Главная | Обратная связь

Получение магнитных полей с помощью электромагнита

Лабораторная работа №2

 

 

 

Получение магнитных полей с помощью электромагнита

 

1. Теория

 

1.1. Электромагниты

Сильные магнитные поля получают с использованием комбинации катушки с током и сердечника из ферромагнитного материала. Ток, протекающий по катушке, намагничивает сердечник, в результате общее магнитное поле увеличивается за счет того, что внутри ферромагнитного материала магнитные домены ориентируется в одном направлении, и свои магнитные поля суммируют с внешним полем. Так легко достигается увеличение в зазоре электромагнита поля в десятки – тысячи раз по сравнению с полем созданным катушками. Максимальное поле в электромагните в первом приближении ограничивается индукцией насыщения магнитного материала. Поэтому существует физический предел выше которого получении магнитного поля с помощью электромагнита становиться неэкономичным. Особенно эффективны электромагниты для получения полей в диапазоне от 0.1 Т до 1.5 Т. Хотя на практике помощью электромагнитов с железным сердечником поля получают поля до 2.5 Т. Однако масса магнита на 2.5 Т может составить нескольких тонн, а потребляемая мощность достигать многих киловатт.

Однако в настоящее время существуют постоянные магниты на редкоземельных элементах, которые также позволяют перекрыть диапазон полей до 1 Т. Величина получаемой магнитной индукции для них определяется остаточной намагниченностью материала магнита и для разных материалов может иметь разные значения до величин порядка тесла (максимально – 1.38 Тл для магнитов состава Nd-Fe-B). Постоянные магниты не потребляют энергии и весьма компакты. Но применение дорогостоящих химических элементов (самарий, неодим) увеличивает стоимость таких магнитных систем. К тому же постоянные магниты мало применимы в тех случаях, когда требуется изменять магнитное поле.

Давая выигрыш в величине магнитного поля, в то же время ферромагнитный сердечник ограничивает область, в которой создается магнитное. Обычно зазор магнита не превышает нескольких сантиметров, а диаметр десятков сантиметров. Для многих применений требуется, чтобы величина поля была одной и той же в пределах объекта, который подвергается действию поля. В результате для объектов больших размеров возникает проблема создания достаточно однородного и сильного поля, которое бы оставалось постоянным в пределах исследуемого объекта. Например, для магниторезонансной томографии требуется создание сильных и однородных магнитных полей в объеме человеческого тела. Поэтому электромагниты тут практически не пригодны.

Обычно однородность поля оценивают величиной называемой качеством поля или обратной ей величиной упрощенно называемой неоднородность поля. Под качеством поля понимается величина

ξ = В/ΔВ, (2.1)

где В поле в центре магнитной системы, а ΔВ изменение поля в заданном объеме. Соответственно обратная величина называется степенью неоднородности поля.

Для получения однородного поля необходимо увеличивать длину соленоида, диаметр катушек или диаметр полюсных наконечников. Все это приводит к дополнительным техническим трудностям. В особых случаях, как, например для ЯМР спектрометров, требуется очень высокая однородность магнитного поля до 10⁹, что достигается особой обработкой полюсных наконечников и даже специальными методами такими как компенсация неоднородности дополнительными катушками и быстрым вращением образца. С другой стороны в некоторых физических экспериментах, например по измерению магнитной восприимчивости по методу Фарадея наоборот требуются поля с заданной неоднородностью. Для этого применяют полюса специальной формы.

Достижимая в магните с железным ярмом однородность поля зависит от геометрической формы полюсных наконечников, соотношения диаметра и ширины зазора, качества обработки поверхности и степени дефектности материала наконечников (рис. 1). В большинстве случаев предпочитают плоские полюсные наконечники с круглым сечением, изготовленные из мелкокристаллического мягкого железа. Каче­ство можно улучшить чисто технически при помощи механической и термической обработки (ковка, отжиг). Чтобы ширина воздушного зазора была везде одинаковой, поверхность полюсные наконечники выставляют строго параллельно. Для уменьшения локальной неоднородности поверхности наконечников должны быть очень тонко обработаны путем шлифования или даже полировки.

В первом приближении локальные неоднородности поля линейно связаны с размерами углублений и возвышений на поверхности; это позволяет задать качество обработки поверхности наконечника исходя из требуемой однородности поля.

Для снижения радиального падения напряженности поля отношение диаметра воздушного зазора к его ширине следует выбирать возможно большим. При этом ширина воздушного зазора определяется размером измерительной головки для размещения образца.

Диаметр полюсных наконечников обычно в 4 - 12 раз превышает ширину зазора в зависимости от требуемого качества поля. Для применяемых в лаборатории магнитовдиаметр полюсных наконечников обычно находиться в пределах 5 - 45 см. Применение большей величины отношения диаметра к ширине зазора обычное не дает выигрыша, так как при этом другие несовершенства вызовут большую неоднородность (рис. 1).

Падение напряженности поля к краю зазора частично можно компенсировать при помощи тонкого железного кольца, которое насаживается на конец полюсного наконечника. Существует и другая возможность повышения однородности. Непосредственно на поверхность полюсных наконеч­ников накладываются кольцевые концентрические катушки или проволочные петли "токовые шимы", по которым пропускают регулируемые токи в несколько миллиампер, чтобы компенсировать локальную неоднородность поля.

 

1.2. Расчет поля в зазоре электромагнита

 

На рис. 2 показана схема лабораторного электромагнита. Он состоит из железного магнитопровода с узким зазором. На магнитопровод насажаны питаемые током катушки. Линии магнитной индукции оказываются сосредо­точенными в основном внутри сердечника с высокой магнитной проницаемостью m. Лишь в узком воздушном зазоре силовые линии выходят из ферромагнетика и пересекают узкий зазор, в котором находиться воздушная среда с малым значением m. Выходя из сердечника вектор индукции В пересекает границу с воздушным зазором по нормали к поверх­ности раздела. Поскольку нормальная составляющая вектора В на границе раздела двух сред остается постоянной, то отсюда следует, что магнитная ин­дукция в зазоре и в сердечнике одинакова по величине В_воз = В_жел = В.

Вектора В и Н связаны соотношением В = mm₀Н. Поскольку m в зазоре и железе разное, то вектор Н имеет разное значение в зазоре и в железе. Учтем, что магнитные силовые линии замкнуты, и для магнитного поля применима теорема о циркуляции. Применим теорему о циркуляции вектора Н к контуру, проходящему по оси сердеч­ника. Напряженность поля можно считать всюду в железе одина­ковой и равной Н_жл = В/m₀m_жел. В воздухе Н_возд = В /m₀m_возд.

Обозначим длину участка контура в железе через l_жел, а в зазоре – через l_возд. Тогда циркуляцию можно представить в виде Н_желl_жел + Н_возl_возд. Согласно закону полного тока эта циркуляция должна быть равна полному току N·I, где N – суммарное число витков катушек электро­магнита, I – сила тока. Таким образом,

(2.2)

 

Отсюда

(2.3)

Обычно l_возд порядка нескольких сантиметров, а l_жел - порядка метра и более, m_жел достигает значений в несколько тысяч. Поэтому вторым слагаемым в знаменателе можно пренебречь и написать, что

(2.4)

Увеличивая общее число витков, и уменьшая размеры воздушного зазора, можно получать поля с большим значением индукции. Практически с помощью электромагнитов с железным сердечником удается получать магнитные поляпорядка не­скольких тесла (несколько десятков тысяч гаусс).

 

 

1.3. Оценочный расчет электромагнита

 

Рассмотрим конструкцию лабораторного магнита. Магнит изготовлен из четырех стальных пластин соединенных болтами (рис. 3). В центре к двум противоположным пластинам прикручены болтами полюсные наконечники представляющие собой стальные цилиндры. Торцы цилиндров обработаны так чтобы они были параллельны друг другу. На полюсные наконечники надеты четыре катушки. Катушки соединены между собой параллельно – последовательно. Длина l_жел = 78 см, длина l_возд = 1.5 см. Диаметр полюсных наконечников 10 см.

Теперь следует задаться диаметром провода и размерами обмоток. Пусть сечение катушки будет 5х5 см, а диаметр провода 2 мм. Тогда в данном сечении поместится 25 витков и 25 слоев провода всего 625 витков. На магните установлено 4 катушки, что дает в общем 2500 витков. Провод диаметром 2 мм имеет сечение 3.14 мм². При плотности тока 3 А/мм² катушек рабочий ток катушки магнита составит 9.4 А. Если катушки соединены последовательно, то такой ток и будет протекать через электромагнит. В зависимости от источника питания можно подобрать сопротивление электромагнита соединяя обмотки между собой в разных вариантах.

Расчет по упрощенной формуле дает следующее значение поля:

В = 4p·10^-7·2500·9.4·0.015 = 1.97 Т, или почти 2 Т.

 

Однако примененная формула здесь не совсем справедлива, поскольку получена при упрощающих предположениях. Так как, уже при полях свыше 1 Т наступает насыщение магнитного материала (рис. 4).

Воспользуемся более точным методом расчета. Нам следует учесть зависимость магнитной проницаемости железа от приложенного поля. Для чистого железа зависимость проницаемости от поля можно получить из справочных данных или определить по кривой намагничивания железа. Поэтому решим обратную задачу. Пусть нам требуется получить поле в 1 Т. Определим значение тока. Как известно напряженность магнитного поля и индукция магнитного поля связаны соотношением. В = mm₀Н. Магнитная проницаемость m = В /m₀Н. Поскольку m в данном случае не является постоянной следует рассматривать дифференциальную проницаемость m = DВ/m₀DН, которую можно определить прямо из графика. m = 0.1/(4p·10^-7·20) = 3978 ~ 4000 Гн/м.

 

 

Запишем теорему о циркуляции вектора Н

H_жел·l_жел + Н_воз·l_возд = N·I

В зазоре Н_возд = В/m₀. Величину Н в железе мы найдем из графика на рис. 4. Для поля В = 1 Т Н = 100 А/м.

I = (100·0.78 + 0.015/4p·10-7)/2500 = (78+11936)/2500 =4.5 A.

Для получения поля 1.4 Т потребуется ток:

(Н_жел = 480 А/м) I = 5 А.

B = m₀(N·I - H_жел·l_жел)/l_возд

Для получения поля 1.9 Т потребуется по крайней мере

I = (20000·0.78 + 0.015/4p·10^-7)/2500 = 11 A.

При условии, что Н_жел = 20 000 А/м. Ток в 11 А превышает заданные условия по плотности тока. Поэтому получение такого поля может быть только в кратковременном режиме. В данных расчетах использовалась данные для технически чистого железа. Однако в зависимости от марки стали примененной для изготовления магнита, зависимость поля от тока может быть иной. Так для железного литья полю 1 Т соответствует напряженность поля 300 А/м, что увеличивает необходимый ток до 4.86 А.

Рассчитанный нами магнит позволяет получать поля до 1.9 Т в кратковременном режиме и в долговременном режиме до 1.5 Т.

При конструировании магнита следует обратить внимание на то, что бы магнитный поток нигде кроме как в зазоре не разрывался. Для этого необходимо чтобы площадь сечения магнитопровода была по возможности одной и той же, как в области полюсных наконечников, так и в области замыкающих поток пластин.

Попутно можно вычислить параметры источника питания такого магнита. Для этого нужно определить сопротивление обмотки.

Длина провода в пределах кольца шириной dr (см. лаб. №1) dL = 2p·r·dr/D, где D диаметр провода, а 1/D – число витков на единицу длины.

L_с = _R1∫^R22p·r·dr/D = p·(R₂² – R₁²)/D

Получим L_с = 11.8 м, в одной катушке 25 витков в слое соответственно полная длина провода будет L = 295 м. Сопротивление катушки

R = ρ L/S (1.15)

R = 0.017·295/3.14 = 1.6 Ом

Полное сопротивление четырех включенных последовательно катушек составит 6.46 Ом.

При токе 5 А потребуется источник питания с напряжением 32.3 В и мощностью 161 ватт, что позволит получить магнитное поле до 1.5 Т.

 

 

2. Практическая часть

 

2.1. Приборы и оборудование

Лабораторный электромагнит ЭМ-1, источник питания УИП-1, измеритель магнитной индукции Ш1-8, подставка для датчика Холла.

 

 

2.2. Источник питания УИП-1

 

Универсальный источник питания типа УИП-1предназначены для питания анодных, экранных и сеточных цепей радиоустройств стабилизированным напряжением постоянного тока и накальных цепей нестабилизированным напряжением переменного тока. В нашей лаборатории УИП-1 питает электромагнит.

 

Рис. 7. Внешний вид УИП-1. 1 - Выходное напряжение; 2 - Выходной ток; 3 - Плавная регулировка источника 0 – 400 В; 4 - Переключатель 0 – 200; 200 – 400 В; 5 – включатель питания; 6 - Переключатель источника 0 – 600 В; 7 – плавная регулировка источника 0 – 600 В; 8 – Выходные гнезда источника 0 – 600 В; 9 – выходные гнезда источника 0 – 400 В.

Источник УИП-1 питается от сети переменного тока 220 В частоты 50±5 Гц.

Источник питания УИП-1 обеспечивает на выходе:

а) стабилизированное напряжение от 20В до 600В при токе нагрузки до 600 мА;

б) стабилизированные напряжение от 0 до 400В при токе нагрузки до 5мА;

б) нестабилизированные переменные напряжения: 2,15В; 2,5В; 4В; 5В; 12,6В; 24В; 6,3В с токами нагрузки от 2.5 А, до 25 А.

Стабильность выходных напряжений от 0 до 400В и от 100В до 600В не хуже ± 0,5%.

Мощность, потребляемая прибором, 1500 Вт. Вес около 46 кг.

 

 

2.3. Подготовка к работе

 

Ознакомиться с органами управления источником питания УИП -1.

 

Внимание! УИП–1 подает на электромагнит напряжение до 600В. Будьте внимательны!

 

Не допускается какие-либо переключения в цепи или органов управления источника кроме тех, что описаны в работе. УИП – подключен к обмоткам электромагнита через миллиамперметр (рис. 8). Не допускается переключение пределов на приборе при включенном источнике питания.

Перед началом работы включить измеритель поля Ш1-8 и проверить установку нуля прибора. Подготовить прибор к работе, согласно инструкции лаб. раб. №1.

Ознакомиться с устройством лабораторного электромагнита и механизмом раздвижки полюсов электромагнита. Обратить внимание, что один оборот колеса соответствует раздвижке полюсов на 0.5 см. Сдвинуть полюса до их касания. Затем повернуть на колесо на два оборота, установив зазор 1 см.

 

 

Рис. 8. Общая схема установки

 

 

Задание 1

Изучение зависимости поля электромагнита от тока

 

1. Как предложено выше установить зазор электромагнита шириной 1 см.

2. Поместить датчик Холла в центр зазора. Примечание. Положение центра отмечено кружком на конце щупа. Устройство для перемещения датчика должно быть в крайнем положении, чтобы в дальнейшем можно было выдвигать датчик из зазора.

3. Выставив ручку регулировки напряжения (7) в крайнее левое положение и переключатель (6) в положение "20 – 150" включить УИП-1. Дать прогреться 1-2 минуты.

4. Изменяя напряжение ручкой (7) на 20-50 В снять зависимость магнитного поля от тока магнита во всем диапазоне.

5. Вернуть ручку (7) в крайнее левое положение.

6. Установить переключателем (6) на следующий передел.

7. Повторить п. 4.

8. Сняв зависимость во всем диапазоне напряжений отключить УИП-1.

9. Провести измерение остаточного поля магнита.

10. На основании полученных данных построить график зависимости магнитного поля от тока. Сравнить с зависимостью приведенной на рис. 4.

 

 

Задание 2

Снять радиальную зависимость поля в зазоре 1 см

 

1. Включить УИП-1 и установить максимальный ток.

2. Снять радиальную зависимость поля при перемещении датчика от цента к краю зазора. Значения поля снимать через 0.5 см.

3. Выключить ток.

 

Задание 3

Снять зависимость поля от величины зазора.

 

1. Установить зазор 1.5 см. Включить УИП-1 и установить максимальный ток. Измерить поле в центре.

2. Выключить ток.

3. Увеличивая зазор с шагом 0.5 см повторить предыдущий пункт пока есть возможность раздвигать полюсные наконечники.

4. Выключить УИП-1.

5. На основании полученных результатов построить график зависимости поля от ширины зазора. Сделать выводы о соответствии эксперимента и теории.

 

 

Задание 4

Снять радиальную зависимость поля в зазоре 4 см

 

1. Установит зазор 4 см.

2. Включить УИП-1 и установить максимальный ток.

3. Снять радиальную зависимость поля при перемещении датчика от центра к краю зазора. Значения поля снимать через 0.5 см.

4. Выключить ток.

 

Задание 5

На основании полученных результатов выполнить расчеты

 

1. Используя результаты полученные в задании 2 и 4 и определение (2.1), найти область однородного поля, где поле отличается от поля в центре на 10%. Сделать выводы о связи области однородного поля с величиной зазора.

2. Из экспериментальных данных полученных в задании 1 и выражения (2.2) рассчитать магнитную проницаемость железа магнита при пяти разных значениях тока. Построить график зависимости магнитной проницаемости от тока.

3. Зная μ_жел из выражения Н_жл = В/m₀m_жел вычислить Н_жл и построить график намагничения железа магнита. На одном графике построить экспериментальную зависимость и график приведенный на рис. 4.

Примечание. Число витков магнита указано на магните, геометрические размеры измерить самостоятельно.

 

 

Для построения графика в Origin удобно использовать кривую намагничения чистого железа в виде таблицы. Данные можно просто скопировать с электронной версии и вставить в таблицу Origin и построить график.

 

H B

kA/m T

0 0

0,01 0,01

0,04 0,15

0,045 0,29

0,05 0,54

0,058 0,75

0,08 0,9

0,1 1

0,13 1,1

0,17 1,16

0,22 1,22

0,26 1,26

0,3 1,3

0,34 1,33

0,38 1,35

0,42 1,36

0,46 1,4

0,5 1,41

0,54 1,42

0,58 1,43

0,62 1,44

0,66 1,45

0,7 1,46

0,74 1,47

0,78 1,47

 

4. Измерение магнитного поля методом ЯМР

 

Измерение индукции постоянного магнитного поля с по­мощью ЯМР в настоящее время является одним из самых прецизионных методов. Известно, что методы радиочастотной спектроскопии основаны на резонансном поглощении веществом высокочастотного электро­магнитного излучения. Резонансная частота поглощения зави­сит от величины индукции внешнего магнитного поля В:

ω = γВ, (1.16)

где ω — резонансная частота, γ — гиромагнитное отношение ядра атома (отношение результирующего магнитного момента ядра к его результирующему механическому моменту).

Из (1.16) следует, что при известных ω и γ можно определить магнитное поле В. Методы, радиочастотной спектроскопии ядер позволяют весьма точно определить гиромагнитное отноше­ние для ядер вследствие исключительно малой ширины резонанс­ных линий. Точность метода ЯМР при измерении магнитного поля как раз и объясняется тем, что величина индукции магнитного поля преобразуется в частоту и фактически измерение магнитного поля сводится к измерению частоты сигналя ЯМР. Конечно существует ряд ограничений, которые снижают точность измерения магнитного поля. Тем не менее, для однородных магнитных полей величину поля методом ЯМР можно измерить с точностью не хуже чем 10^-6 – 10^-8, в зависимости от величины поля и конкретного ядра. Например, для протона гиромагнитное отношение измерено с точностью

γ_p == 2,6751987(75)·10⁸ рад·/(с·T).

Для практического применения удобнее пользоваться значением γ_p == 4.2577 кГц/Т^-4.

Тогда выражение (1.16) запишется

f (мГц) = 42.577·В (Т) (1.17)

Следовательно, для расчета напряженности магнитного поля доста­точно измерить частоту ЯМР, при этом точность измерения величи­ны поля будет в основном определяться точностью измерения резо­нансной частоты.

 

 

5. Измеритель магнитной индукции Е11-2

 

Советская промышленность выпускала измерители на­пряженности магнитного поля типа E11-2, Ш1-1, работа которых основана на принципе ЯМР[1]. В данной работе используется измеритель Е11-2, который работает по следующему принципу. Прибор Е11-2 представляет собой мини спектрометр ЯМР выполненный по непрерывной схеме с использованием генератора слабых колебаний (так называемый автодинный метод). Прибор Е11-2 состоит из выносного датчика, генератора слабых колебаний, детектора, усилителя низкой частоты. Датчик представляет собой колебательный контур генератора слабых колебаний. В процессе поиска сигнала ЯМР частота, а соответственно и частота генератора перестраивается в широких пределах. После обнаружения сигнала ЯМР частота генератора измеряется частотомером. Далее следует воспользоваться приведенной выше формулой и определить величину магнитного поля. С выхода УНЧ сигнал поступает на осциллограф. Для наблюдения сигнал требуется сканировать магнитное поле в пределах ширины резонансной линии. Для такой модуляции в датчике ЯМР находится модуляционные катушки питаемые от встроенного звукового генератора. Собственно датчик ЯМР представляет собой колебательный контур. В катушку контура вставлена ампула со слабым водным раствором парамагнитной соли.

Блок схема прибора представлена на рис. 5.

В качестве рабочего вещества в изме­рителе поля Е11-2 используются вода, водный раствор хлористого лития и тяжелая вода. Отметим, что для ядер ⁷Li γ = 1.655 кГц/Г, а для дейтронов γ = 0.6535 кГц/Г. Ампула с рабочим веществом помещена внутрь катушки колебательного контура. При выполнении условия (1) происходит поглощение энергии высокочастотного магнитного поля ядрами рабочего вещества. Та­кое поглощение энергии эквивалентно уменьшению добротности ка­тушки и может быть определено, если катушка составляет часть кон­тура лампового генератора. При режиме, близком к срыву колеба­ний, и уменьшении добротности катушки наблюдается падение эк­вивалентного сопротивления контура генератора, а следовательно, и амплитуды генерируемого напряжения.

Если происходит периодическое изменение напряженности по­ля вблизи резонансного значения, то изменение амплитуды генери­руемых колебаний после детектирования преобразуется в сигнал пе­ременного тока. Отмечая резонансный сигнал и измеряя частоту генератора, находят напряженность поля В, пользуясь формулой (1).

Датчик магнитного поля помимо ампулы с рабочей жидкостью и высокочастотной контурной катушки содержит также двухсек­ционную катушку модуляции. Переменный ток низкой частоты, про­текающий по этой катушке, соз­дает периодическое изменение по­ля вблизи резонансного значения. Источником тока в модулирую­щей катушке является генератор модуляции. Частота модуляции 45 и 270 Гц. Промодулированный низкой частотой (8), сигнал ЯМР после детектирования (3) преобразуется в сигнал переменного тока низкой частоты (частоты модуляции) и усиливается трехкаскадным уси­лителем низкой частоты (4), после которого сигнал ЯМР можно на­блюдать на осциллографе.

 

Рис. 5. Блок схема измерителя Е11-2. 1 — датчик магнитного поля, 2 — высокочастотный генератор, 3 — диодный детектор, 4 — усилитель низкой частоты, 5 — син­хронный детектор, 6 — индикатор напряжения генерации и тока модуляции, 7 — стабилизированный выпрямитель, 8 — генератор НЧ модуляции.

 

Для уверенного выделения слабых сигналов ЯМР используется схема синхронного детектора. При синхронном детектировании сигнал ЯМР, следующий с частотой модуляции, преобразуется в пос­тоянное напряжение. Составляющие других частот, обусловленные шумами, подавляются интегрирующей цепью. На выходе синхрон­ного детектора включен стрелочный индикатор резонанса. Индика­ция напряжения генератора производится по стрелочному при­бору.

Питание основных блоков прибора осуществляется от стабили­зированного выпрямителя. Измерение частоты генератора произво­дится внешним частотомером. Вид сигнал ЯМР в случае высокой однородности поля представлен на рис. 6а, а в случае низкой однородности на 6б.

 

Пределы частот генератора составляют 1,04—16,5 МГц. Гранич­ные значения частот для каждого датчика и поддиапазона указаны в таблице:

 

 

Датчик	Поддиапазон	Граничное значение частот, МГц	Множитель для расчета напряженности А/м
№ датчиков	№ поддиапазонов	Показания на шкале
		"0"	"100"
		1.04	2,57	0,234864
		2,4	6,1	0,234864
		5,9	16,4	0,234864
		5,9	16,4	0,604354
		5,9	16,4	1,52956
		2.4	6,1	0,234864

 

Вычислить напряженность поля можно по следующим формулам:

Н = 0,234864 f — для поддиапазонов 1, 2, 3 и 6;

Н = 0,604354 f — для поддиапазона 4;

Н = 1,52956 f —для поддиапазона 5,

здесь Н — в А/м, f — в мГц.

Без учета погрешности измерителя частоты при неоднородности магнитного поля не более 0,025% на сантиметр погрешность измери­теля Е11-2 не превышает 0,01%.

 

 

Измерение магнитного поля методом ядерного магнитного резонанса

 

Цель работы: Измерение напряженности маг­нитного поля методом, основанным на явлении ядерного магнитного резонанса.

 

 

Задание 1.

Измерение магнитного поля методом ЯМР

Приборы и оборудование

Электромагнит МАС-1, источник питания электромагнита, измеритель магнитной индукции Е11-1, осциллограф С1-65А, частотомер Ч3-34, измеритель магнитной индукции Ш1-8, подставка для датчика Холла.

 

Порядок работы с измерителем Е11-2.

1. Познакомиться с инструкцией по работе с осцилло­графом и частотомером, затем подготовить измеритель Е11-2 к работе, для чего:

б) к клеммам "Х" и "Y" измерительного блока подклю­чить соответствующие клеммы осциллографа;

в) ручки "Усиление" и "Модуляция" установить в среднее положение;

г) тумблеры "Частота модуляции" и "Пост. времени" установить в положение "Большая", а тумблер индикации напряжения генерации и тока модуляции с надписью "Генерация—модуляция" поставить в положение "Гене­рация".

2. Установить датчик между полюсами электромагнита таким образом, чтобы широкая стенка датчика была направ­лена к полюсному наконечнику, и включить электромагнит.

3. Включить тумблер "Сеть", при этом должна заго­реться индикаторная лампа.

4. Ручкой "Напряжение генератора" добиться возник­новения генерации, при этом стрелка индикатора должна отклониться на 20—50 делений шкалы.

4. Ручку "Усиление" поставить в среднее положение и ручкой "Установка нуля" установить нуль индикатора резонанса.

6. Включить осциллограф и выключить соб­ственную развертку осциллографа (при достаточном уси­лении на экране осциллографа наблюдаются ровная шумовая дорожка, что свидетельствует о нормальной работе прибора).

7. Медленно вращая ручку "Частота", добиться появ­ления сигнала на экране осциллографа. Примерный вид сигнала ЯМР показан на рис. 1.13.

4. Измерить частоту гене­ратора измерителя Е11-2.

5. Вычислить напряженность поля.

 

Замечания:

1. Для ориентировочного отсчета частоты можно ис­пользовать ориентировочные графики помещенные на пе­редней панели прибора.

2. В данной работе используется датчик №3. Поле измеряется на поддиапазоне 3.

3. Необходимо учесть, что прибор работает удовлетво­рительно только в полях с неоднородностью не более 0,2% на сантиметр. При увеличении неоднородности величина сигнала резонанса резко уменьшается и его нельзя различить на фоне собственных шумов схемы. Поэтому если датчик не установлен точно в середине полюсных наконечников, сигнал может не наблюдаться.

 

Порядок выполнения работы

1. Установить датчик холла в центр магнита МАС-1. Включить источник питания.

2. Измерить магнитное поле В.

3. По формуле f = γ·В (γ = 4.257 кГц/ Э) рассчитать частоту ЯМР резонанса.

4. Установить в центр магнита датчик прибора Е11-1. Включить прибор Е11-1 в сеть и дать ему прогреться 2 – 5 минут.

5. Ручкой настройки частоты установить расчетную частоту.

6. Выставить ручки "Генерация" и "Модуляция" прибора Е11-1 в среднее положение ориентируясь по стрелочному прибору. Ручкой "Генерация" добиться ровной шумовой дорожки на экране осциллографа.

7. Плавно вращая ручку настройки частоты в обе стороны от установленного значения, найдите сигнал ЯМР и выведите его в центр экрана осциллографа. Значение частоты запишите и рассчитайте величину магнитного поля. Сравните с результатом полученным ранее датчиком Холла.

8. Смещая датчик к краю зазора найдите положение, где сигнал еще наблюдаем. Плавной ручкой "Частота" выведите его в центр экрана и запишите значение частоты. Рассчитайте значение поля. Оцените неоднородность магнитного поля.

 

Контрольные вопросы:

1. В чем заключается явление ядерного магнитного резонанса!

2. Какова физическая сущность величины, гиромагнитного отношения?

3. Чем обусловлена высокая точность измерений напряженности поля данным методом?

 

Литература

1. Физические величины: Справочник/ А.П. Бабичев, и др. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Михайлова. – М.: Энергоатомиздат. – 1991. – 1232с.

2. Леше А. Ядерная индукция. М.: Изд. ин. лит. 1963. – 684с.

3. Кухлинг Х. Справочник по физике. М.: "МИР". – 1982. – 519с.

 

 

http://electrodynamics.narod.ru/about-me.html

[1] В последнее время выпускаются более совершенные приборы, работающие по этому же принципу, в частности с непосредственным отчетом величины поля.