Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптический метод детектирования подвижных магнитных объектов

С.Э. Логунов

Высшая школа прикладной физики и космических технологий, Санкт-Петербург, Россия

Аннотация

Рассмотрена новая конструкция квантового датчика на основе феррофлюидной ячейки для детектирования магнитного поля, создаваемого перемещением магнитного объекта. Представлены результаты экспериментальных исследований.

Ключевые слова: феррофлюидная ячейка, магнитное поле, дифракционная картина.

Abstract

A new construction of a quantum sensor based on a ferrofluid cell is considered for detecting a magnetic field created by the displacement of a magnetic object. The results of experimental studies are presented.

Keywords: ferrofluid cell, magnetic field, diffraction pattern.

Введение

Одной из задач прикладной физики является разработка приборов и устройств для контроля параметров магнитного поля в различных условиях (географических, сейсмологических и т.д.) с целью обнаружения различных магнитных объектов [1, 2]. Данные объекты могут находится как в стационарном, так и подвижном состоянии. Для решения этой задачи разработаны различные типы: магнитометров и датчиков [1-5]. Наибольшей универсальностью, а также наилучшими показателями по точности измерения и чувствительности среди всех типов магнитометров и датчиков для контроля параметров магнитного поля обладают квантовые устройства.

Квантовый датчик и методика измерения

феррофлюидный датчик ячейка магнитный

Но предъявляемые в настоящее время достаточно жесткие требования к данным устройствам (сложность их обнаружения, высокая помехоустойчивость, автономность), а также высокая степень надежности с точки зрения идентификации положения самого объекта в заданной зоне (например, при решении задач охраны или ликвидации несанкционированного вторжения) требует поиска новых решений поставленной задачи, так как существующие устройства не удовлетворяют перечисленным выше требованиям.

В работах [3-5] рассмотрена новая конструкция квантового визуализатора. Её использование позволяет исследовать структуру силовых линий магнитного поля, определять однородность поля в различных магнитных системах и т.д. Кроме того, проведенные нами исследования с использованием разработанного визуализатора позволили установить степень влияния различных факторов на однородность структуры силовых линий магнитного поля. Полученные результаты показали новые возможности использование феррофлюидных ячеек для создания различных датчиков, позволяющих получить решения крайне актуальных задач. Одной из которых является детектирование движения больших магнитных объектов в сложных условиях (например, морские акватории и т.д.) с помощью пассивных автономных датчиков.

В работе рассматривается один из возможных вариантов создания квантовых датчиков на основе феррофлюиднызх ячеек. Проведенные ранее исследования позволили установить, что в случае размещения феррофлюидной ячейки в магнитном поле наночастицы ферромагнитной жидкости располагаются на силовых линиях магнитного поля. Для лазерного излучения, падающего на прозрачные грани феррофлюидной ячейки, данная конфигурация наночастиц представляет собой подобие дифракционной решетки. Период данной решетки определяется расстоянием между силовыми линиями магнитного поля [4, 5]. Если феррофлюидная ячейка расположена в слабом однородном магнитном поле (например, с индукцией В0 = 0.214 мТл при неоднородности 10-5 см-1), которая создается специальным соленоидом, то дифракционная картина от прошедшего через неё лазерного излучения, регистрируемая на фотодиодной линейке относительно центрального максимума носит симметричный характер (рис. 1.а). В случае движения рядом с соленоидом постоянного магнита с индукцией Вм (имитация движения магнитного объекта) происходит смещение положения центрального максимума, изменяется форма максимумов в дифракционной картине, нарушается её симметричность относительно положения центрального максимума d0 на фотодиодной линейке. На рис. 1.b в качестве примера представлено распределение интенсивности I, регистрируемого лазерного излучения, прошедшего через феррофлюидную ячейку, в один из моментов времени, когда рядом с ней перемещается магнитный объект (постоянный магнит).

(a) (b)

Рис. 1 Зависимость интенсивности I от расстояния между силовыми линиями магнитного поля: a) - в однородном поле В0; b) в соленоиде дополнительно присутствует изменяющеся по амплитуде магнитное поле Вм от подвижного объекта

Проведенные исследования показали, что изменение положения и амплитуды максимумов в регистрируемой дифракционной картине (рис. 1.b) зависит от траектории движения магнитного объекта относительно положения феррофлюидной ячейки в соленоиде, от скорости его движения и величины Вм. Кроме того, был установлен ряд особенностей, связанных с геометрическим расположением плоскости, в которой регистрируется дифракционное изображение в квантовом датчике, относительно направления силовых линий магнитного поля подвижного объекта, а также размером и типом наночастиц в ферромагнитной жидкости, из которой изготовлена ячейка.

Заключение

Полученные результаты показывают возможность определения наличия магнитного объекта в зоне размещения данного датчика по существенным изменениям в дифракционной картине, регистрируемой на фотодиодной линейке.

Литература

1. Заико А.И., Воробьев А.В., Иванова Г.А., Шарикова Г.Р. Магнитометрическая измерительная система параметров геомагнитного поля. // Измерительная техника, 2016, № 5. С. 57 - 60.

2. Хвалин А.Л. Векторный магнитометр слабых магнитных полей. // Измерительная техника, 2014, № 10. С. 45 - 48.

3. Игнатьев В.К., Перченко С.В. Трехканальная цифровой магнитометр. // Измерительная техника, 2013, № 6. С. 117 - 118.

4. Logunov S.E., Koshkin A.Yu., Davydov V.V., Petrov A.A. Visualizer of magnetic fields. Journal of Physics: Conference Series. 2016. Vol. 741 (1). Р. 012092.

5. Sapunov V.A., Denisov A.Y., Saveliev D.V., Soloviev A.A., Khomutov S.Y., Borodin P.B., Narkhov E.D., Sergeev A.V., Shirokov A.N, New vector/scalar Overhauser DNP magnetometers POS-4 for magnetic observatories and directional oil drilling support, Magnetic Resonance in Solids. Electronic Journal, Vol. 18, No 2, P.16209, 2016

Размещено на Allbest.ru