CC BY
51
ПОСТРОЕНИЕ КАРТЫ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
ТОМОГРАФА
Н.И. Бочков, В.В. Гальчинский Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.А. Иванов
Рассматриваются вопросы измерения постоянного магнитного поля томографа, построение карты поля. Выбран тип используемого магнитометра, описывается методика проведения измерений.
Построение карты постоянного магнитного поля томографа является первым шагом для решения задачи построения изображения в линейно искаженном магнитном поле. Построение карты магнитного поля осуществляется регистрацией напряженности поля в массиве точек исследуемого пространства. Одним из главных компонентов в системе регистрации магнитного поля являются датчики. Методы создания магнитных датчиков базируются на многих явлениях из физики и электроники. Для выполнения поставленной задачи нами был использован магнетометр - прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ (магнитных материалов).
В зависимости от используемого метода измерений магнитометры можно разделить на несколько типов. Индукционные магнетометры основаны на явлении электромагнитной индукции - возникновении ЭДС в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь ее контур магнитного потока, по этому же принципу действуют феррозондовые магнетометры. Квантовые магнетометры - приборы, основанные на ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе, свободной прецессии магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах. Сверхпроводящие квантовые магнетометры основаны на квантовых эффектах в сверхпроводниках (эффект Джозефсона, эффект Мейснера). Гальваномагнитные магнетометры основаны на явлении искривления траектории электрических зарядов, движущихся в магнитном поле под действием силы Лоренца. К этой группе относятся магнетометры на эффекте Холла, на эффекте Гаусса, на явлении падения анодного тока в вакуумных магнетронах и электроннолучевых трубках и другие. Для измерения напряженности и изучения топологии магнитного поля в различных средах нашли применение магнетометры, основанные на вращении плоскости поляризации света в магнитном поле или поле намагниченного образца (эффект Фарадея, эффект Керра).
Многообразие типов магнетометров позволяет остановиться на том, который соответствует поставленной задаче измерений, не привлекая дорогостоящие приборы. В нашей работе мы использовали магнитометр, выполненный на датчике, использующем эффект Холла и магнетометр на феррозондовых датчиках.
Эффект Холла использует магнитное поле, возникающее под прямым углом к проводнику в момент прохождения по нему электрического тока. Если через полупроводник в одном направлении пропускать постоянный ток I плотностью у, а в другом направлении воздействовать магнитным полем В, то в третьем направлении можно измерить напряжение V, меняющееся пропорционально силе магнитного поля: V = Я • В • Ь • 7,
где Я - постоянная Холла, Ь - расстояние между гранями, на которых возникает измеряемое напряжение.
Измеряемое напряжение меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное. Из приведенной формулы следует, что У= к • В, поэтому, если прокалибровать связь между измеренным напряжением и величиной магнитного поля, можно использовать датчики на основе эффекта Холла для измерения величины магнитных полей.
Принцип работы индукционного датчика основан на эффекте электромагнитной индукции, возникающей в электрическом контуре при изменении магнитного поля. Магнитометры на феррозондовых датчиках являются разновидностью индукционных магнетометров с сердечником из материала с высокой магнитной проницаемостью. Принципиальное их отличие от индукционных магнетометров состоит в том, что сердечник находится в перемагничивающем магнитном поле. Выходное напряжение фер-розондового магнетометра пропорционально приложенному магнитному полю вдоль направления оси сердечника. Потенциальная чувствительность определяется шумами Баркгаузена, зависящих от материала сердечника.
В настоящее время изготовлением магнитометров занимается достаточно большое количество предприятий и организаций, одним из которых является НВЛАБ (Санкт-Петербург), отделение средств магнитометрии ООО «НПО ЭНТ». Отделение осуществляет исследования и разработки в области средств контроля магнитного и электромагнитного полей. Среди разработок НВЛАБ - магнитометрыНВ1200А и НВ0204.4А.
Магнитометр НВ1200А предназначен для измерения индукции постоянного магнитного поля. В качестве датчика использован преобразователь Холла. Датчик размещается на конце штока. В базовой модели прибора два диапазона с автоматическим переключением предела измерения. Общий предел измерения 250 мТл. Разрешающая способность до 0,01 мТл. В приборе предусмотрен текущий контроль встроенного источника питания; обеспечивается возможность передачи результатов измерений в компьютер по интерфейсу RS-232.
Магнитометр трехкомпонентный НВ0204.4А предназначен для измерения трех компонент и модуля вектора индукции постоянного магнитного поля в диапазоне до 100 мкТл. Магнитометр включает пульт и трехкомпонентный преобразователь индукции на основе феррозондовых датчиков. Пульт содержит двухстрочный жидкокристаллический индикатор, на который одновременно выводятся измеренные значения трех компонент и модуля вектора индукции магнитного поля. В качестве преобразователя в магнитометре использован трехкомпонентный преобразователь индукции магнитного поля с цифровым выходом по интерфейсу RS-232. На конце корпуса преобразователя помещен блок из трех феррозондовых датчиков, имеющих длину вдоль магнитной оси 20 мм. В преобразователе реализована процедура цифровой ортогонализации датчиков, обеспечивающая неортогональность в преобразователе в пределах 0,5 угловых градуса. В случае необходимости преобразователь магнитометра может работать непосредственно с персональным компьютером (интерфейс RS-232). В комплект поставки включено программное обеспечение, необходимое для регистрации и сохранения в память компьютера результатов измерений.
Используя серийно изготовленный магнитометр НВ1200А и специально изготовленный для измеряемой напряженности поля магнетометр на феррозондовых датчиках, мы провели серию экспериментов по измерению магнитного поля томографа Siemens Magnetom Open, напряженность поля в рабочем объеме по паспортным характеристикам 0,2 Тл.
Измерения проводились в экранированном помещении, соответствующем технике безопасности эксплуатации магнито-резонансного томографа; влияние внешних помех искусственного происхождения, вызванное деятельностью человека в индустриальных районах, исключено до необходимого минимума. Магнитометры обоих типов (магнетометр на датчике Холла и феррозондовый магнетометр) имеют достаточную для поставленных задач точность измерений. Предварительные (пробные) измерения проводились магнетометром на датчике Холла с ручной регистрацией результатов измерений, построении графиков в общедоступных компьютерных программах. Основная часть работ была выполнена с помощью магнетометра на феррозондовых датчиках, с записью полученных данных через интерфейс RS-232 непосредственно на компьютер с
помощью программы, разработанной для данного эксперимента. Программа позволяет производить ручную, с записью в файл, а также автоматическую регистрацию измеряемой величины через заданный промежуток времени, в реальном времени строится график зависимости измеряемой величины от времени, возможно построение двух-или трехмерной матрицы полученных данных с заданной формой пространства.
По результатам измерений построены результирующие графики по различным плоскостям исследований. Были проведены измерения как в рабочем объеме томографа, где магнитное поле имеет высокую однородность, так и на различных расстояниях от центра рабочего объема в пределах экранированного помещения. Измерения проводились с помощью плоскости из оргстекла, размеченной координатной сеткой. Предварительно с помощью лазерного построителя плоскостей (точность измерения ±1 мм на 3 м) была осуществлена базовая привязка, построена черновая база по помещению для исследования, установочная база относительно томографа и измерительная база по плоскости из оргстекла.
Таким образом, проведенные измерения в различных плоскостях после получения массива данных по напряженности магнитного поля позволяют построить трехмерную модель поля томографа. В соответствии с заданными характеристиками томографа поле в рабочем объеме (сфера около 50 см в диаметре, расположенная в центре области исследования) является однородным, принимая во внимание предел погрешностей используемых приборов. При измерениях за пределами рабочего объема напряженность поля до определенных пределов равномерно уменьшается, затем достаточно быстро падает до 50-70% от величины напряженности в рабочем объеме и далее снова равномерно уменьшается. Достаточно большое снижение напряженности поля томографа внутри экранированного помещения позволяет гарантировать допустимую величину напряженности за пределами помещений для исследования.
В научном плане проведенный эксперимент рассматривается как предварительный, для отработки методики измерения поля томографа. В дальнейшем планируется оптимизация методики измерения, повышение точности измерения при проведении следующего этапа работ - измерений в линейно искаженном магнитном поле.
Литература
1. Преображенский A.A., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы: Учебник для студ. вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики». / 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1986. 352 е.: ил.
2. Антонов В.Г., Петров Л.М., Щелкин А.П. Средства измерений магнитных параметров материалов. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 216 с.
3. Комаров Е.В., Покровский А.Д., Сергеев В.Г., Шихин А.Я. Испытание магнитных материалов и систем. М.: Энергоатомиздат, 1984. 376 с.
4. Афанасьев Ю.В., Студенцов Н.В., Хорев В.Н., Чечурина E.H., Щелкин А.П. Средства измерений параметров магнитного поля. Л.: Энергия, 1979. 320 с.
5. Информационный материал ООО «НПО ЭНТ».
