135889 (722727), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Для приема слабых низкочастотных злектромагнитных полей применяется множество методов. Одни из них рассчитаны на ре­гистрацию электрической составляющей электромагнитного поля, другие - магнитной. В данном случае нас интересуют методы ре­гистрации магнитного поля.

Одним из главных компонентов в системе регистрации магнит­ного поля являются датчики. Они во многом определяют параметры системы, самый главный из которых - чувствительность. Методы создания магнитных датчиков базируются на многих аспектах фи­зики и электроники. Существует 11 наиболее применяемых методов обнаружения магнитного поля. Это следующие методы:

1) индукционный;

2) с насыщенным сердечником;

3) ядерной прецессии;

4) оптической накачки;

5) СКВИД;

6) на основе эффекта Холла;

7) магниторезистивный;

8) магнитодиодный;

9) магнитотранзисторный;

10) с использованием волоконных световодов;

11) магнитооптические.

Рассмотрим конструкцию каждого датчика.

1.2.1. Индукционные датчики.

Наиболее распространенным преобразователем напряженности магнитного поля является индукционный датчик, типичным приме­ром которого служит приемная рамка, работающая на принципе электромагнитной индукции. Конструктивно выполняется два типа рамок:

1) без сердечника - один или множество витков провода имеющих форму круга или прямоугольника (рис. 1.3а);

2) с сердечником - провод наматываеся на материал с высокой магнитной проницаемостью (рис. 1.3б).

Использование сердечников значительно увеличивает магнит­ный поток, пронизывающий рамку, и обеспечивает тем самым более высокую чувствительность преобразователя. При одинаковой чувствительности по напряженности магнитного поля рамки с сер­дечником обычно существенно меньше, чем рамки без сердечника.

Как известно, ЭДС индуцируемая магнитным полем в катушке равна

e = - -- cos (1)

где Ф= SH sin( t+ ) - магнитный поток, пронизывающий витки

рамки;

- магнитная проницаемость сердечника;

S - площадь поперечного сечения сердечника или витка воз­душной рамки.

При приеме высокочастотных полей обычно пользуются поняти­ем действующей высоты рамки h , определяющей по существу ее чувствительность в режиме холостого хода к электрической составляющей электромагнитного поля. Для рамки без сердечника

h = ----- (2),

Q = --- (3).

Как и любая катушка индукционная рамка имеет распределен­ную межвитковую емкость обмотки С . Величина ее зависит от многих факторов и не поддается расчету. Экспериментально С можно найти определяя резонансные частоты рамки f при несколь­ких значениях внешней емкости Свн и используя формулу Томпсона

-- = 4* *L*(Cвн - С ) (4).

Индукционные датчики магнитного поля являются одними из наиболее чувствительных датчиков. С их помощью можно регистри­ровать поля напряженностью от 10Е-14 А/м в диапазоне до нескольких МГц.

1.2.2. Датчики с насыщенным сердечником.

Датчики этого типа также называют магнитомодуляционными и феррозондами. В основном они применяются для измерения посто­янных магнитных полей, но эти же датчики можно использовать и для измерения напряженности переменных магнитных полей низких частот (Fmax=10 КГц).

Датчик с насыщенным сердечником представляет собой уст­ройство состоящее из одного или двух сердечников из высокопро­ницаемого магнитомягкого материала с распределенными по длине обмотками (рис. 1.4).

Принцип действия основан на периодическом изменении прони­цаемости сердечников с помощью вспомогательного переменного магнитного поля. Обмотка возбуждения питается от специального источника переменного тока. Величина тока выбирается такой, что создаваемое им поле в определенную часть периода обеспечи­вает в сердечнике состояние насыщения. При этом магнитные ли­нии измеряемого поля "выталкиваются" из сердечника, пересекая при этом выходную катушку и в ней индуцируется Э.Д.С., которая зависит от величины измеряемого поля. Обычно на выходе стоит фильтр, выделяющий вторую гармонику частоты возбуждения. Так как при напряженности поля равном нулю она также равна нулю, то по ее амплитуде судят о величине измеряемого магнитного по­ля. Нижний предел измеряемых магнитных полей датчика с насы­щенным сердечником равен 10Е-12 А/м.

1.2.3. Магнитометр с оптической накачкой.

Магнитометр с оптической накачкой основан на эффекте Зее­мана. В 1896 году голландский физик П.Зееман показал,что неко­торые из характеристических спектральных линий атомов расщеп­ляются, когда атомы помещены в магнитное поле; одна спектраль­ная линия расщепляется в группу линий с несколькими различаю­щимися длинами волн. Особенно этот эффект выражен в щелочных элементах, например, в цезии.

В магнитометре с оптической накачкой используются 3 энер­гетических состояния, возможных для единственного валентного электрона цезия: 2 низких близкорасположенных состояния и одно состояние с более высокой энергией. Разница энергий между бо­лее низкими состояниями соответствует радиочастотным спект­ральным линиям, а переход между одним из более низких состоя­ний и более высоким состоянием соответствует спектральной ли­нии в оптической области.

Рассмотрим пары цезия при оптической накачке света с кру­говой поляризацией. Количество света, поглощаемое парами, из­меряется при помощи фотодетектора. Первоначально некоторые электроны в парах будут находиться в одном из низких энергети­ческих состояний и некоторые - в другом. Когда атомы поглощают фотоны света с круговой поляризацией, их угловой момент обяза­тельно меняется на единицу. Таким образом, электроны, находя­щиеся в энергетическом состоянии, отличающемся от более высо­кого состояния на единицу углового момента, будут поглощать фотоны и переходить в более высокое состояние, а находящиеся в энергетическом состоянии с таким же угловым моментом, как и в более высоком состоянии, - не будут. Поскольку некоторые фото­ны поглощаются, сила света уменьшится. Электрон, находящийся в более высоком состоянии, почти немедленно переходит в одно из более низких состояний. Каждый раз, когда электрон совершает этот переход, существует некоторая вероятность того,что он пе­рейдет в состояние, в котором невозможно поглощение света. При достаточном времени почти все электроны перейдут в такое состояние. Пар, про который тогда говорят, что произошла его полная накачка, относительно прозрачен для света.

Если затем параллельно лучу света наложить ВЧ-поле, то оно перебросит электроны, изменяя при этом их спиновый угловой мо­мент. Фактически РЧ-поле заставляет электроны перебрасываться из одного более низкого состояния в другое, "расстраивая" оп­тическую накачку. Как следствие, пар вновь начинает поглощать свет. Радиочастотные и оптические эффекты объединяются, давая особенно острый резонанс, и именно на этом резонансном явлении работает магнитометр с оптической накачкой.

Энергия, требуемая для опрокидывания спина электрона, и, следовательно, частота ВЧ-поля, зависят от силы магнитного по­ля. В магнитометре контур обратной связи управляет радиочасто­той для поддержания минимального пропускания света. Таким об­разом, частота как бы служит мерой магнитного поля. Магнито­метр с оптической накачкой измеряет общее магнитное поле любой ориентации в отличие от большинства магнитометров, которые из­меряют только составляющую магнитного поля, лежащую вдоль чувствительной оси.

Чувствительность и динамический диапазон этого магнитомет­ра подобно большинству магнитометров определяется регистрирую­щей электроникой. Типичные значения чувствительности прибора имеют предел от 10Е-14 до 10Е-6 А/м.

Датчик имеет большие габариты и высокое потребление мощ­ности (несколько ватт). Конструкция оптического магнитометра показана на рис. 1.5.

1.2.4. Ядерный прецессионный магнитометр.

В ядерном прецессионном магнитометре используется реакция ядер атомов в жидких углеводородах, например бензоле, на воз­действие магнитного поля. Протоны в ядрах атомов можно рассматривать как малые магнитные диполи; поскольку они враща­ются и обладают электрическим зарядом, у них есть небольшой магнитный момент, подобный в некоторых отношениях угловому мо­менту вращающегося гироскопа. С помощью однородного магнитного поля, создаваемого при прохождении тока через катушку, протоны в жидкости могут быть временно выстроены в ряд. Когда поляри­зационный ток выключается, происходит прецессия протонов от­носительно окружающего магнитного поля. Ось спина протона, не выстроенного постоянным магнитным полем, подобно оси гироскопа вне линии гравитационного поля, проходит по окружности относи­тельно линии, параллельной полю. Скорость прохождения, называ­емая частотой прецессии, зависит от силы измеряемого магнитно­го поля. Прецессирующие протоны генерируют в катушке сигнал, частота которого пропорциональна величине магнитного поля. Конструкция этого магнитометра показана на рис. 1.6.

Ядерный прецессионный магнитометр имеет диапазон чувстви­тельности от 10Е-13 до 10Е-4 А/м, а их частотный диапазон ог­раничен стробирующей частотой жидкого водорода.

1.2.5. СКВИД-датчик.

Сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД) является самым чувствительным датчиком магнитного поля. Это устройство основано на взаимодействии электрических токов и магнитных колебаний, наблюдаемых при охлаждении материала ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Конструкция датчика приведена на рис. 1.7.

Если линии магнитного поля проходят через кольцо из сверх­проводящего материала то в нем индуцируется ток. При отсутствии возмущений ток будет протекать сколько угодно дол­го. Величина индуцированного тока является весьма чувствитель­ным индикатором плотности потока поля. Кольцо может реагиро­вать на изменение поля, соответствующее долям одной квантовой единицы магнитного потока. При наличии в кольце тонкого пере­хода (переход Джозефсона) в нем наблюдаются колебания тока. Кольцо соединяют с ВЧ схемой, которая подает известное поле смещения и детектирует выходной сигнал. При взаимодействии двух двух волн образуется итерференционные полосы, подобно световым волнам. Подсчет полос позволяет с высокой точностью определить величину магнитного поля.

Кольцо изготавливают из свинца или ниобия диаметром несколько миллиметров. Для увеличения чувствительности его иногда включают в более крупную катушку. Диапазон измеряемых полей равен от 10Е-16 до 10Е-10 А/м.

1.2.6. Магниторезисторы.

Магниторезисторами называют полупроводниковые приборы, сопротивление которых меняется в магнитном поле. Поскольку эф­фект магнитосопротивления максимален в полупроводнике не огра­ниченом в направлении перпендикулярному току, то в реальных магниторезисторах стремятся максимально приблизится к этому условию. Наилучшим типом неограниченного образца является диск Карбино (см. рис. 1.8а).

Отклонение тока в таком образце при отсутствии магнитного поля нет и он направлен строго по радиусу. При наличии поля путь носителей заряда удлиняется и сопротивление увеличива­ется. Другой структурой магниторезистора является пластина ши­рина которой много больше длины (рис. 1.8б). Эти две структуры обладают наибольшим относительным изменением сопротивления в магнитном поле. Однако их существенным недостатком является малое абсолютное сопротивление при B=0, что обусловлено их конфигурацией. Для увеличения R применяют последовательное соединение резисторов. Например, в случае пластины использу­ется одна длинная пластина из полупроводника с нанесенными ме­таллическими полосками, делящими кристалл на области длина ко­торых меньше ширины. Таким образом, каждая область между по­лосками представляет собой отдельный магниторезистор.

Магниторезисторы обладают довольно большой чувствитель­ностью. Она лежит в пределах от 10Е-13 до 10Е-4 А/м. Наиболь­шей чувствительностью обладают магниторезисторы изготовленные из InSb-NiSb.

1.2.7. Магнитодиоды.

Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n переходом и невыпрямляющими контактами, между которыми на­ходится область высокоомного полупроводника. Структура и ти­пичная ВАХ "торцевого" магнитодиода приведена на рис. 1.9.

Действие прибора основано на магнитодиодном эффекте. В "длинных" диодах (d/L >> 1, где d - длина базы, L - эффективн­ная длина дифузионного смещения ) распределение носителей, а следовательно сопротивление диода (базы) определяется длиной L Уменьшение L вызывает понижение концентрации неравновесных носителей в базе, т. е. повышение ее сопротивления. Это вызы­вает увеличение падения напряжения на базе и уменьшение на p-n переходе (при U=const). Уменьшение падения напряжения на p-n переходе вызывает снижение инжекционного тока и следовательно дальнейшее увеличение сопротивление базы. Длину L можно изме­нять воздействуя на диод магнитным полем. Оно приводит к зак­ручиванию движущихся носителей и их подвижность уменьшается, следовательно уменьшается и L. Одновременно удлиняются линии тока, т. е. эффективная толщина базы растет. Это и есть магни­тодиодный эффект.

Нашей промышленностью выпускается несколько типов магнито­диодов. Их чувствительность лежит в пределах 10Е-9 до 10Е-2 А/м. Существуют также магнитодиоды способные определять не только напряженность магнитного поля но и его направление.

1.2.8. Магнитотранзисторы.

Существует множество типов магнитотранзисторов. Они могут быть и биполярными, и полевыми, и однопереходными. Но наиболь­шей чувствительностью обладают двухколекторные магнитотран­зисторы (ДМТ). Структурная схема и способ включения ДМТ пока­заны на рис. 1.10.

ДМТ - это четырех электродные полуроводниковые приборы планарной или торцевой топологии. Инжектирующий контакт, эмит­тер, расположен между симметричными коллекторами. Четвертый контакт - базовый. Магнитное поле в зависимости от направления отклоняет инжектированные носители к одному из коллекторов и изменяет распределение токов между коллекторами. Разность то­ков коллекторов и определяет величину измеряемого магнитного поля. Она пропорциональна индукции магнитного поля, а знак по­казывает его направление. В области слабых полей ДМТ обладает очень высокой магниточувствительностью и хорошей линейностью ампер-тесловой характеристики. Они используются в аппаратуре требующей измерения индукции и знака магнитного поля, напри­мер, в магнитных компасах. В основном используются кремний и германий. Чувствительность магнитотранзисторов лежит в преде­лах 10Е-8 до 10Е-4 А/м.

1.2.9. Датчик на эффекте Холла.

Рассмотрим пластину полупроводника р-типа через которую протекает ток, направленный перпендикулярно внешнему магнитно­му полю. Сила Лоренца отклоняет дырки к верхней грани пласти­ны, в следствии чего их концентрация там увеличивается, а у нижней грани уменьшается. В результате пространственного раз­деления зарядов возникает электрическое поле, направленное от верхней грани к нижней. Это поле препятствует разделению заря­дов и, как только создаваемая им сила станет равной силе Ло­ренца, дальнейшее разделение зарядов прекратится (рис. 1.11).

Разность потенциалов между верхней и нижней гранями образ­ца равна :

V = E*a = v*B*a,

где а - ширина образца в направлении протекания тока, B - напряженность магнитного поля, v - скорость носителей. Наибо­лее существенное достоинство датчика Холла при измерении им напряженности магнитного поля - это линейность измеряемого напряжения от индукции магнитного поля. Датчики работают в ди­апазоне от 10Е-5 до 1 А/м.

Датчики Холла изготавливают либо из тонких полупроводнико­вых пластин, либо из напыленных тонких пленок. Для изготовле­ния используются полупроводники с высокой подвижностью носите­лей заряда.

Характеристики

Список файлов реферата