• Представлена информация о различных преобразователях и датчиках физических величин, параметров различных физических процессов.
• Электрофизические свойства и эффекты в различных электротехнических материалах.
• Теория, экспериментальые результаты, практическое применение
русский / english
Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал © 2011→ Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки
Главная >> Магнитные поля >> РЯД ПРЕЦИЗИОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Э.Д.С. ХОЛЛА
РЯД ПРЕЦИЗИОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Э.Д.С. ХОЛЛА
Магнитные измерения являются одними из основных при создании как "теплой", так и криогенной - электрофизической аппаратуры, использующей магнитнме поля. Малые размеры генераторов э.дэс. Холла (ГХ) являются неоспоримым преимуществом среди других магнитометрических приборов /1/, что определяет их широкое применение для магнитных измерений в электрофизике.
При измерении сильных полей одним из основных источников погрешности является влияние температуры на выходной сигнал ГХ, которое незначительно на фоне относительно большого выходного сигнала. Например, в поле 2 Тл выходной сигнал ГХ может достигать 200 мВ, тогда как изменение температуры на 1°С изменяет выходной сигнал на несколько микровольт. Кроме того, на таком уровне сигналов влияние температуры складывается аддитивно с основным сигналом и может быть скомпенсировано методически, тем более в криогенной области, где жидкий гелий является идеальным стабилизатором температуры, а поля достаточно высоки. При измерении сильных полей особого внимания требует минимизация планарного и градиентного компонентов выходного сигнала ГХ /2/.
В слабых магнитных полях, на уровне малых выходных сигналов ГХ сильнее проявляются дополнительные источники погрешности, такие как термоэлектрические (Зеебека, Пельтье) эффекты, эффект собственного поля, свойства и однородность применяемого материала /3/. Поэтому, например, для измерения распределения магнитного поля в центральной зоне квадрупольного магнита требуется применять специальные меры.
В обоих случаях также важна минимизация погрешности, калибровки, направленности.
Целью работы являлось как получение предельной абсолютной чувствительности генераторов Холла при измерении слабых магнитных полей, так и максимальной точности и стабильности измерения сильных полей.
В работе описаны результаты разработки магнитометрических приборов на базе генераторов Холла для измерения слабых магнитных полей на уровне поля Земли, включающие как оптимизацию конструкции, технологии изготовления и электрофизических свойств ГХ, так и комплекс схемотехнических, конструктивных, методических мероприятий, направленных на достижение высокой точности и абсолютной чувствительности измерений.
Также описаны разработанные дестабилизированные трехкомпонентные датчики магнитного поля.
Результат разработки
В результате создан ряд ГХ указанных ниже типов;
1. РУ1 — общее назначение, широкие рабочие диапазоны, низкий ток питания, низкий разброс параметров, высокая магнитная чувствительность.
2. РУ2 — инструментальные измерения, низкий разброс параметров благодаря ручной подгонке параметров, высокая разрешающая способность.
3. РУЗ — прецизионные измерения, наивысшая разрешающая способность.
4. РУ4 — трехкомпонентные датчики магнитного поля (на базе РУЗ) для прецизионных измерений объемных полей.
Основные параметры однокомпонентных ГХ приведены в табл. I.
Таблица 1
Анализ основных свойств и особенностей разработанных приборов
Использовались два полупроводниковых материала — легированные арсенид галлия (СаАs) и антимонид индия (1пSb). Первый используется для получения максимальной температурной стабильности и линейности, второй — для максимальной
чувствительности измерений.
Для повышения точности измерений выбрана оптимальная форма кристалла <<cruciform>> /2/. приведенная на рис. 1.
Рис. 1. Форма кристалла генератора Холла
Размеры активной зоны генератора при этом составляет 100х 100 мкм и при необходимости могут быть еще уменьшены. Определение положения центра рабочей зоны производится на специальном оборудовании с точностью не хуже ±0.5 мкм, определение углового положения нормали к плоскости ГХ - с точностью не хуже ±0,1°.
Широкий диапазон изменения входного сопротивления (5-1500 Ом) обеспечивает возможность выбора величины номинального тока в пределах 1-200 мА при неизменной магнитной чувствительности дня получения требуемых разрешающей способности и быстродействия измерений магнитною поля. Зависимость абсолютной чуветвительности ГХ от входного сопротивления при заданном времени измерения приведена на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость абсолютной чувствительности ГХ от входного сопротивления
Величина начального смещения ГХ определяемая технологией, составляет - 500 мкВ. Уменьшение смещения до величины < 100 мкВ обеспечивается дополнительной подгонкой. Разброс параметров в партии не превышает 10%. Температурный коэффициент начального напряжения смещения определяется конструкцией ГХ и может быть доведен до величины менее 1-2 мкВ/°С. Активная термостабилиаация ГХ обеспечивает стабильность результатов на уровне ± 0,05 Гс за 8 ч работы. Рабочий диапазон температур 4.2—450 К подтвержден выполненными контрактами зарубежных партнеров по поставкам ГХ для криогенного диапазона.
Для прецизионных ГХ магнитная чувствительность при номинальном токе питания 8±2 мкВ/Гс для GаАs и 25±3 мкВ/Гс для InSb. Высокая абсолютная чувствительность измерений обеспечивается благодаря минимизации шумов ГХ и аппаратуры, принятым схемотехническим и конструктивным мерам, а также специальному алгоритму. Базовая структурная схема измерений (рис. 3) включает в себя:
• генератор питающего переменного тока ГСТ, синхронизированного с частотой питающей сети.
• малошумящий дифференциальный усилитель ДУ подключенный к потенциальным концам ГХ.
• стабилизатор температуры ТС, использующий термометр Т и нагреватель Н установленные в сборке с ГХ.
Рис. 4. Внешний вил трехкомпонентных сборок генераторов Холла
Ведутся работы по повышению радиационной стойкости ГХ /5/. Оценки показывают возможность проведения измерений сильных магнитных полей при флюенсе нейтронов на уровне 10^18.
Технология изготовления обеспечена средствами входного контроля (включая визуальное наблюдение собранного кристалла), калибровки по полю, температуре плаиарному и градиентному компонентам.
Выводы
Разработан ряд прецизионных генераторов э.д.с. Холла для измерения слабых магнитных полей на уровне поля Земли.
Достигнута абсолютная чувствительность измерения стационарного магнитного поля на уровне 1 мГс при времени измерения 40 мс.
Путем дополнительного легирования материала разработанные ГХ могут быть применены и для сильных полей в исследованном диапазоне до 12 Тл.
Технологии, разработанные для повышения чувствительности измерения слабых полей, служат также для повышения точности измерения сильных нолей.
Широкий диапазон токов питания дает возможность различных применений разработанных ГХ, включая переносные приборы.
Повышение радиационной стойкости ГХ позволяет применять их в электрофизичесхих установках, работающих в условиях радиационного облучения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. henrichsen К. N. Classification of magnetic measurement methods //CERN acceleration schol. Magnetic measurement and alignment. Montreux. Switzerland. March, 1992 , p.70-83.
2. Вегкеs В. Hall generators //CERN acceleration schol. Magnetic measurement and alignment. Montreux. Switzerland. March, 1992 , p.167-192.
3. Афанасьев Ю, В., Слуденцов Н. В., Щелкин А. П. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Л.: Энергия. Ленинградское отделение. 1972.- 272с.
4. Кnоорегs Н. G. et.al. Third round of the ITER strand bench mark test // Proceedings of EUCAS-97. P. 1271-1274.
5. Отчет ИТЕР: “Диагностическое оснащение порт-лимитера ИТЕР”. С-Петербург, 2001
Желамский М.В., Сычевский С.Е., Филатов О.Г., Горбачук Н.Т. и др. Ряд прецизионных генераторов Э.Д.С. Холла. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Электрофизическая аппаратура, в. 1(27), 2002 г.,с.9-14.
Рис, 3. Базовая структурная схема измерений
Калибровка ГХ в климатическом диапазоне температуры обеспечивается в диапазоне ±2,5 Тл на лабораторном магните, оборудованном ЯМР-магнитометром. В криогенном диапазоне калибровка обеспечивается в диапазоне ±12 Тл при помощи аттестованного сверхпроводящего магнита /4/.
На базе описанных ГХ созданы трехкомпонентные термостабилизированные сборки (рис. 4). Каждая сборка состоит из трех однокомпонентных ГХ, собранных на ортогональных плоскостях опорного медного куба. На свободных плоскостях установлены термометр и нагреватель, использующиеся для стабилизации температуры сборки. Опорный куб на печатной плате закрыт наружной теплоизоляцией и установлен на теплоизолирующую подставку. Основные параметры трехкомпонентных сборок ГХ приведены в табл. 2.
Таблица 2
Смотрите также:
