Магнитное экранирование (магнитная защита). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитное экранирование (магнитная защита) - защита объекта от воздействия магн. полей (постоянных и переменных). Совр. исследования в ряде областей науки (физика, 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 температуре кипения азота (а в перспективе, возможно, и при комнатных температурах).

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.

Литература по магнитному экранированию (магнитной защите)

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.