RU2751462C1 - Method for studying structure of magnetic fields using laser radiation - Google Patents
Method for studying structure of magnetic fields using laser radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2751462C1 RU2751462C1 RU2020136555A RU2020136555A RU2751462C1 RU 2751462 C1 RU2751462 C1 RU 2751462C1 RU 2020136555 A RU2020136555 A RU 2020136555A RU 2020136555 A RU2020136555 A RU 2020136555A RU 2751462 C1 RU2751462 C1 RU 2751462C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- magnetic field
- lines
- laser radiation
- cell
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам и устройствам для исследования неоднородности магнитного поля в межполюсном пространстве.The invention relates to instrumentation, and in particular to methods and devices for studying the inhomogeneity of the magnetic field in the interpolar space.
Изобретение в режиме реального времени позволяет определять параметры исследуемого магнитного поля различных магнитных систем и проводить их настройку на максимум однородности магнитного поля.The invention makes it possible in real time to determine the parameters of the investigated magnetic field of various magnetic systems and to adjust them to the maximum uniformity of the magnetic field.
Изобретение может быть использовано в приборостроении, как для контроля качества выпускаемых магнитных систем, так и для контроля состояния определенных территорий от проникновения подвижных магнитных объектов. Особый интерес изобретение представляет для научных исследований, направленных на разработку магнитных систем с заданной конфигурацией магнитного поля и однородностью, особенно в межполюсном пространстве, например, магнито-резонансные томографы и т.д.The invention can be used in instrumentation, both for quality control of manufactured magnetic systems, and for monitoring the state of certain areas from the penetration of moving magnetic objects. The invention is of particular interest for scientific research aimed at the development of magnetic systems with a given configuration of the magnetic field and uniformity, especially in the interpolar space, for example, magnetic resonance imaging, etc.
Известен способ контроля вариаций магнитного поля Земли (патент RU 2525474 C2, опубликовано: 20.08.2014). По измеренным значениям компонент вектора магнитного поля с использованием квантового трех градиентного магнитометра на оптической накачке (статья «Квантовый магнитометр с оптической накачкой, комбинирующий достоинства Mx и Mz устройств» в Журнале Технической Физики, 2013, Т. 83. Вып. 10, стр 90-97, авторы А.К. Вершовский, С.П. Дмитриев, А.С. Пазгалев) строится карта силовых линий магнитного поля. Недостатком данного метода является шаг измерений магнитного поля в пространстве (измерения производятся по точкам). Погрешность положения построенных по точкам силовых линий определяется погрешностью измерения шага, которая намного больше, чем расстояние между спеклами, которые были получены с использованием электронного микроскопа (фиг. 3 и 4).A known method for controlling variations in the Earth's magnetic field (patent RU 2525474 C2, published: 20.08.2014). According to the measured values of the components of the magnetic field vector using a quantum three-gradient magnetometer on optical pumping (article "Quantum magnetometer with optical pumping, combining the advantages of M x and M z devices" in the Journal of Technical Physics, 2013, V. 83. Issue 10, pp. 90-97, authors A.K. Vershovsky, S.P. Dmitriev, A.S. Pazgalev), a map of the magnetic field lines is constructed. The disadvantage of this method is the step of measuring the magnetic field in space (measurements are made point by point). The error in the position of the lines of force plotted by the points is determined by the error in measuring the pitch, which is much larger than the distance between speckles, which were obtained using an electron microscope (Figs. 3 and 4).
Другой более известный способ контроля силовых линий магнитного поля (патент RU 2409876 С2, опубликовано 18.01.2014) основан на размещении магнитных опилок маленьких размеров на силовых линиях магнитного поля. Каждая из опилок в этом случае представляет собой элементарный магнит. Такой способ крайне эффективен для представления магнитного поля одиночного магнита. Магнит располагается под листом из немагнитного материала, на котором размещены железные опилки. В ряде случаев магнит размещают в герметичной упаковке (немагнитной) в емкости с раствором воды с различными добавками. Оба этих способа не применимы при визуализации магнитного поля в межполюсном пространстве, сверхпроводящем соленоиде и т.д. Магнитная система после такой визуализации крайне сложно очищается от магнитных опилок, особенно если используются постоянные магниты.Another more well-known method for monitoring the magnetic field lines (patent RU 2409876 C2, published 01/18/2014) is based on the placement of small magnetic filings on the magnetic field lines. Each of the sawdust in this case is an elementary magnet. This method is extremely effective for representing the magnetic field of a single magnet. The magnet is placed under a sheet of non-magnetic material on which the iron filings are placed. In some cases, the magnet is placed in a sealed (non-magnetic) package in a container with a solution of water with various additives. Both of these methods are not applicable when visualizing a magnetic field in the interpolar space, a superconducting solenoid, etc. After such imaging, the magnetic system is extremely difficult to clean from magnetic filings, especially if permanent magnets are used.
Изобретение (патент BY 11502) с использованием железных опилок, которые сформированы в виде порошка (для наблюдения эффекта размещения порошка по силовым линиям магнитного поля используется видеокамера), также не может быть использован для визуализации магнитных полей в межполюсном пространстве и т.д.The invention (patent BY 11502) using iron filings, which are formed in the form of a powder (a video camera is used to observe the effect of placing the powder along the magnetic field lines), also cannot be used to visualize magnetic fields in the interpolar space, etc.
О возможности представления явления размещения силовых линий магнитного поля в пространстве является изобретение (US 7487936 B2, Опубликовано: 10.02.2009). Изобретение описывает способ контроля магнитного поля Земли с использованием концентрированных магнитных линий, которые создают разный цвет на поверхности магнитной пленки толщиной 50 мкм, которая размещается на подвижном объекте. По изменению цвета пленки можно определить наличие неоднородности магнитного поля и оценить значение индукции в одной плоскости. Построить объемное изображение по этим данным крайне сложно.The possibility of representing the phenomenon of the placement of magnetic field lines in space is the invention (US 7487936 B2, Published: 10.02.2009). The invention describes a method for monitoring the Earth's magnetic field using concentrated magnetic lines that create a different color on the surface of a magnetic film with a thickness of 50 μm, which is placed on a moving object. By changing the color of the film, it is possible to determine the presence of inhomogeneity of the magnetic field and to estimate the value of the induction in one plane. It is extremely difficult to construct a volumetric image from this data.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является изобретение (SU 1725174 A1, Опубликовано: 07.04.1992), в котором представлен способ визуализации магнитных полей для контроля качества сверхпроводящих материалов на основе данных магнитных измерений.Closest to the proposed invention is the invention (SU 1725174 A1, Published: 04/07/1992), which presents a method for visualizing magnetic fields for quality control of superconducting materials based on magnetic measurement data.
К недостаткам данного метода можно отнести следующее. Для измерений необходимо охладить исследуемый объект (сверхпроводящий материал) ниже температуры фазового перехода для наблюдения доменной структуры. При исследовании сильных магнитных полей в межполюсном пространстве габаритной магнитной системы реализовать такое охлаждение крайне сложно. Если необходимо исследовать структуру магнитного поля в межполюсном пространстве электромагнита данная задача является невыполнимой, так как происходит разогрев катушек индуктивности при протекании по ним тока более 1 А. Для исследований в прототипе используется ферромагнитный пленочный датчик. В сильных магнитных полях происходит насыщение пленки и различить неоднородность крайне сложно. Это связано с тем, что характер изменения цвета пленки отображает характер изменения неоднородности магнитного поля. Если однородность поля высокая, то цветовая гамма на пленке меняется незначительно и определить изменения однородности магнитного поля на небольших расстояниях крайне сложно. Кроме того, использование пленки не позволяет построить объемное изображение изменения неоднородности магнитного поля, так как невозможно согласовать в объемную картину изображения, полученные с помощью пленок в каждой плоскости.The disadvantages of this method include the following. For measurements, it is necessary to cool the investigated object (superconducting material) below the phase transition temperature to observe the domain structure. When studying strong magnetic fields in the interpolar space of an overall magnetic system, it is extremely difficult to implement such cooling. If it is necessary to investigate the structure of the magnetic field in the interpolar space of the electromagnet, this task is impracticable, since the inductance coils are heated when a current of more than 1 A flows through them. For research in the prototype, a ferromagnetic film sensor is used. In strong magnetic fields, the film is saturated and it is extremely difficult to distinguish between inhomogeneities. This is due to the fact that the nature of the change in the color of the film reflects the nature of the change in the inhomogeneity of the magnetic field. If the field uniformity is high, then the color gamut on the film changes insignificantly and it is extremely difficult to determine the changes in the magnetic field uniformity at short distances. In addition, the use of a film does not make it possible to construct a volumetric image of changes in the inhomogeneity of the magnetic field, since it is impossible to match the images obtained with films in each plane into a volumetric picture.
Техническая проблема, решаемая в изобретении связана с обеспечением визуализации силовых линий магнитного поля в трех плоскостях с определением характера изменения их плотности в различных точках, особенно в межполюсном пространстве магнитных систем (получение объемного изображения в отличие от рассмотренного прототипа). Это позволит построить пространственное распределение силовых линий магнитного поля, которое ранее было рассчитано только теоретически с большими приближениями, что представляет наибольший интерес для научных исследований. Необходимо отметить, что пространственное распределение неоднородности магнитного поля в межполюсном пространстве строится в реальном времени и изменяется с изменением параметров магнитной системы. Это позволяет по пространственному изображению настраивать магнитное поле в межполюсном пространстве на минимальную величину неоднородности.The technical problem solved in the invention is associated with the provision of visualization of the magnetic field lines in three planes with the determination of the nature of the change in their density at various points, especially in the interpolar space of magnetic systems (obtaining a volumetric image in contrast to the considered prototype). This will make it possible to construct the spatial distribution of the magnetic field lines, which was previously calculated only theoretically with large approximations, which is of the greatest interest for scientific research. It should be noted that the spatial distribution of the inhomogeneity of the magnetic field in the interpolar space is built in real time and changes with a change in the parameters of the magnetic system. This allows the spatial image to adjust the magnetic field in the interpolar space to the minimum amount of inhomogeneity.
Сущность метода заключается в том, что рассеянное лазерное излучение прошедшее через ячейку прямоугольной формы, стенки которой изготовлены из кварцевого стекла, заполненную магнитной жидкостью, формирует на фоточувствительном слое видеокамеры дифракционное изображение (фиг. 1). В этом изображении четко наблюдаются положения максимумов и минимумов. Формирование данного изображения связано с тем, что ячейка с магнитной жидкостью расположена в магнитном поле. Концентрацию наночастиц, например, магнетита (размер 12 нм), которые содержаться в магнитной жидкости, можно регулировать. Эти частицы располагаются в окрестностях силовых линий магнитного поля, образуя полосатую структуру с зонами прозрачности для лазерного излучения. В случае однородного магнитного поля структура, образованная в окрестностях силовых линий (спекл-структура) обладает некоторой повторяемостью (периодичностью) и ее можно считать для поступающего на нее лазерного излучения подобием дифракционной решетки. По периоду расположения дифракционных максимумов можно определить расстояние между спекл-структурами (период дифракционной решетки), которое соответствует расстоянию между силовыми линиями магнитного поля (фиг. 1.а). Выход видеокамеры подключен к осциллографу. Выбором на экране осциллографа строки в регистрируемой дифракционной картине строится зависимость амплитуды регистрируемого сигнала лазерного излучения от их положения между полюсами магнитной системы (фиг. 2). Полученная зависимость позволяет определить число силовых линий магнитного поля на единицу площади в межполюсном пространстве магнитной системы. Это позволяет вычислить плотность силовых линий, значение которой необходимо для определения индукции магнитного поля в заданной зоне межполюсного пространства магнитной системы. Перемещая феррофлюидную ячейку по межполюсному пространству, можно построить распределение индукции магнитного поля между полюсами. Определить характер изменения индукции магнитного поля от центра магнитной системы к ее краям. При небольших изменениях неоднородности магнитного поля, в котором расположена феррофлюидная ячейка расстояния между силовыми линиями магнитного поля меняются достаточно плавно, поэтому дифракционная картина в видеокамере наблюдается. В случае увеличения неоднородности магнитного поля периодичность расположения спекл-структур нарушается, и дифракционная картина расплывается (фиг. 1.б). Симметричное расположение между максимумами и минимумами нарушается (фиг. 2.б). Для восстановления дифракционной картины необходима настройка магнитного поля. Данный факт подтверждается регистрируемыми изображениями расположения наночастиц на силовых линиях (фиг. 3 и 4), полученными с использованием микроскопа. The essence of the method lies in the fact that the scattered laser radiation passed through a rectangular cell, the walls of which are made of quartz glass, filled with a magnetic fluid, forms a diffraction image on the photosensitive layer of the video camera (Fig. 1). This image clearly shows the positions of the highs and lows. The formation of this image is due to the fact that a cell with a magnetic fluid is located in a magnetic field. The concentration of nanoparticles such as magnetite (size 12 nm) contained in the magnetic fluid can be controlled. These particles are located in the vicinity of the magnetic field lines, forming a striped structure with zones of transparency for laser radiation. In the case of a uniform magnetic field, the structure formed in the vicinity of the field lines (speckle structure) possesses a certain repeatability (periodicity) and it can be considered for the incoming laser radiation as a similarity of a diffraction grating. From the period of the location of the diffraction maxima, it is possible to determine the distance between the speckle structures (the period of the diffraction grating), which corresponds to the distance between the lines of force of the magnetic field (Fig. 1.a). The video camera output is connected to the oscilloscope. By choosing a line on the oscilloscope screen in the recorded diffraction pattern, the dependence of the amplitude of the recorded laser signal on their position between the poles of the magnetic system is plotted (Fig. 2). The obtained dependence makes it possible to determine the number of lines of force of the magnetic field per unit area in the interpolar space of the magnetic system. This allows you to calculate the density of lines of force, the value of which is necessary to determine the induction of the magnetic field in a given zone of the interpolar space of the magnetic system. By moving the ferrofluidic cell along the interpolar space, it is possible to construct the distribution of the magnetic induction between the poles. Determine the nature of the change in the magnetic field induction from the center of the magnetic system to its edges. With small changes in the inhomogeneity of the magnetic field in which the ferrofluidic cell is located, the distances between the lines of force of the magnetic field change quite smoothly, so the diffraction pattern in the video camera is observed. In the case of an increase in the inhomogeneity of the magnetic field, the periodicity of the arrangement of speckle structures is violated, and the diffraction pattern spreads out (Fig. 1.b). The symmetrical arrangement between the highs and lows is violated (Fig. 2.b). To reconstruct the diffraction pattern, it is necessary to adjust the magnetic field. This fact is confirmed by the recorded images of the arrangement of nanoparticles on the lines of force (Figs. 3 and 4), obtained using a microscope.
Регистрацию данной дифракционной картины можно реализовать в трех плоскостях xy, yz и xz, так как наночастицы магнитной жидкости расположены по все объему феррофлюидной ячейки. В магнитном поле они создают объемные спекл-структуры. Для этого необходимо плоскость падения лазерного излучения на грань феррофлюидной ячейки перенести, например из xy в yz. В плоскости yz расположить плоскость фоточувствительного слоя видеокамеры. Так как перемещаются только лазер и камера, а феррофлюидная ячейка остается на том же месте в межполюсном пространстве магнитной системы, то согласование, полученных пространственных изображений силовых линий по расстоянию в межполюсном пространстве магнитной системы, не требуется. Аналогично измерения проводятся для плоскости xz.This diffraction pattern can be recorded in three planes xy, yz, and xz, since the magnetic fluid nanoparticles are located throughout the entire volume of the ferrofluid cell. In a magnetic field, they create bulk speckle structures. For this, it is necessary to transfer the plane of incidence of laser radiation on the ferrofluid cell face, for example, from xy to yz. Place the plane of the photosensitive layer of the video camera in the yz plane. Since only the laser and the camera move, and the ferrofluid cell remains in the same place in the interpolar space of the magnetic system, matching of the obtained spatial images of the field lines by distance in the interpolar space of the magnetic system is not required. Measurements are carried out in the same way for the xz plane.
Для повышения контраста дифракционной картины регистрируемой видеокамерой в экспериментальной установке (фиг. 5) использовалось минимальное число оптических элементов. Это позволяет уменьшить количество отражений лазерного излучения между оптическими гранями этих элементов, которые искажают форму максимумов и минимумов в регистрируемой дифракционной картине. Наличие различных оптических «бликов», связанных с отражением лазерного излучения и дополнительным его преломлением на гранях, снижает отношение сигнал/шум в амплитудах регистрируемых максимумов и увеличивает погрешность измерения расстояния между силовыми линиями и плотности их распределения.To increase the contrast of the diffraction pattern recorded by the video camera in the experimental setup (Fig. 5), the minimum number of optical elements was used. This makes it possible to reduce the number of laser radiation reflections between the optical faces of these elements, which distort the shape of the maxima and minima in the recorded diffraction pattern. The presence of various optical "flares" associated with the reflection of laser radiation and its additional refraction on the edges reduces the signal-to-noise ratio in the amplitudes of the recorded maxima and increases the error in measuring the distance between the field lines and their distribution density.
Для типовых магнитных систем с использованием магнитной жидкости (размер наночастиц от 12 до 14 нм), установлено, что расстояние между силовыми линиями составляет от 0.01 до 0.14 мм. Расстояние между силовыми линиями изменяется от значения индукции магнитного поля и конфигурации полюсных наконечников. Этот результат подтвержден измерениями с использованием микроскопа. Однородность магнитного поля изменяется от 10-5 до 10-3 см-1.For typical magnetic systems using a magnetic fluid (nanoparticle size from 12 to 14 nm), it was found that the distance between the lines of force is from 0.01 to 0.14 mm. The distance between the lines of force varies with the value of the magnetic induction and the configuration of the pole pieces. This result was confirmed by measurements using a microscope. The uniformity of the magnetic field varies from 10 -5 to 10 -3 cm -1 .
На фиг. 1 представлена дифракционная картина от прошедшего через феррофлюидную ячейку лазерного излучения;FIG. 1 shows the diffraction pattern from the laser radiation passed through the ferrofluid cell;
На фиг. 2 представлена зависимость интенсивности I от расстояния между силовыми линиями магнитного поля;FIG. 2 shows the dependence of the intensity I on the distance between the lines of force of the magnetic field;
На фиг. 3 представлено изображение распределения наночастиц в феррофлюидной ячейки в отсутствии магнитного поля;FIG. 3 shows an image of the distribution of nanoparticles in a ferrofluidic cell in the absence of a magnetic field;
На фиг. 4 представлено изображение распределения наночастиц в феррофлюидной ячейки при однородном магнитном поле;FIG. 4 shows an image of the distribution of nanoparticles in a ferrofluid cell in a uniform magnetic field;
На фиг. 5 представлена структурная схема экспериментальной установки для исследования неоднородности магнитного поля, которая состоит из следующих компонентов:FIG. 5 shows a block diagram of an experimental setup for studying magnetic field inhomogeneity, which consists of the following components:
1. Полупроводниковый лазер на гетероструктурах с λ = 632.8 нм, длиной поперечной пространственной когерентности Ltk = 10 мм, углом расходимости излучения θ ≈ 0.02 мрад;1. Semiconductor heterostructure laser with λ = 632.8 nm, transverse spatial coherence length L tk = 10 mm, radiation divergence angle θ ≈ 0.02 mrad;
2. Диафрагма с изменяющимся диаметром для ограничения влияния много отраженного излучения от различных оптических элементов;2. Diaphragm with variable diameter to limit the influence of many reflected radiation from various optical elements;
3. Собирающая линза;3. Collecting lens;
4. Феррофлюидная ячейка - прямоугольная герметичная кювета из кварцевого стекла с магнитной жидкостью. В качестве магнитной жидкости использовался водный раствор магнетита с концентрацией наночастиц 0.025 (средний размер наночастиц 13 нм) в качестве поверхностно - активного вещества (ПАВ) использовалась олеиновая кислота;4. Ferrofluidic cell - rectangular sealed quartz glass cuvette with magnetic fluid. An aqueous solution of magnetite with a nanoparticle concentration of 0.025 (average nanoparticle size of 13 nm) was used as a magnetic fluid; oleic acid was used as a surfactant;
5. Магнитная система - электромагнит с винтами, регулирующими однородность магнитного поля в межполюсном пространстве;5. Magnetic system - an electromagnet with screws that regulate the uniformity of the magnetic field in the interpolar space;
6. Поляризатор для регулирования интенсивности излучения, прошедшего через феррофлюидную ячейку, для исключения засветки видеокамеры;6. Polarizer for regulating the intensity of radiation that has passed through the ferrofluidic cell, to exclude the illumination of the video camera;
7. Камера logitech c920. Для исключения захвата всех изображений из камеры удален автофокусирующий элемент;7. Logitech c920 camera. To exclude the capture of all images from the camera, the autofocusing element has been removed;
8. Ноутбук.8. Laptop.
На фиг. 6 представлена схема распространения лучей лазерного излучения в феррофлюидной ячейке при регистрации дифракционной картины в прошедшем свете, которая состоит из следующих компонентов: 1 - стенки феррофлюидной ячейки; 2 -толщина слоя магнитной жидкости в направлении перпендикулярном магнитному полю; 3 - экран.FIG. 6 shows a diagram of the propagation of laser radiation beams in a ferrofluidic cell when recording a diffraction pattern in transmitted light, which consists of the following components: 1 - walls of a ferrofluidic cell; 2 - thickness of the magnetic fluid layer in the direction perpendicular to the magnetic field; 3 - screen.
Лазерное излучение (фиг. 5) после собирающей линзы поступает на переднюю прозрачную грань феррофлюидной ячейки, которая обладает показателем преломления nc. На фиг. 6 представлена схема движения лазерных лучей в феррофлюидной ячейки с магнитной жидкостью, а также после выхода из нее до фоточувствительного слоя видеокамеры. В качестве фоточувствительного слоя (его положения) представлен экран 3, расположенный от задней грани ферррофлюидной ячейки на расстоянии L. Для исследования структуры силовых линий магнитного поля в межполюсном пространстве магнитной системы наиболее оптимальным решением является решение использовать феррофлюидную ячейку прямоугольной формы. Под действием магнитного поля ферромагнитные наночастицы (в феррофлюидных ячейках используются частицы магнетита с размером от 12 до 14 нм или гематита размером от 13 до 15 нм) намагничиваются и располагаются в окрестностях силовых линий магнитного поля. Чем меньше размер ферромагнитных частиц, тем более четче будет воспроизводится ими структура силовых линий магнитного поля. Кроме того, в случае очень высокой плотности силовых линий, использование маленьких частиц позволяет исключить «слипание» силовых линий и образование сгустков по сравнению со случаем использования железных опилок. Индукция магнитного поля В в зазоре между полюсами связана с магнитным потоком Ф:Laser radiation (Fig. 5) after the collecting lens enters the front transparent face of the ferrofluidic cell, which has a refractive index n c . FIG. 6 shows a diagram of the movement of laser beams in a ferrofluidic cell with a magnetic fluid, as well as after leaving it to the photosensitive layer of the video camera. As a photosensitive layer (its position), a
В = Ф/S, (1)B = F / S, (1)
где S - площадь одного из полюсных наконечников.where S is the area of one of the pole pieces.
При рассмотрении силовых линий вводится функция распределения плотности силовых линий jB по сечению магнита между полюсными наконечниками. Тогда В можно представить следующим образом:When considering the lines of force, the distribution function of the density of the lines of force j B over the cross section of the magnet between the pole pieces is introduced. Then B can be represented as follows:
B = 
Ранее было установлено, что 
Количество силовых линий магнитного поля можно оценить на основе следующего установленного факта. Для лазерного излучения ферромагнитные частицы в случае размещения феррофлюидной ячейки в магнитном поле, располагаются в окрестностях силовых линий и образовывают подобие дифракционной решетки с периодом dp. Период dp = a + c, где a - толщина непрозрачной линии для лазерного излучения, образованной наночастицами, а с - расстояние между линиями. Повторяемость периода дифракционной решетки, например, по расстоянию между полюсами магнитной системы будет зависеть от однородности магнитного поля в зазоре. На экране (фиг. 6) будет наблюдаться дифракционная картина максимумов и минимумов. Вычислив количество максимумов на единицу площади (объема) можно определить
Методика проведения измерения периода дифракционной решетки dr, которой отображает расстоянию между силовыми линиями магнитного поля соответствует классической теории построения дифракционной картины. Отличием от классического случая в ферррофлюидной ячейки является учет в построении пространственной дифракционной картины прозрачного слоя стеклянных стенок с толщиной d1 и толщины слоя магнитной жидкости d2 (фиг. 6). Явлениями, связанными с неоднократным отражением лазерным излучением в стеклянных стенках решетки, а также от феррофлюидной жидкости, пренебрегаем, в силу малости интенсивности отраженного лазерного излучения. Разместим на расстоянии L от центра феррофлюидной ячейки экран 3 (камеру), на котором формируется регистрируемое дифракционное изображение от прошедшего через ячейку лазерного излучения.The technique for measuring the period of the diffraction grating d r , which reflects the distance between the magnetic field lines, corresponds to the classical theory of constructing a diffraction pattern. The difference from the classical case in a ferrofluidic cell is the inclusion in the construction of the spatial diffraction pattern of a transparent layer of glass walls with a thickness d 1 and a thickness of a magnetic fluid layer d 2 (Fig. 6). We neglect the phenomena associated with repeated reflection by laser radiation in the glass walls of the grating, as well as from a ferrofluidic liquid, due to the low intensity of the reflected laser radiation. We place a screen 3 (camera) at a distance L from the center of the ferrofluid cell, on which a recorded diffraction image is formed from the laser radiation transmitted through the cell.
Положение каждого максимума на экране относительно его центра (точка О) будет определятся порядком дифракции k, dr и λ. а также расстоянием до экрана L и углом расходимости лазерного излучения θ. Для двух соседних максимумов было определено их положение на оси OY. А также величина дополнительного смещения Δyk по оси OY, которое образуется из-за преломления излучения на границах магнитная жидкость - стекло и стекло - воздух. Было установлено, что на расстояниях L = 20 см, которые использовались нами в эксперименте, значение Δyk - бесконечно малая величина по сравнению с расстоянием между двумя соседними максимами ΔY. Для определения данного расстояния ΔY использовалось условие получения максимумов дифракционной картины:The position of each maximum on the screen relative to its center (point O) will be determined by the order of diffraction k, d r and λ. as well as the distance to the screen L and the angle of divergence of the laser radiation θ. For two adjacent maxima, their position on the OY axis was determined. And also the value of the additional displacement Δy k along the OY axis, which is formed due to the refraction of radiation at the boundaries of the magnetic fluid - glass and glass - air. It was found that at distances L = 20 cm, which we used in the experiment, the value of Δy k is an infinitely small value in comparison with the distance between two neighboring maxima ΔY. To determine this distance ΔY, the condition for obtaining the maxima of the diffraction pattern was used:
dp sin ϕk = kλ, (3)d p sin ϕ k = kλ, (3)
По геометрической картине положения максимумов (рис. 2) мною было получено следующее соотношение:From the geometrical picture of the position of the maxima (Fig. 2), I obtained the following relation:
где L - расстояние между феррофлюидной ячейкой и камерой, k1 и k2 - порядок дифракционных максимумов.where L is the distance between the ferrofluid cell and the chamber, k 1 and k 2 is the order of diffraction maxima.
Измеряя ΔY по регистрируемому камерой 7 (фиг. 6) дифракционному изображению для каждого из порядков дифракции по (4) определяется значение dr, которое позволяет оценить расстояние между силовыми линиями магнитного поля. Построив зависимость изменения dr от расстояния между полюсами магнитной системы, можно определить степень пространственной неоднородности магнитного поля.By measuring ΔY according to the diffraction image recorded by the camera 7 (Fig. 6) for each of the diffraction orders according to (4), the value of d r is determined, which makes it possible to estimate the distance between the magnetic field lines. Having constructed the dependence of the change in d r on the distance between the poles of the magnetic system, it is possible to determine the degree of spatial inhomogeneity of the magnetic field.
При исследовании силовых линий магнитного поля необходимо учесть ряд особенностей при проведении измерений. С камеры 7 (фиг. 5) целесообразно снять фокусирующие элементы, чтобы исключить влияние эффектов переотражения на максимумы и минимумы дифракционной картины. Полупроводниковый лазер должен обладать узкой диаграммой направленности. Это в большинстве случаев позволяет исключить использование линзы 3 (фиг. 5), что также уменьшает влияние эффектов переотражения лазерного излучения на степень контраста максимумов и минимумов в регистрируемой дифракционной картине. Точность определения положения максимумов и минимумов дифракционной картины увеличивается с увеличением ее степени контраста.When studying the lines of force of a magnetic field, it is necessary to take into account a number of features when carrying out measurements. From the camera 7 (Fig. 5), it is advisable to remove the focusing elements in order to exclude the influence of the effects of re-reflection on the maxima and minima of the diffraction pattern. A semiconductor laser must have a narrow radiation pattern. In most cases, this makes it possible to exclude the use of lens 3 (Fig. 5), which also reduces the influence of the effects of re-reflection of laser radiation on the degree of contrast of maxima and minima in the recorded diffraction pattern. The accuracy of determining the position of the maxima and minima of the diffraction pattern increases with an increase in its degree of contrast.
По симметричному расположению максимумов и минимумов в дифракционной картине можно проводить настройку магнитной системы различных приборов, например, ЯМР спектрометров и релаксометров, ЭПР спектрометров, вибрационных магнитометров и т.д. Разработанный метод позволяет выполнять настройку магнитной системы не только изменяя конфигурацию магнитного поля, используя ориентацию полюсов магнитов относительно друг друга, но и изменяя напряжение на корректирующих катушках.According to the symmetric arrangement of maxima and minima in the diffraction pattern, one can adjust the magnetic system of various devices, for example, NMR spectrometers and relaxometers, EPR spectrometers, vibration magnetometers, etc. The developed method allows tuning the magnetic system not only by changing the configuration of the magnetic field, using the orientation of the poles of the magnets relative to each other, but also by changing the voltage on the correcting coils.
Пример.Example.
Для подтверждения возможностей использования нового способа для исследования структуры магнитных полей на фиг. 1 представлены зарегистрированные дифракционные изображения (после обработки специальной компьютерной программой) от рассеянного лазерного излучения на спекл-структурах магнитной жидкости, размещенной в феррофлюидной ячейки в магнитном поле. Перемещая на фиксированное расстояние феррофлюидную ячейку по зазору магнитной системы в плоскости xy, исследуем структуру силовых линий в «рабочем секторе» магнитной системы.To confirm the possibilities of using the new method for studying the structure of magnetic fields in Fig. 1 shows the registered diffraction images (after processing with a special computer program) from the scattered laser radiation on speckle structures of a magnetic fluid placed in a ferrofluid cell in a magnetic field. Moving the ferrofluid cell at a fixed distance along the gap of the magnetic system in the xy plane, we investigate the structure of the field lines in the "working sector" of the magnetic system.
Изображение на фиг. 1.а соответствует случаю размещения феррофлюидной ячейки в однородном магнитном поле. Форма дифракционных полос на изображении повторяется в определенной последовательности. В случае создания в зоне размещения феррофлюидной ячейки неоднородного магнитного поля вид дифракционной картины на регистрируемом изображении (фиг. 1.б) существенно изменяется.The image in FIG. 1a corresponds to the case of placing a ferrofluid cell in a uniform magnetic field. The shape of the diffraction fringes in the image is repeated in a certain sequence. If an inhomogeneous magnetic field is created in the area where the ferrofluid cell is located, the appearance of the diffraction pattern in the recorded image (Fig. 1.b) changes significantly.
Анализ экспериментальных результатов показал, что предпочтительнее регистрировать дифракционную картину следует выбирая строку (по ширине или высоте дифракционной ячейки). Более удобно по высоте. По этой строке строится распределение интенсивности I, регистрируемого лазерного излучения. На фиг. 2 представлены данные распределения интенсивности I в дифракционной картине для прошедшего через феррофлюидную ячейку лазерного излучения по ее высоте h.Analysis of the experimental results showed that it is preferable to record the diffraction pattern by choosing a row (along the width or height of the diffraction cell). More comfortable in height. This line is used to construct the intensity distribution I of the registered laser radiation. FIG. 2 shows the data of the intensity distribution I in the diffraction pattern for the laser radiation passed through the ferrofluid cell along its height h.
Распределение интенсивности I соответствует дифракционной картине, зафиксированной в определенный момент времени t. Положение строки по ширине ячейки более целесообразно выбрать напротив зоны с наибольшим контрастом дифракционной картины.The intensity distribution I corresponds to the diffraction pattern recorded at a certain time t. It is more expedient to choose the position of the row across the cell width opposite the zone with the highest contrast of the diffraction pattern.
Исследования показали, что изменение положения и амплитуды максимумов в регистрируемой дифракционной картине (фиг. 2) зависит от величины неоднородности магнитного поля. Наименьшей неоднородности магнитного поля соответствует наибольшая симметрия максимумов в дифракционной картине. Полученные данные позволяют оценить расстояние между силовыми линиями магнитного поля (плотность силовых линий магнитного поля). Для значения В = 1 млТл в зоне размещения феррофлюидной ячейки оно составило 0.02 мм.Studies have shown that the change in the position and amplitude of the maxima in the recorded diffraction pattern (Fig. 2) depends on the magnitude of the inhomogeneity of the magnetic field. The smallest inhomogeneity of the magnetic field corresponds to the greatest symmetry of the maxima in the diffraction pattern. The data obtained make it possible to estimate the distance between the magnetic field lines (density of the magnetic field lines). For a value of B = 1 mlT in the area of the ferrofluid cell, it was 0.02 mm.
В случае изменения периода dp в феррофлюидной ячейки по причине изменения неоднородности магнитного поля в зоне действия на неё лазерного излучения, структура и расположение на оси x или y дифракционных максимумов и минимумов изменяется. Сравнивая полученные дифракционные картины, можно оценить изменение неоднородности магнитного поля по направлению, перемещения феррофлюидной ячейки и подстроить магнитную систему в реальном времени.In the case of a change in the period d p in a ferrofluid cell due to a change in the inhomogeneity of the magnetic field in the zone of action of laser radiation on it, the structure and location of the diffraction maxima and minima on the x or y axis changes. By comparing the obtained diffraction patterns, it is possible to estimate the change in the directional magnetic field inhomogeneity, the displacement of the ferrofluid cell, and to adjust the magnetic system in real time.
Полученные результаты показывают, что разработанный метод и различные устройства, а также программы для его реализации открывают перед учеными новые возможности для исследования структуры магнитных полей в межполюсном пространстве магнитных систем, создания различных материалов, как для магнитных систем, так и для экранирования от магнитных полей.The results obtained show that the developed method and various devices, as well as programs for its implementation, open up new opportunities for scientists to study the structure of magnetic fields in the interpolar space of magnetic systems, create various materials, both for magnetic systems and for shielding from magnetic fields.
Реализованные в ходе проведения исследований стркутуры магнитного поля практические конструкции различных датчиков могут применяться, как решения практических задач (ряд примеров приведен в работе), так для проведения фундаментальных научных исследований (например, в космическом пространстве - магнитных полей черных дыр - датчики очень просты в управлении, могут работать от автономного питания и мало весят - их можно использовать в специальном зонде, которы запускают с автоматической станции в черную дыру или для исследования магнитной дорожки).Practical designs of various sensors implemented in the course of research on the structure of the magnetic field can be used both for solving practical problems (a number of examples are given in the work), and for conducting fundamental scientific research (for example, in outer space - magnetic fields of black holes - sensors are very easy to control , can operate on autonomous power supply and weigh little - they can be used in a special probe, which is launched from an automatic station into a black hole or to study the magnetic track).
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020136555A RU2751462C1 (en) | 2020-11-06 | 2020-11-06 | Method for studying structure of magnetic fields using laser radiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020136555A RU2751462C1 (en) | 2020-11-06 | 2020-11-06 | Method for studying structure of magnetic fields using laser radiation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2751462C1 true RU2751462C1 (en) | 2021-07-14 |
Family
ID=77019636
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020136555A RU2751462C1 (en) | 2020-11-06 | 2020-11-06 | Method for studying structure of magnetic fields using laser radiation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2751462C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1157488A1 (en) * | 1983-05-30 | 1985-05-23 | Предприятие П/Я В-8708 | Method of measuring heterogeneity of magnetic induction in screened object |
| SU1610444A1 (en) * | 1984-04-10 | 1990-11-30 | Белорусский государственный университет им.В.И.Ленина | Method of measuring heterogeneities of magnetic field |
| RU2218577C2 (en) * | 2001-11-09 | 2003-12-10 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Procedure measuring complete vector of magnetic field and facility for its realization |
| US20150369887A1 (en) * | 2014-06-19 | 2015-12-24 | Senior Scientific Llc | Methods and apparatuses related to instrumentation for magnetic relaxometry measurements |
| EP3242139A1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-11-08 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg | Method and apparatus for determining a magnetic field |
-
2020
- 2020-11-06 RU RU2020136555A patent/RU2751462C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1157488A1 (en) * | 1983-05-30 | 1985-05-23 | Предприятие П/Я В-8708 | Method of measuring heterogeneity of magnetic induction in screened object |
| SU1610444A1 (en) * | 1984-04-10 | 1990-11-30 | Белорусский государственный университет им.В.И.Ленина | Method of measuring heterogeneities of magnetic field |
| RU2218577C2 (en) * | 2001-11-09 | 2003-12-10 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Procedure measuring complete vector of magnetic field and facility for its realization |
| US20150369887A1 (en) * | 2014-06-19 | 2015-12-24 | Senior Scientific Llc | Methods and apparatuses related to instrumentation for magnetic relaxometry measurements |
| EP3242139A1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-11-08 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg | Method and apparatus for determining a magnetic field |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Logunov et al. | Visualizer of magnetic fields | |
| Liu et al. | Photonic spin Hall effect: fundamentals and emergent applications | |
| Logunov et al. | New method of researches of the magnetic fields force lines structure | |
| Logunov et al. | Quantum analyzer of force lines structure at magnetic fields | |
| US7915577B2 (en) | Single-shot spatially-resolved imaging magnetometry using ultracold atoms | |
| Arzamastseva et al. | Properties of epitaxial (210) iron garnet films exhibiting the magnetoelectric effect | |
| Logunov et al. | Peculiarities of registration of magnetic field variations by a quantum sensor based on a ferrofluid cell | |
| Kawata et al. | Turbulent rotating plane Couette flow: Reynolds and rotation number dependency of flow structure and momentum transport | |
| Hiroi et al. | Magnetic field imaging of a model electric motor using polarized pulsed neutrons at J-PARC/MLF | |
| RU2751462C1 (en) | Method for studying structure of magnetic fields using laser radiation | |
| Logunov et al. | On the possibility of using the photometric method for monitoring the position of a mobile marine object | |
| Logunov et al. | Control of structure of magnetic field by laser radiation | |
| CN112229801B (en) | Device and method for measuring ytterbium radical birefringence effect under action of magnetic field | |
| CN109633290A (en) | A kind of microwave field field strength measurement system and measurement method | |
| Pynn et al. | The use of symmetry to correct Larmor phase aberrations in spin echo scattering angle measurement | |
| Pynn et al. | Spin echo scattering angle measurement at a pulsed neutron source | |
| Lapchuk et al. | Near-field optical microscope working on TEM wave | |
| Lazzari et al. | Electron probe measurements of field distributions near magnetic recording heads | |
| Ivanov et al. | Quantitative mapping of stray field planar component by tracking singular points in metallic indicator film | |
| Groenland et al. | Measurement system for two-dimensional magnetic field distributions, applied to the investigation of recording head fields | |
| Grassi | Spin waves in inhomogeneous magnetization distributions | |
| Sciammarella et al. | The equivalent of Fourier holography at the nanoscale | |
| JP2023010623A (en) | Magnetization component measuring device, magnetization component measuring method, magnetization component measurement program and recording medium | |
| Marchiori et al. | Imaging magnetic spiral phases, skyrmion clusters, and skyrmion displacements at the surface of bulk Cu $ _2 $ OSeO $ _3$ | |
| Jendrzejewski | Quantum transport of ultracold atoms in disordered potentials |