CC BY
38
УДК 550.838
РАЗМАГНИЧИВАНИЕ ДИА- И ПАРАМАГНЕТИКОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ПРИБОРАХ ТОЧНОЙ МАГНИТОМЕТРИИ
Юрий Анатольевич Копытенко
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН, Санкт-Петербургский филиал, 199034, Россия, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., 5, лит. «Б», доктор физико-математических наук, директор, тел. (812)323-78-45, e-mail: office@izmi ran.spb.ru
Николай Феликсович Кротевич
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)334-41-53.
Марина Николаевна Никитенко
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-96-02, e-mail: [email protected]
В статье рассматривается необходимость дополнительного размагничивания диа- и парамагнитных материалов, которые применяются в конструкциях тесламетров и магнитометров для улучшения достоверности показаний и повышения их точности. Практически несложный магнитомеханический синтез таких материалов достигнут путем применения высокочувствительного и технологичного каппаметра. Синтезированы некоторые образцы из стандартных материалов, размагниченные до уровня 5-10- ед. СИ.
Ключевые слова: размагничивание, магнитная восприимчивость, диамагнетики, парамагнетики.
DEMAGNETIZATION OF DIAMAGNETS AND PARAMAGNETS UTILIZED IN THE PRECISION MAGNETOMETRY MEASURING INSTRUMENTS
Yuriy A. Kopytenko
Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation RAS, St.-Petersburg Filial, 199034, Russia, St.-Petersburg, 5 Universitetskaya nab., lit. «B», Doctor of Science, Director, tel. (812)323-78-45, e-mail: [email protected]
Nikolay F. Krotevich
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Senior Research Scientist, tel. (383)334-41-53
Marina N. Nikitenko
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Senior Research Scientist, tel. (383)330-96-02, e-mail: [email protected]
This article discusses the necessity for additional demagnetization of diamagnetic and paramagnetic materials, applied in teslameters and magnetometers, for the reliability and measurement accuracy improvement. Practically unsophisticated magnetomechanical combining of diamagnets
and paramagnets has been achieved by applying a highly sensitive and easily producible susceptibility meter. We have synthesized some samples made of standard materials and demagnetized
o
them to 540" SI units.
Key words: demagnetization, magnetic susceptibility, diamagnets, paramagnets.
При конструировании высокоточных приборов для измерения любых магнитных величин, особенно малых значений, применяют неферромагнитные материалы и вещества, которые в обиходе считаются немагнитными. В связи с тем, что требования к точности измерения малых магнитных полей постоянно возрастают, возникла проблема борьбы с собственными шумами тесламетров и магнитных вариометров. Среди множества причин шумовых эффектов и других нестабильностей - магнитное влияние материалов, из которых собран сам прибор, на магниточувствительный элемент тесламетра (магнитометра). Эти материалы произвольно выбирают из числа «немагнитных» (медь, латунь, дюраль, стекло, различные пластики и т.д.), которые на самом деле являются диа-и парамагнитными. Их магнитная восприимчивость изменяется в широких пределах - от 10-6 до 10-3 ед. СИ и зависит от температуры и других сторонних факторов. Наша задача состоит в защите первичных преобразователей, в том числе ферромагнитных, от возможного влияния на них диа- и парамагнетизма тех материалов, которые по умолчанию считаются «немагнитными».
Магнитная восприимчивость к диа- и парамагнетиков - это устойчивая характеристика каждого вещества: ее нельзя уничтожить никакими средствами, например, механическими ударами, тепловой обработкой, воздействием сильных магнитных полей и т.д. Величина к у парамагнетиков (алюминиевые сплавы) считается положительной, у диамагнетиков (вода, стекло, медь, пластмассы) - отрицательной. Следовательно, фундаментальную формулу магнетизма в системе единиц СИ можно представить в следующем виде:
^ = 1 ± к (1)
где ^ - магнитная проницаемость вещества. Заметим, что для диа- и парамагнетиков |к| << 1. При этом диапазон изменения к у большинства диамагнетиков составляет от 10-6 до 10-4 ед. СИ, а для парамагнетиков, исключая горные породы, - от 10-6 до 10-3 ед. СИ.
Нижний предел чувствительности для современных тесламетров (магнитометров), удовлетворяющий практическим требованиям, составляет около 10-3 нТл, что относительно величины земного магнитного поля (Т=60000 нТл) составляет приблизительно 1,7-10-6 %. Отсюда видно, что относительное влияние намагниченности деталей тесламетра, особенно парамагнитных, может превзойти величину 1,7-10-6 % (нижний порог чувствительности) во много раз. Средняя намагниченность J парамагнетика определяется следующим образом: J = к-H = 10-4 • 6 • 10-5 ~ 6 нТл (H = 60000 нТл - магнитное поле Земли). Таким образом, указанная добавка 6 нТл к магнитному полю Земли будет определять систематическую погрешность. Она совершенно недопустима для
абсолютных тесламетров (магнитометров). Значение к необходимо снижать на несколько порядков, что и подтверждает актуальность поставленной задачи.
Возможность существенного влияния диа- и парамагнетизма следует ожидать у тех тесламетров, у которых магниточувствительный элемент непосредственно контактирует с удерживающими их материалами. Сюда относятся фер-розондовые преобразователи, ядерно-прецессионные, квантовые тесламетры и вибрационные.
Принцип «размагничивания» непосредственно вытекает из формулы (1). Необходимо так подобрать пару диа- и парамагнитных материалов, чтобы суммарное значение к было минимально или обратилось в нуль. Практически задача сводится к магнитомеханическому синтезу разнополярных по магнитной восприимчивости материалов, который особенно легко осуществить для материалов листового профиля. В этом случае мы получаем комплект, который можно назвать биматериалом. Это технологически несложная процедура, однако для ее осуществления необходимо использовать аппаратуру с предельно высокой чувствительностью и удобную в эксплуатации, которую трудно найти в линейке каппаметрических устройств. Обратимся к собственной разработке 1970-х гг. [1]. Прибор ИМВ (измеритель магнитной восприимчивости), точнее, компаратор ряда магнитных величин в заводском исполнении показан на рис. 1.
Рис. 1. Измеритель магнитной восприимчивости (ИМВ)
Прибор отмечен тремя авторскими свидетельствами на изобретение, прошел широкие государственные испытания в СССР и выпускался небольшими сериями в 1978-1988 гг. омским заводом «Эталон». ИМВ предназначался главным образом для определения магнитной восприимчивости веществ в твердом, жидком и порошкообразном агрегатном состоянии.
В приборе использован обратный принцип силового преобразования Фа-радея. Он состоит в том, что измеряемый образец вещества остается неподвижным, а постоянный магнит с высокой индукцией и градиентом этой индукции делается подвижным в виде магнитных весов. Таким образом, резко повышается чувствительность, в миллионы раз уменьшается вес магнитной системы (два астазированных магнита в ИМВ имеют размеры 5х5х5 мм ), значительно повышается производительность и технологичность измерений, увеличивается
помехозащищенность. Прибор можно применять в крупных городах с высоким фоном индустриальных электромагнитных помех. Для оценки порога чувствительности ИМВ проведем в лабораторных условиях следующий опыт. На центр предметного столика (рис. 1) нанесем каплю чистой воды, которая будет иметь форму полусферы диаметром 4-5 мм. На выходе прибора будет зарегистрирован
о
сигнал около 100 мВ. Этот сигнал при цене деления прибора 4,2-10" ед. СИ/мВ дает значение к = 4,2-10"6 ед. СИ. Величина 100 мВ превышает величину шума 10 мкВ в 104 раз. Поэтому, чтобы воспроизвести величину порога чувствительности, который в данном опыте равен 4,2-10"6-10"4 = 4,2-10"10 ед. СИ, необходимо объем исходной капли также уменьшить в 104 раз! Эксперимент с делением капли воды в 104 раз мы явно не выполним, но для определения порога чувствительности ИМВ имеется точный способ, останавливаться на котором мы не будем. Подобные значения порога чувствительности в мировой каппаметрии нам пока не известны.
В нашем эксперименте технологичность и производительность измерений определяются простой конструкцией прибора, имеющего плоский, горизонтальный предметный столик с диаметром 200 мм для возможности измерения и сканирования крупных образцов. Время одного измерения занимает 5-10 секунд, включая и установку образца. Точность измерений зависит от плотности прилегания образца к предметному столику, поэтому главное требование к образцам - они должны иметь хотя бы одну плоскую грань с возможно малой шероховатостью. Наиболее удобными веществами для измерения к являются жидкости и порошки, помещенные в контейнер с пленочным дном: они идеально контактируют с предметным столиком.
Оценка погрешностей при многократных измерениях некоторых материалов приведена в табл. 1.
Таблица 1
Оценка погрешностей при многократных измерениях материалов
Материал Геометрия, размеры, мм Среднее значение вых. сигнала, мВ Абсолютная СКО, мВ Относительная СКО, %
Оптическое стекло Линза плоско-вып. 055, h 20 291,28 0,108 0,037
Вода в контейнере Цилиндр 0 43, h 30 180,19 0,109 0,06
Кварц Призма V= 10х13х55 270,76 0,093 0,034
Дюраль Диск 0 90, h 4 414,85 0,145 0,035
Медь Цилиндр 0 15,h15 210,72 0,138 0,065
Для оценки суммарной относительной СКО (среднеквадратической ошибки измерения к) следует учесть ошибку компарирования: сравнения рядовых измерений с измерениями к эталонного образца. По нашим данным она не превышает средних значений, приведенных в табл. 1. Следовательно, суммарная СКО не должна превышать 0,1 % для плоских образцов.
Процесс «размагничивания» поясним на произвольно выбранных моделях, составленных из стандартных диа- и парамагнитных материалов.
1. Одностороннее (асимметричное) размагничивание (тип сборки I, рис. 2а). Базовый лист 1 укладывается на предметный столик ИМВ. На базовый лист последовательно помещаются компенсирующие листы с к обратной полярности, образующие пакет 2. Используется тонколистый материал толщиной 0,01-0,1 мм, включая алюминиевую и медную фольгу, фторопластовую пленку и т.п. Компенсация выходного сигнала ИМВ добивается толщиной компенсационного пакета (КП).
А
Рис. 2. Схемы моделей для размагничивания листового материала
2. Двухстороннее (симметричное) размагничивание (тип сборки II, рис. 2б). Выбирается базовый лист 1 какой-либо полярности. С обеих сторон базового листа укладываются одинаковые компенсационные пакеты 2, подбором толщины которых добиваются нулевого выходного сигнала. В этом варианте модель будет размагничена с обеих сторон. Компенсационные слои можно осуществлять путем намотки на базовый лист гибкой ленты из материала обратной полярности.
Размагничивание листовых материалов можно использовать для криволинейных поверхностей, применяя для этого пленочные материалы, а возможно, и напыление каким-либо металлом. Практические результаты по размагничиванию некоторых материалов приведены в табл. 2.
В качестве материала для компенсационного пакета использовался алюминий. Из таблицы следует, что средняя предельная величина размагничивания
о
составляет 5-10- ед. СИ, что эквивалентно уменьшению к для стандартных диа-и парамагнетиков примерно в 200 раз.
Таблица 2
Практические материалы по размагничиванию материалов
№ п/п Тип сборки Базовый лист КП Остаточный сигнал
Толщина листа, мм Толщина пакета, мм мВ к, ед. СИ
1 I Стеклотекстолит 0,36 0,36 - 1,5 6-10-8
2 II Стеклотекстолит 0,86 0,06+0,06 + 1,5 6-10-8
3 I Стеклотекстолит 1,24 0,5 + 1,0 4-10-8
4 I Стеклотекстолит 1,54 5,64 - 1,2 510-8
5 I Медь 1,2 1,58 + 1,4 6-10-8
6 I Оргстекло 1,44 4,81 + 1,0 4-10-8
7 II Текстолит 1,05 0,16+0,16 + 1,3 5,5-10-8
8 II Пластик 0,45 0,08+0,08 - 1,2 510-8
9 I Пластик 0,76 0,96 - 1,0 4-10-8
Таким образом, с помощью чувствительного каппаметра создана простая технология искусственного размагничивания материалов для использования их в точном приборостроении.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кротевич Н. Ф., Сергеев В. Г. Портативный высокочувствительный измеритель магнитной восприимчивости // Геофизическая аппаратура. - 1983. - Вып. 78. - С. 11-20.
© Ю. А. Копытенко, Н. Ф. Кротевич, М. Н. Никитенко, 2015
