщины и материала экрана следует учитывать механическую прочность, жесткость, стойкость против коррозии, удобство стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобство пайки, сварки и пр. Для частот выше 10 МГц медная и тем более серебряная пленка толщиной более 0,1 мм дает значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированного гетинакса или другого изоляционного материала с нанесенным на него медным или серебряным покрытием. Для изготовления экранов используются: металлические материалы, материалы-диэлектрики, стёкла с токопроводящим покрытием, специальные металлизированные ткани, токопроводящие краски. Металлические материалы (сталь, медь, алюминий, цинк, латунь), применяемые для экранирования, изготавливаются в виде листов, сеток и фольги.
Все эти материалы удовлетворяют требованию устойчивости против коррозии при использовании соответствующих защитных покрытий. Наиболее технологичными являются конструкции экранов из стали, так как при их изготовлении и монтаже можно широко использовать сварку или пайку. Металлические листы должны быть между собой электрически соединены по всему периметру. Шов электросварки или пайки должен быть непрерывным, с тем чтобы получить цельносварную конструкцию экрана. Толщина стали выбирается исходя из назначения конструкции экрана и условий его сборки, а также из возможности обеспечения сплошных сварных швов при изготовлении. Экраны из стали обеспечивают ослабление электромагнитного излучения более чем на 100 дБ. Сетчатые экраны проще в изготовлении, удобны для сборки и эксплуатации. Для защиты от коррозии сетки целесообразно покрывать антикоррозийным лаком. К недостаткам сетчатых экранов следует отнести невысокую механическую прочность и меньшую эффективность экранирования по сравнению с листовыми. Для сетчатых экранов пригодна любая конструкция шва, обеспечивающая хороший электрический контакт между соседними полотнищами сетки не реже чем через 10-15 мм. Для этой цели может применяться пайка или точечная сварка. Экран, изготовленный из лужёной низкоуглеродистой стальной сетки с ячейкой 2,5-3 мм, даёт ослабление порядка 55-60 дБ, а из такой же двойной (с расстоянием между наружной и внутренней сетками 100 мм) около 90 дБ. Экран, изготовленный из одинарной медной сетки с ячейкой 2,5 мм, имеет ослабление порядка 65-70 дБ
Использование: для получения пространства без магнитного поля, обеспечивающего повышение качества экранирования. Магнитный экран выполнен в виде оболочки с люком, причем оболочка расположена соосно с установленным вертикально кольцом постоянного магнита с осевой намагниченностью или двух расположенных подвижно относительно кольца оболочек, выполненных из композиционного или диамагнитного материала. Изобретение может применяться в медицине для снятия нагрузки в период магнитных бурь, а технике при производстве однородных постоянных магнитов, полупроводников, при производстве и настройке радиоэлектронной аппаратуры. 3 з.п ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для получения пространства без магнитного поля, в котором производятся настройка и испытание, например, датчиков феррозондового типа радиоизмерительной аппаратуры. Известны магнитные экраны из ферромагнитных материалов, для эффективной работы которых используют, например, размагничивающую катушку индуктивности, намотанную на корпус, и источник питания. Сравнительно часто для уменьшения остаточного магнитного поля экран, выполненный из нескольких слоев ферромагнитного материала, снабжен дополнительной размагничивающей обмоткой. Недостатком подобных систем является обязательная связь экрана с источником электрической энергии, которая при этом используется с низкой эффективностью. Для снижения энергетических затрат находят применение экраны, выполненные из сверхпроводящего материала или содержащие сверхпроводящие обмотки. При этом существенно усложняется конструкция и исключается использование экрана в полевых условиях. В качестве прототипа использовано устройство экранированной комнаты для магнитных измерений, которое содержит каркас с закрепленным на нем многослойным ферромагнитным экраном, опорные колонны на фундаменте, приборы освещения. Однако в этом случае по мере необходимости при намагничивании слоев магнитным полем Земли к вершинам углов каждого слоя подключается источник питания. Таким образом, в этом как и в других случаях магнитное поле Земли играет отрицательную роль. Для защиты от него и создают различные экраны. Цель изобретения - повышение качества экранирования. Это достигается тем, что магнитный экран выполнен в виде оболочки с люком, причем оболочка расположена соосно с кольцом постоянного магнита с осевой намагниченностью или две расположенные подвижно относительно кольца оболочки, выполненные из композиционного или диамагнитного материала, например из меди. На фиг. 1 показан постоянный кольцевой магнит; на фиг.2 - топография магнитного поля кольца. Постоянный кольцевой магнит 1 выполнен с внутренним радиусом R и толщиной , на опоре 2 на расстоянии S от кольца установлены оболочки 3 с люками 4 для доступа внутрь оболочки. На фиг.2 показана топография магнитного поля кольца с осевой намагниченностью, имеющего специфические области l и k. Персонал размещает в оболочке 3 используемые для работы (настройки) приборы (при необходимости размещается и сам) и устанавливает ее на расстоянии S, определяемом характерными размерами кольца R и . При этом расположение оболочек совпадает с областями l и k, в которых магнитное поле кольца равно нулю. Эти области являются магнитным вакуумом. Вертикальное размещение кольца упрощает его монтаж и взаимное расположение оболочек. При этом магнитное поле кольца может как совпадать, так в общем случае и не совпадать с магнитным полем Земли. Материал оболочек выбирается из учета его нейтральности к магнитному полю. В частности, таким материалом может быть либо композиционный, либо диамагнитный материал. Использование постоянного магнита с осевой намагниченностью в виде кольца и заданное расположение оболочек позволяют создать объемы без магнитного поля, которые, например, могут найти применение в медицине для снятия нагрузки в период магнитных бурь, в технике для производства и настройки радиоэлектронной аппаратуры, в перспективных производствах (изготовление однородных, постоянных магнитов, полупроводников, БИС и др.).
Формула изобретения
1. МАГНИТНЫЙ ЭКРАН, выполненный в виде оболочки с люком, отличающийся тем, что оболочка расположена соосно с кольцом постоянного магнита с осевой намагниченностью на расстоянии s = (2-2,5), где s - расстояние от плоскости симметрии кольца до центра естественного расслоения магнитного поля указанного кольца, в котором расположен магнитный экран с совмещением его центра с центром естественного расслоения магнитного поля от магнитного источника (кольца); - толщина кольца, а радиус оболочки соизмерим с радиусом центрального отверстия кольцевого постоянного магнита. 2. Экран по п.1, отличающийся тем, что он содержит расположенные соосно и подвижно относительно постоянного магнита две оболочки. 3. Экран по пп.1 и 2, отличающийся тем, что оболочки выполнены из композиционного материала. 4. Экран по пп.1 и 2, отличающийся тем, что оболочки выполнены из диамагнитного материала, например из меди.
Само собой разумеется, что намагничивание ферромагнитных, парамагнитных и диамагнитных тел происходит не только тогда, когда мы помещаем их внутрь соленоида, но и вообще всегда, когда вещество помещается в магнитное иоле. Во всех этих случаях к магнитному полю, которое существовало до внесения в него вещества, добавляется магнитное поле, обусловленное намагничиванием этого вещества, в результате чего магнитное поле изменяется. Из сказанного в предыдущих параграфах ясно, что наиболее сильные изменения поля происходят при внесении в него ферромагнитных тел, в частности железа. Изменение магнитного поля вокруг ферромагнитных тел очень удобно наблюдать, пользуясь картиной линий поля, получаемой при помощи железных опилок. На рис. 281 изображены, например, изменения, наблюдающиеся при внесении куска железа прямоугольной формы в магнитное поле, которое раньше было однородным. Как видим, поле перестает быть однородным и приобретает сложный характер; в одних местах оно усиливается, в других – ослабляется.
Рис. 281. Изменение магнитного поля при внесении в него куска железа
148.1. Когда на современных судах устанавливают и выверяют компасы, то вводят поправки к показаниям компаса, зависящие от формы и расположения частей судна и от положения компаса не нем. Объясните, почему это необходимо. Зависят ли поправки от сорта стали, примененной при постройке судна?
148.2. Почему суда, снаряжаемые экспедициями для исследования магнитного поля Земли, строят не стальные, а деревянные и для скрепления обшивки применяют медные винты?
Очень интересна и практически важна картина, которая наблюдается при внесении в магнитное поле замкнутого железного сосуда, например полого шара. Как видно из рис. 282, в результате сложения внешнего магнитного поля с полем намагнитившегося железа поле во внутренней области шара почти исчезает. Этим пользуются для создания магнитной защиты или магнитной экранировки, т. е. для защиты тех или иных приборов от действия внешнего магнитного поля.
Рис. 282. Полый железный шар внесен в однородное магнитное поле
Картина, которую мы наблюдаем при создании магнитной защиты, внешне напоминает создание электростатической защиты при помощи проводящей оболочки. Однако между этими явлениями есть глубокое принципиальное различие. В случае электростатической защиты металлические стенки могут быть сколь угодно тонкими. Достаточно, например, посеребрить поверхность стеклянного сосуда, помещенного в электрическое поле, чтобы внутри сосуда не оказалось поля, которое обрывается на поверхности металла. В случае же магнитного поля тонкие железные стенки не являются защитой для внутреннего пространства: магнитные поля проходят сквозь железо, и внутри сосуда оказывается некоторое магнитное поле. Лишь при достаточно толстых железных стенках ослабление поля внутри полости может сделаться настолько сильным, что магнитная, защита приобретает практическое значение, хотя и в этом, случае поле внутри не уничтожается полностью. И в этом случае ослабление поля не есть результат обрыва его на поверхности железа; линии магнитного поля отнюдь не обрываются, но по-прежнему остаются замкнутыми, проходя сквозь железо. Изображая графически распределение линий магнитного поля в толще железа и в полости, получим картину (рис. 283), которая и показывает, что ослабление поля внутри полости есть результат изменения направления линий поля, а не их обрыва.
Целью работы является изучение методов экранирования с помощью ВТСП устройств, получение объемного и толстопленочного экранов, исследование их коэффициентов ослабления поля.
Общие сведения
Экранирование представляет собой защиту объема от воздействия внешнего электрического, магнитного или электромагнитного полей. Как правило, в этом объеме располагается устройство, нуждающееся в защите от данного поля. В зависимости от вида и ориентации экранируемого поля выбираются материал и конструкция экрана. Так, например, магнитное поле традиционно экранируют с помощью конструкций из ферромагнетиков, а электромагнитные поля – с помощью проводниковых конструкций. Конструкция может иметь форму сферы, стакана с дном, длинного цилиндра и т.д.
Применение сверхпроводниковых материалов позволило существенно улучшить массогабаритные показатели экранирующих конструкций, однако необходимость использования жидкого гелия ограничивает применение таких экранов.
Применение ВТСП электромагнитных экранов на частотах порядка звуковых представляется достаточно перспективным, поскольку использование обычных металлов, например меди или алюминия, требует большой толщины экрана (соответствующие толщины скин-слоя составляют несколько сантиметров). Пермаллоевые и другие экраны с высоким значением магнитной проницаемости характеризуются также большими габаритами и массой.
Для монокристаллических образцов ВТСП значения глубины проникновения составляют доли микрометра. Для поликристаллических образцов она существенно больше (10 мкм), однако использование ВТСП экранов, экранирующих корпусов интегральных схем и т.д. является перспективным в сравнении с другими методами. Физической основой работы экрана является эффект Мейсснера-Оксенфельда. Внешнее магнитное поле в сверхпроводнике убывает с глубиной:
B (x ) = B (0) exp(-x / λ L ), (4.9)
где x – расстояние от поверхности,
λ L – лондоновская глубина проникновения.
Для низкотемпературных сверхпроводников λ L =10 -7 м, поэтому слабые поля в объемный сверхпроводник практически не проникают. Для реальных ВТСП, как уже отмечалось, эта величина много больше. Если величина внешнего магнитного поля становится сравнимой со значением нижнего критического поля, сверхпроводник второго рода может перейти в промежуточное состояние. При этом образец разбивается на чередующиеся сверхпроводящие и нормальные области (состояние Шубникова) и в него проникает магнитное поле. Индукция поля, при котором образец переходит в состояние Шубникова, определяется его формой и критическими свойствами материала. Для экрана в виде цилиндра с плоским дном и отношением внутреннего диаметра к внешнему не более 0,7 это поле (перпендикулярные оси цилиндра) можно определить из выражения
B ││ = В С 1 [(1-d /D )/2] 1/2 , (4.10)
где В С 1 – индукция первого критического поля материала;
D , d – внешний и внутренний диаметры экрана.
Индукция аксиального поля, при котором материал экрана переходит в промежуточное состояние, приблизительно равна критической индукции поля.
Для ВТСП материалов картина усложняется вследствие того, что они представляют собой гранулированные конгломераты, где между СП гранулами есть джозефсоновские контакты. В этом случае экранирующие свойства связывают с величиной критического поля межгранульных связей, при котором начинается проникновение поля в ВТСП.
Обычно ВТСП магнитные экраны выполняются путем одностороннего, двухстороннего или гидростатического прессования ВТСП порошка и последующего обжига. Такой способ пригоден для изготовления небольших экранов. Однако для изготовления длинномерных цилиндров или экранов более сложной формы (сфера) такой способ не подходит. В этом случае пользуются дискретными экранами, состоящими из фрагментов-колец. В предыдущей работе были изготовлены такие кольца-фрагменты, которые можно собрать в длинномерный цилиндр. Такие фрагменты могут быть выполнены нанесением тонких или толстых пленок на керамическое основание.
Коэффициент экранирования (ослабления поля) К определяется как отношение величины внутреннего поля B i к внешнему – B e :
К = B i / B e . (4.11)
Измерение производят следующим образом. Экран с датчиком поля помещают внутри соленоида, задающего внешнее поле. В качестве датчика используют феррозондовый датчик или, как в нашем случае, датчик Холла. Соленоид на штанге опускают в сосуд Дьюара с жидким азотом. Вся система располагается внутри установленного вертикально двухслойного ферромагнитного экрана с коэффициентом ослабления магнитного поля Земли около 100.
Последовательно с обмоткой соленоида включен резистор. Падение напряжения на резисторе пропорционально величине внешнего магнитного поля соленоида, ЭДС Холла пропорциональна величине внутреннего поля. Из графика U x = f(I c ) можно оценить коэффициент ослабления поля для данного экрана.
Рис. 4.8. Толстопленочный фрагмент-кольцо магнитного экрана:
1 – керамика, 2 – пленка
Рис. 4.9. Температурный режим вжигания ВТСП пленки: Т 1 =120°С (30 мин) V 1 =30ºС/ч; Т 2 =910-915°С (10-20 мин); Т 3 =895°С, V 2 =6ºС/ч; Т 4 =860°С
Задания
1). Получите толстопленочные фрагменты-кольца.
1.1. На керамическое основание (рис. 4.8) нанесите пасту (порошок Bi-2212 и 10–15% органической связки).
1.2. В электрической печи проведите вжигание пасты (рис. 4.9).
Рис. 4.10. Магнитный экран: Ф – кольца-фрагменты экрана; Д – датчик Холла;
a – расстояние между кольцами-фрагментами; L – обмотка соленоида
2). Соберите магнитные экраны.
2.1. Соберите экран из объемных колец-фрагментов.
2.2. Соберите экран из пленочных колец-фрагментов.
3). Измерьте коэффициент экранирования объемного и пленочного экранов.
3.1. Соберите схему для измерения коэффициента экранирования (рис. 4.11).
Рис. 4.11. Схема установки для измерения коэффициента экранирования: ИП – источники питания, Д – датчик Холла, С – двухкоординатный самописец; L – соленоид;
R – резистор
3.2. Получите графики B i = f(B e ).
3.3. Изменяя расстояние между кольцами, получите графики K =B i /B e = f(a ).
4). Оформите отчет, содержащий графики и их сравнительную оценку.
Контрольные вопросы
1. Как осуществляют экранирование?
2. Какие существуют экраны?
3. Какие устройства требуют экранирования?
4. Опишите и объясните эффект Мейсснера.
5. Охарактеризуйте состояние Шубникова.
6. Что такое вихри Абрикосова?
7. Поясните характер зависимости x =f(a ).
8. Как работает устройство измерения коэффициента ослабления?
Литература
1. Красов В.Г. и др. Толстопленочная технология в СВЧ микроэлектронике / Красов В.Г., Петрацскас Г.Б., Чернозубов Ю.С. – М.: Радио и связь, 1985.- 168 с.
2. Бондаренко С.И., Шеремет В.И. Применение сверхпроводимости в магнитных измерениях – Л.: Энергоатомиздат, 1982.-132 с.
Заключение
Мы рассмотрели в этой книге основные вопросы проектирования и технологии высокотемпературной криоэлектроники. Из-за ограниченности объема пособия и желания сэкономить время читателя рассматривались наиболее важные в теоретическом и практическом плане вопросы. Многие существенные моменты, недостаточно “продвинутые” в практическом плане, остались вне поля зрения.
Недавно исполнилось 90 лет со дня открытия сверхпроводимости и 40 лет с тех пор, как на базе сверхпроводниковых материалов и криогенной техники гелиевых температур зародились низкотемпературные сверхпроводниковые технологии, в числе которых была и криоэлектроника. Одним из первых её элементов был проволочный криотрон. За прошедшие годы низкотемпературная криоэлектроника получила существенное развитие: были изобретены цифровые устройства на базе криотронов (в начале пленочных, а затем джозефсоновских); приемники и преобразователи СВЧ сигналов, приборы на базе СКВИДов и т. д.
Более 15 лет прошло со дня открытия высокотемпературной сверхпроводимости – события, которое должно было стимулировать работы в области сверхпроводимости вообще и криоэлектроники в частности. Так и случилось: количество и объем исследований в этой области резко возросли в 1996 году и в настоящее время являются довольно значительными.
Однако, несмотря на явные успехи, высокотемпературная криоэлектроника все еще находится на стадии становления, чему имеются различные причины.
Сегодня сохранилось драматичное и напряженное состояние в области исследований ВТСП. По-прежнему велики ожидания в этом плане. Правительство и промышленные фирмы, вложившие и продолжающие вкладывать в исследования ВТСП крупные средства, внимательно следят за прикладными аспектами исследований, опасаясь пропустить момент рывка в наукоемкий (а значит перспективный, престижный и доходный) ВТСП рынок. Большие ожидания заставляют скрупулезно оценивать и сегодняшнее состояние исследований, и их рыночный потенциал.
К причинам, тормозящим развитие криоэлектроники, можно отнести также:
· слабую изученность криоэлектронных процессов в охлаждаемых структурах и пленках,
· недостаточность реальных конструкторско-технологических идей по созданию интегральных криоэлектронных приборов и особенно – надежных, воспроизводимых, многоэлементных, многослойных интегральных схем с субмикронными зазорами.
Практически отсутствуют методы снижения энергоемкости и массогабаритных показателей криостатов, увеличения срока их непрерывной работы.
Иными словами, необходимо найти решения, с помощью которых полученные результаты будут дешевыми, воспроизводимыми, доступными. Мы надеемся, что приобретенные вами знания и навыки помогут решить поставленные задачи.
