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.

Изготовление и исследование свойств магнитных экранов

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.

МАГНИТНОЕ ЭКРАНИРОВАНИЕ (магнитная защита) - защита объекта от воздействия магн. полей (постоянных и переменных). Совр. исследования в ряде областей науки ( , геология, палеонтология, биомагнетизм) и техники (космич. исследования, атомная энергетика, материаловедение) часто связаны с измерениями очень слабых магн. полей ~10 -14 -10 -9 Тл в широком частотном диапазоне. Внешние магнитные поля (например, поле Земли Тл с шумом Тл, магн. шумы от электрич. сетей и городского транспорта) создают сильные помехи для работы высокочувствит. магнитометрич. аппаратуры. Уменьшение влияния магн. полей в сильной степени определяет возможности проведения магн. измерений (см., напр., Магнитные поля биологических объектов ).Среди методов М. э. наиболее распространены следующие.

Экранирующее действие полого цилиндра из ферромагнитного вещества с (1 - внеш. поверхность цилиндра, 2 -внутр. поверхность). Остаточное магнитное поле внутри цилиндра

Ферромагнитный экран - лист, цилиндр, сфера (или оболочка к--л. иной формы) из материала с высокой магнитной проницаемостью m низкой остаточной индукцией В r и малой коэрцитивной силой Н с . Принцип действия такого экрана можно проиллюстрировать на примере полого цилиндра, помещённого в однородное магн. поле (рис.). Линии индукции внеш. магн. поля B внеш при переходе из среды с в материал экрана заметно сгущаются, а в полости цилиндра густота линий индукции уменьшается, т. е. поле внутри цилиндра оказывается ослабленным. Ослабление поля описывается ф-лой

где D - диаметр цилиндра, d - толщина его стенки, - магн. проницаемость материала стенки. Для расчёта эффективности М. э. объёмов разл. конфигурации часто используют ф-лу

где - радиус эквивалентной сферы (практически ср. значение размеров экрана в трёх взаимно перпендикулярных направлениях, т. к. форма экрана мало влияет на эффективность М. э.).

Из ф-л (1) и (2) следует, что использование материалов с высокой магн. проницаемостью [таких, как пермаллой (36-85% Ni, остальное Fe и легирующие добавки) или мю-металл (72-76% Ni, 5% Сu, 2% Сr, 1% Мn, остальное Fe)] существенно улучшает качество экранов (у железа ). Кажущийся очевидным способ улучшения экранирования за счёт утолщения стенки не оптимален. Эффективнее работают многослойные экраны с промежутками между слоями, для к-рых коэф. экранирования равен произведению коэф. для отд. слоев. Именно многослойные экраны (внеш. слои из магн. материалов, насыщающихся при высоких значениях В , внутренние - из пермаллоя или мю-металла) составляют основу конструкций магнитозащищённых комнат для биомагнитных, палеомагнитных и т. п. исследований. Следует отметить, что применение защитных материалов типа пермаллоя связано с рядом трудностей, в частности с тем, что их магн. свойства при деформациях и значит. нагревах ухудшаются, они практически не допускают сварки, значит. изгибов и др. механич. нагрузок. В совр. магн. экранах широко применяются ферромагн. металлические стёкла (метглассы), близкие по магн. свойствам к пермаллою, но не столь чувствительные к механич. воздействиям. Полотно, сотканное из полосок метгласса, допускает изготовление мягких магн. экранов произвольной формы, а многослойное экранирование этим материалом много проще и дешевле.

Экраны из материала с высокой электропроводностью (Сu, А1 и др.) служат для защиты от переменных магн. полей. При изменении внеш. магн. поля в стенках экрана возникают индукц. токи, к-рые охватывают экранируемый объём. Магн. поле этих токов направлено противоположно внеш. возмущению и частично компенсирует его. Для частот выше 1 Гц коэф. экранировки К растёт пропорционально частоте:

где - магнитная постоянная , - электропроводность материала стенки, L - размер экрана, - толщина стенки, f - круговая частота.

Магн. экраны из Сu и А1 менее эффективны, чем ферромагнитные, особенно в случае низкочастотного эл--магн. поля, но простота изготовления и невысокая стоимость часто делают их более предпочтительными в применении.

Сверхпроводящие экраны . Действие экранов этого типа основано на Мейснера эффекте - полном вытеснении магн. поля из сверхпроводника. При всяком изменении внеш. магн. потока в сверхпроводниках возникают токи, к-рые в соответствии с Ленца правилом компенсируют эти изменения. В отличие от обычных проводников в сверхпроводниках индукц. токи не затухают и поэтому компенсируют изменение потока в течение всего времени существования внеш. поля. То обстоятельство, что сверхпроводящие экраны могут работать при очень низких темп-pax и полях, не превышающих критич. значения (см. Критическое магнитное поле ),приводит к существенным трудностям при конструировании больших магнитозащищённых "тёплых" объёмов. Однако открытие оксидных высокотемпературных сверхпроводников (ОВС), сделанное Й. Беднорцем и К. Мюллером (J. G. Bednorz, К. A. Miiller, 1986), создаёт новые возможности в использовании сверхпроводящих магн. экранов. По-видимому, после преодоления технологич. трудностей в изготовлении ОВС, будут применяться сверхпроводящие экраны из материалов, становящихся сверхпроводниками при темп-ре кипения азота (а в перспективе, возможно, и при комнатных темп-рах).

Следует отметить, что внутри магнитозащищённого сверхпроводником объёма сохраняется остаточное поле, существовавшее в нём в момент перехода материала экрана в сверхпроводящее состояние. Для уменьшения этого остаточного поля необходимо принять спец. меры. Напр., переводить экран в сверхпроводящее состояние при малом по сравнению с земным магн. поле в защищаемом объёме или использовать метод "раздувающихся экранов", при к-ром оболочка экрана в сложенном виде переводится в сверхпроводящее состояние, а затем расправляется. Подобные меры позволяют пока в небольших объёмах, ограниченных сверхпроводящими экранами, свести остаточные поля до величины Тл.

Активная защита от помех осуществляется при помощи компенсирующих катушек, создающих магн. поле, равное по величине и противоположное по направлению полю помехи. Алгебраически складываясь, эти поля компенсируют друг друга. Наиб. известны катушки Гельмгольца, представляющие собой две одинаковые соосные круговые катушки с током, раздвинутые на расстояние, равное радиусу катушек. Достаточно однородное магн. поле создаётся в центре между ними. Для компенсации по трём пространств. компонентам необходимы минимум три пары катушек. Существует много вариантов таких систем, и выбор их определяется конкретными требованиями.

Система активной защиты, как правило, используется для подавления НЧ-помех (в диапазоне частот 0-50 Гц). Одно из её назначений - компенсация пост. магн. поля Земли, для чего необходимы высокостабильные и мощные источники тока; второе - компенсация вариаций магн. поля, для к-рой могут использоваться более слабые источники тока, управляемые датчиками магн. поля, напр. магнитометрами высокой чувствительности - сквидами или феррозондами .В большой степени полнота компенсации определяется именно этими датчиками.

Существует важное отличие активной защиты от магн. экранов. Магн. экраны устраняют шумы во всём объёме, ограниченном экраном, в то время как активная защита устраняет помехи лишь в локальной области.

Все системы подавления магн. помех нуждаются в антивибрац. защите. Вибрация экранов и датчиков магн. поля сама может стать источником дополнит. помех.

Лит.: Роуз-Инс А., Родерик Е., Введение в физику , пер. с англ., М., 1972; Штамбергер Г. А., Устройства для создания слабых постоянных магнитных полей, Новосиб., 1972; Введенский В. Л., Ожогин В. И., Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм, М., 1986; Bednorz J. G., Мullеr К. А., Possible high Тс superconductivity in the Ba-La-Сr-О system, "Z. Phys.", 1986, Bd 64, S. 189. С. П. Наурзаков .

Экранирование магнитных полей может быть осуществленно двумя методами:

Экранирование с помощью ферромагнитных материалов.

Экранирование с помощью вихревых токов.

Первый метод применяется обычно при экранировании постоянных МП и полей низкой частоты. Второй метод обеспечивает значительную эффективность при экранировании МП высокой частоты. Из-за поверхностного эффекта плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциально­му закону:

Показатель уменьшения поля и тока, который назы­вают эквивалентной глубиной проникновения.

Чем меньше глубина проникновения, тем больший ток течет в поверхностных слоях экрана, тем больше создаваемое им обратное МП, вытесняющее из пространства, занятое экраном, внешнее поле источника наводки. Если экран сделан из немагнитного материала, то экранирующий эффект будет зависеть только от удельной проводимости материала и частоты экранирующего поля. Если экран сделан из ферромагнитного материала, то при прочих равных условиях внешним полем в нем будет наводиться большая э. д. с. благодаря большей концентрации магнитных силовых линий. При одинаковой удельной проводимости материала увеличатся вихревые токи, что приведет к меньшей глубине проникновения и к лучшему экранирующему эффекту.

При выборе толщины и материала экрана следует исходить не из электрических свойств материала, а ру­ководствоваться соображениями механической прочно­сти, веса, жесткости, стойкости против коррозии, удобства стыковки отдельных деталей и осуществления меж­ду ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобства пайки, сварки и прочим.

Из данных таблицы видно, что для частот выше 10 МГц медная и тем более серебряная пленки толщиной около 0,1 мм дает значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированого гетинакса или стеклотекстолита. На больших частотах сталь дает больший экранирующий эффект, чем немагнитные металлы. Однако стоит учитывать, что такие экраны могут вносить значительные потери в экранируемые цепи вследствие большого удельного сопротивления и явления гистерезиса. Поэтому такие экраны применимы только в тех случаях, когда с вносимыми потерями можно не считаться. Так же для большей эффективности экранирования экран должен обладать меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух, тогда силовые линии магнитного поля стремятся пройти по стенкам экрана и в меньшем числе проникают в пространство вне экрана. Такой экран одинаково пригоден для защиты от воздействия магнитного поля и для защиты внешнего пространства от влияния магнитного поля созданного источником внутри экрана.

Существует много марок стали и пермаллоя с различными величинами магнитной проницаемости, поэтому для каждого материала нужно расчитывать величину глубины проникновения. Расчет производится по приближенному уравнению:

1) Защита от внешнего магнитного поля

Магнитные силовые линии внешнего магнитного поля (линии индукции магнитного поля помех) будут проходить в основном по толще стенок экрана, обладающего малым магнитным сопротивлением по сравнению с сопротивлением пространства внутри экрана. В результате внешнее магнитное поле помех не будет влиять на режим работы электрической цепи.

2) Экранирование собственного магнитного поля

Такое кранирование используется, если ставится задача предохранения внешних электрических цепей от воздействия магнитного поля, создаваемого током катушки. Индуктивности L, т. е. когда требуется практически локализовать помехи, создаваемые индуктивностью L, то такая задача решается при помощи магнитного экрана, как это схематически показано на рисунке. Здесь почти все силовые линии поля катушки индуктивности будут замыкаться через толщу стенок экрана, не выходя за их пределы вследствие того, что магнитное сопротивление экрана намного меньше сопротивления окружающего пространства.

3) Двойной экран

В двойном магнитном экране можно представить себе, что часть магнитных силовых линий, которые выйдут за толщу стенок одного экрана, замкнутся через толщу стенок второго экрана. Точно также можно представить себе действие двойного магнитного экрана при локализации магнитных помех, создаваемых элементом электрической цепи, находящимся внутри первого (внутреннего) экрана: основная масса магнитных силовых линий (линии магнитного рассеяния) замкнется через стенки наружного экрана. Разумеется, что в двойных экранах должны быть рационально выбраны толщины стенок и расстояние между ними.

Общий коэффициент экранирования достигает наибольшей величииы в тех случаях, когда толщина стенок и промежуток между экранами увеличивается пропорционально расстоянию от центра экрана, причем величина промежутка является средней геометрической величиной толщин стенок примыкающих к нему экранов. При этом коэффициент экранирования:

L = 20lg (H/Нэ)

Изготовление двойных экранов в соответствии с указанной рекомендацией практически затруднено из технологических соображений. Значительно целесообразнее выбрать расстояние между оболочками, прилегающими к воздушному промежутку экранов, большим, чем толщина первого экрана, приблизительно равным расстоянию между стеикой первого экрана и краем экранируемого элемента цепи (например, катушки иидуктивности). Выбор той или иной толщины стенок магнитного экрана нельзя сделать однозначным. Рациональная толщина стенок определяется. материалом экрана, частотой помехи и заданным коэффициентом экранирования. При этом полезно учитывать следующее.

1. При повышении частоты помех (частоты переменного магнитного поля помех) магнитная проницаемость материалов падает и вызывает снижение экранирующих свойств этих материалов, так как по мере снижения магнитной проницаемости возрастает сопротивление магнитному потоку, оказываемое экраном. Как правило, уменьшение магнитной проницаемости с повышением частоты идет наиболее интенсивно у тех магнитных материалов, у которых имеется наибольшая начальная магнитная проницаемость. Например, листовая электротехническая сталь с малой начальной магнитной проницаемостью мало изменяет величину jx с повышением частоты, а пермаллой, имеющий большие начальные значения магнитной проницаемости, весьма чувствителен к повышению частоты магнитного поля; магнитная проницаемость у него резко падает с частотой.

2. В магнитных материалах, подверженных действию высокочастотного магнитного поля помех, заметно проявляется поверхностный эффект, т. е. вытеснение магнитного потока к поверхности стенок экрана, вызывая увеличение магнитного сопротивления экрана. При таких условиях кажется, что почти бесполезно увеличивать толщину стенок экрана за пределы тех величин, которые заняты магнитным потоком при данной частоте. Такой вывод неправилен, ибо увеличение толщины стенок приводит к снижению магнитного сопротивления экрана даже при наличии поверхностного эффекта. При этом одновременно следует учитывать и изменение магнитной проницаемости. Так как явление поверхностного эффекта в магнитных материалах обычно начинает сказываться заметнее, чем снижение магнитной проницаемости в области низких частот, то влияние обоих факторов на выбор толщины стенок экрана будет различным на разных диапазонах частот магнитных помех. Как правило, снижение экранирующих свойств с повышением частоты помехи сильнее проявляется в экранах из материалов с высокой начальной магнитной проницаемостью. Указанные выше особенности магнитных материалов дают основание для рекомендаций по выбору материалов и толщины стенок магнитных экранов. Эти рекомендации могут быть сведены к следующим:

А) экраны из обычной электротехнической (трансформаторной) стали, обладающие малой начальной магнитной проницаемостью, можно применять при необходимости обеспечить малые коэффициенты экранирования (Кэ 10); такие экраны обеспечивают почти неизменный коэффициент экранирования в достаточно широкой полосе частот, вплоть до нескольких десятков килогерц; толщина таких экранов зависит от частоты помехи, причем чем ниже частота, тем большая толщина экрана требуется; например, при частоте магнитного поля помех 50-100 гц толщина стенок экрана должна быть приблизительно равна 2 мм; если требуется увеличение коэффициента экранирования или большая толщина экрана, то целесообразно применять несколько экранирующих слоев (двойных или тройных экранов) меньшей толщины;

Б) экраны из магнитных материалов с высокой начальной проницаемостью (например пермаллой) целесообразно применять при необходимости обеспечения большого коэффициента экранирования (Кэ > Ю) в сравнительно узкой полосе частот, причем толщину каждой оболочки магнитного экрана нецелесообразно выбирать больше 0,3-0,4 мм; экранирующее действие таких экранов начинает заметно падать на частотах, выше нескольких сот или тысяч герц, в зависимости от начальной проницаемости этих материалов.

Все сказанное выше о магнитных экранах справедливо в отношении слабых магнитных полей помех. Если же экран находится вблизи от мощных источников помех и в нем возникают магнитные потоки с большой магнитной индукцией, то, как известно, приходится учитывать изменение магнитной динамической проницаемости в зависимости от индукции; необходимо также учитывать при этом потери в толще экрана. Практически же с такими сильными источниками магнитных полей помех, при которых надо было бы считаться с их действием на экраны, не встречаются, за исключением некоторых специальных случаев, не предусматривающих радиолюбительскую практику и нормальные условия работы радиотехнических устройств широкого применения.

Тест

1. При магнитном экранировании экран должен:
1) Обладать меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух
2) обладать равным воздуху магнитным сопротивлением
3) обладать большим магнитным сопротивлением, чем воздух

2. При экранировании магнитного поля Заземление экрана:
1) Не влияет на эффективность экранирования
2) Увеличивает эффективность магнитного экранирования
3) Уменьшает эффективность магнитног экранирования

3. На низких частотах (<100кГц) эффективность магнитного экранирования зависит от:
а) Толщины экрана, б) Магнитной проницаемости материала, в) Расстояния между экраном и другими магнитопроводами.
1) Верно только а и б
2) Верно только б и в
3) Верно только а и в
4) Все варианты верны

4. В магнитном экранировании при низких частотах используется:
1) Медь
2) Аллюминий
3) Пермаллой.

5. В магнитном экранировании при высоких частотах используется:
1) Железо
2) Пермаллой
3) Медь

6. На высоких частотах (>100кГц) эффективность магнитного экранирования не зависит от:
1) Толщины экрана

2) Магнитной проницаемости материала
3) Расстояния между экраном и другими магнитопроводами.

Использованая литература:

2. Семененко, В. А. Информационная безопасность / В. А. Семененко - Москва, 2008г.

3. Ярочкин, В. И. Информационая безопасность / В. И. Ярочкин – Москва, 2000г.

4. Демирчан, К. С. Теоретические основы электротехники III том / К. С. Демирчан С.-П, 2003г.

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.

Оборудование, приборы и инструмент

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.

Характеристики сплавов для магнитных экранов

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

Требования по безопасности

Перед началом работы

• Уяснить расположение и назначение органов управления лабораторной установки и измерительной аппаратуры.
• Подготовить рабочее место для безопасной работы: убрать лишние предметы со стола и установки.
• Проверить: наличие и исправность системы заземления, целость корпуса установки, питающих шнуров, штепсельных разъемов. Не приступать к работе, если у лабораторной установки (стенда) сняты защитные панели.

Во время работы

• Работу можно проводить только на исправном оборудовании.
• Не допускается перекрывание вентиляционных отверстий (жалюзей) в корпусах лабораторных установок посторонними предметами.
• Нельзя оставлять установку включенной, отлучаясь даже на короткое время.
• В случае перерыва в электроснабжении установки ее надо обязательно выключить.

В аварийных ситуациях

Лабораторная установка немедленно должна быть выключена в следующих случаях:

1. несчастный случай или угроза здоровью человека;
2. появление запаха, характерного для горящей изоляции, пластмасс, краски;
3. появление треска, щелчков, искрения;
4. повреждение штепсельного соединения или электрического кабеля, питающего установку.

После окончания работы

• Выключить лабораторную установку и измерительные приборы.
• Отключить установку и измерительные приборы от сети. Привести в порядок рабочее место.
• Убрать посторонние предметы, очистить от возможного мусора (ненужной бумаги).

Задание и методика исследований

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

ЛИТЕРАТУРА

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.