Экранирование магнитного поля.

Метод шунтирования. -Метод магнитного поля экраном.

Метод шунтирования магнитного поля экраном применяется для защиты от постоянного и медленно изменяющего переменного магнитного поля. Экраны изготавливаются из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницательностью (сталь, пермаллой). При наличии экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам, которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана. Чем толще экран и, чем меньше швов, стыков, тем экранирование эффективнее. Метод вытеснения магнитного поля экраном применяется для экранирования переменных высокочастотных магнитных полей. При этом используются экраны из немагнитных металлов. Экранирование основано на явлении индукции.

Если поставить на пути равнопеременного магнитного моля медный цилиндр, в котором возбудятся переменные вихревые индукционные токи(токи Фуко). Магнитное поле этих токов будет замкнутым; внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами – в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле оказывается ослабленным у цилиндра и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующее действие, которое будет тем эффективнее, чем меньше электрическое сопротивление цилиндра, т.е. чем больше протекающие по нему вихревые токи.

Благодаря поверхностному эффекту («скинэффекту») плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциальному закону

Где

μ– относительная магнитная проницаемость материала; μ˳– магнитная проницаемость вакуума, равная 1.25*108 гн*см-1; ρ– удельное сопротивление материала, Ом*см; ƒ– частота, Гц.

Для немагнитного материала μ = 1. И экранирующий эффект определяется только по ƒ и ρ.

Экранирование является активным методом защиты информации. Экранирование магнитного поля (магнитостатическое экранирование) используется при необходимости подавить наводки на низких частотах от 0 до 3..10 кГц. Эффективность магнитостатического экранирования повышается при применении многослойных экранов.

Эффективность магнитного экранирования зависит от частоты и электрических свойств материала экрана. Чем ниже частота, тем слабее действует экран, тем большей толщины приходится его делать для достижения одного и того же экранирующего эффекта. Для высоких частот, начиная с диапазона средних волн, экран из любого металла толщиной 0,5 ... 1,5 мм действует весьма эффективно. При выборе толщины и материала экрана следует учитывать механическую прочность, жесткость, стойкость против коррозии, удобство стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобство пайки, сварки и пр. Для частот выше 10 МГц медная и тем более серебряная пленка толщиной более 0,1 мм дает значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированного гетинакса или другого изоляционного материала с нанесенным на него медным или серебряным покрытием. Для изготовления экранов используются: металлические материалы, материалы-диэлектрики, стёкла с токопроводящим покрытием, специальные металлизированные ткани, токопроводящие краски. Металлические материалы (сталь, медь, алюминий, цинк, латунь), применяемые для экранирования, изготавливаются в виде листов, сеток и фольги.

Все эти материалы удовлетворяют требованию устойчивости против коррозии при использовании соответствующих защитных покрытий. Наиболее технологичными являются конструкции экранов из стали, так как при их изготовлении и монтаже можно широко использовать сварку или пайку. Металлические листы должны быть между собой электрически соединены по всему периметру. Шов электросварки или пайки должен быть непрерывным, с тем чтобы получить цельносварную конструкцию экрана. Толщина стали выбирается исходя из назначения конструкции экрана и условий его сборки, а также из возможности обеспечения сплошных сварных швов при изготовлении. Экраны из стали обеспечивают ослабление электромагнитного излучения более чем на 100 дБ. Сетчатые экраны проще в изготовлении, удобны для сборки и эксплуатации. Для защиты от коррозии сетки целесообразно покрывать антикоррозийным лаком. К недостаткам сетчатых экранов следует отнести невысокую механическую прочность и меньшую эффективность экранирования по сравнению с листовыми. Для сетчатых экранов пригодна любая конструкция шва, обеспечивающая хороший электрический контакт между соседними полотнищами сетки не реже чем через 10-15 мм. Для этой цели может применяться пайка или точечная сварка. Экран, изготовленный из лужёной низкоуглеродистой стальной сетки с ячейкой 2,5-3 мм, даёт ослабление порядка 55-60 дБ, а из такой же двойной (с расстоянием между наружной и внутренней сетками 100 мм) около 90 дБ. Экран, изготовленный из одинарной медной сетки с ячейкой 2,5 мм, имеет ослабление порядка 65-70 дБ

Принципы экранирования магнитного поля

Для экранирования магнитного поля применяются два метода:

Метод шунтирования;

Метод магнитного поля экраном.

Рассмотрим подробнее каждый из этих методов.

Метод шунтирования магнитного поля экраном.

Метод шунтирования магнитного поля экраном применяется для защиты от постоянного и медленно изменяющего переменного магнитного поля. Экраны изготавливаются из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницательностью (сталь, пермаллой). При наличии экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам (рисунок 8.15), которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана. Качество экранирования зависит от магнитной проницаемости экрана и сопротивления магнитопровода, т.е. чем толще экран и чем меньше швов, стыков, идущих поперек направления линий магнитной индукции, эффективность экранирования будет выше.

Метод вытеснения магнитного поля экраном.

Метод вытеснения магнитного поля экраном применяется для экранирования переменных высокочастотных магнитных полей. При этом используются экраны из немагнитных металлов. Экранирование основано на явлении индукции. Здесь явление индукции полезно.

Поставим на пути равномерного переменного магнитного поля (рисунок 8.16, а) медный цилиндр. В нем возбудятся переменные ЭД, которые, в свою очередь, создадут переменные индукционные вихревые токи (токи Фуко). Магнитное поле этих токов (рисунок 8.16,б) будет замкнутым; внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами – в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле (рисунок 8.16, в) оказывается ослабленным у цилиндра и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующее действие, которое будет тем эффективнее, чем меньше электрическое сопротивление цилиндра, т.е. чем больше протекающие по нему вихревые токи.

, (8.5)

где (8.6)

– показатель уменьшения поля и тока, которое называется эквивалентной глубиной проникновения.

Здесь – относительная магнитная проницаемость материала;

– магнитная проницаемость вакуума, равная 1.25*10 8 гн*см -1 ;

– удельное сопротивление материала, Ом*см;

– частота, Гц.

Величиной эквивалентной глубины проникновения удобно характеризовать экранирующий эффект вихревых токов. Чем меньше х 0 , тем больше создаваемое ими магнитное поле, вытесняющее из пространства занятого экраном, внешнее поле источника наводки.

Для немагнитного материала в формуле (8.6) =1, экранирующий эффект определяется только и . А если экран сделать из ферромагнитного материала?

При равных эффект будет лучше, так как >1 (50..100) и х 0 будет меньше.

Итак, х 0 является критерием экранирующего эффекта вихревых токов. Представляет интерес оценить, во сколько раз плотность тока и напряженность магнитного поля становится меньше на глубине х 0 по сравнению, чем на поверхности. Для этого в формулу (8.5) подставим х=х 0 , тогда

откуда видно, что на глубине х 0 плотность тока и напряженность магнитного поля падают в е раз, т.е. до величины 1/2.72, составляющей 0.37 от плотности и напряженности на поверхности. Так как ослабление поля всего в 2.72 раза на глубине х 0 недостаточно для характеристики экранирующего материала , то пользуются еще двумя величинами глубины проникновения х 0,1 и х 0,01 , характеризующими падение плотности тока и напряжения поля в 10 и 100 раз от их значений на поверхности.

Выразим значения х 0,1 и х 0,01 через величину х 0 , для этого на основание выражения (8.5) составим уравнение

И ,

решив которые получим

х 0.1 =х 0 ln10=2.3x 0 ; (8.7)

х 0.01 =х 0 ln100=4.6x 0

На основании формул (8.6) и (8.7) для различных экранирующих материалов в литературе приведены значения глубин проникновения. Эти же данные, с целью наглядности, приведем и мы в виде таблицы 8.1.

Из таблицы видно, что для всех высоких частот, начиная с диапазона средних волн, экран из любого металла толщиной 0,5..1,5 мм действует весьма эффективно. При выборе толщины и материала экрана следует исходить не из электрических свойств материала, а руководствоваться соображениями механической прочности, жесткости, стойкости против коррозии, удобства стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобства пайки, сварки и пр.

Из данных таблицы следует, что для частот больше 10 МГЦ пленка из меди и тем более из серебра толщиной меньше 0.1 мм дает значительный экранирующий эффект . Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированного гетинакса или другого изоляционного материала с нанесенным на него медным или серебряным покрытием.

Сталь можно использовать в качестве экранов, только нужно помнить, что из-за большого удельного сопротивления и явления гистерезиса экран из стали может вносить в экранирующие цепи значительные потери.

Фильтрация

Фильтрация является основным средством ослабления конструктивных помех, создаваемых в цепях питания и коммутации постоянного и переменного тока ЭС. Предназначенные для этой цели помехоподавляющие фильтры позволяют снижать кондуктивные помехи, как от внешних, так и от внутренних источников. Эффективность фильтрации определяется вносимым затуханием фильтра:

дБ,

К фильтру предъявляются следующие основные требования:

Обеспечение заданной эффективности S в требуемом частотном диапазоне (с учетом внутреннего сопротивления и нагрузки электрической цепи);

Ограничение допустимого падения постоянного или переменного напряжения на фильтре при максимальном токе нагрузки;

Обеспечение допустимых нелинейных искажений питающего напряжения, определяющих требования к линейности фильтра;

Конструктивные требования – эффективность экранирования, минимальные габаритные размеры и масса, обеспечение нормального теплового режима, стойкость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность конструкции т.д.;

Элементы фильтра должны выбираются с учетом номинальных токов и напряжений электрической цепи, а также вызванных в них бросков напряжений и токов, вызванных нестабильностью электрического режима и переходными процессами.

Конденсаторы. Применяются как самостоятельные помехоподавляющие элементы и как параллельные звенья фильтров. Конструктивно помехоподавляющие конденсаторы делятся на:

Двухполюсные типа К50-6, К52-1Б, ЭТО, К53-1А;

Опорные типа КО, КО-Е, КДО;

Проходные некоаксиальные типа К73-21;

Проходные коаксиальные типа КТП-44, К10-44, К73-18, К53-17;

Конденсаторные блоки;

Основной характеристикой помехоподавляющего конденсатора является зависимость его импеданса от частоты. Для ослабления помех в диапазоне частот примерно до 10МГц можно использовать двухполюсные конденсаторы с учетом малой длины их выводов. Опорные помехоподавляющие конденсаторы применяются до частот 30-50 МГц. Симметричные проходные конденсаторы используются в двухпроводной цепи до частот порядка 100 МГц. Проходные конденсаторы работают в широком диапазоне частот примерно до 1000 Мгц.

Индуктивные элементы . Применяются как самостоятельные элементы подавления помех и как последовательные звенья помехоподавляющих фильтров. Конструктивно наиболее распространены дроссели специальных видов:

Витковые на ферромагнитном сердечнике;

Безвитковые.

Основной характеристикой помехоподавляющего дросселя является зависимость его импеданса от частоты. При низких частотах рекомендуется применение магнитодиэлектрических сердечников марок ПП90 и ПП250, изготовленных на основе м-пермалоя. Для подавления помех в цепях аппаратуры с токами до 3А рекомендуется использовать ВЧ- дроссели типа ДМ, при больших номинальных значениях токов – дроссели серии Д200.

Фильтры. Керамические проходные фильтры типа Б7, Б14, Б23 предназначены для подавления помех в цепях постоянного, пульсирующего и переменного токов в диапазоне частот от 10 МГц до 10ГГц. Конструкции таких фильтров представлены на рисунке 8.17

Вносимые фильтрами Б7, Б14, Б23 затухания в диапазоне частот 10..100 МГц возрастает приблизительно от 20..30 до 50..60 дБ и в диапазоне частот свыше 100 МГц превышает 50 дБ.

Керамические проходные фильтры типа Б23Б построены на основе дисковых керамических конденсаторов и безвитковых ферромагнитных дросселей (рисунок 8.18).

Безвитковые дроссели представляют собой трубчатый ферромагнитный сердечник из феррита марки 50 ВЧ-2 , одетый на проходной вывод. Индуктивность дросселя составляет 0.08…0.13 мкГн. Корпус фильтра выполнен из керамического материала УФ-61, имеющего высокую механическую прочность. Корпус металлизирован слоем серебра для обеспечения малого переходного сопротивления между наружной обкладкой конденсатора и заземляющей резьбовой втулкой, с помощью которой осуществляется крепление фильтра. Конденсатор по наружному периметру припаян к корпусу фильтра., а по внутреннему – к проходному выводу. Герметизация фильтра обеспечивается заливкой торцов корпуса компаундом.

Для фильтров Б23Б:

номинальные емкости фильтров – от 0.01 до 6.8 мкФ,

номинальное напряжение 50 и 250В,

номинальный ток до 20А,

Габаритные размеры фильтра:

L=25мм, D= 12мм

Вносимое фильтрами Б23Б затухание в диапазоне частот от 10 кГц до 10 МГц возрастает приблизительно от 30..50 до 60..70 дБ и в диапазоне частот свыше 10 МГц превышает 70 дБ.

Для бортовых ЭС перспективным является применение специальных помехоподавляющих проводов с ферронаполнителями, имеющими высокую магнитную проницаемость и большие удельные потери. Так у проводов марки ППЭ вносимое затухание в диапазоне частот 1…1000 МГц возрастает с 6 до 128 дБ/м.

Известна конструкция многоштыревых разъемов, в которых на каждый контакт устанавливается по одному П-образному помехоподавляющему фильтру.

Габаритные размеры встроенного фильтра:

длина 9.5 мм,

диаметр 3.2 мм.

Вносимое фильтром затухание в 50-омной цепи составляет 20 дБ на частоте 10МГц и до 80 дБ на частоте 100МГц.

Фильтрация цепей питания цифровых РЭС.

Импульсные помехи в шинах питания, возникающие в процессе коммутации цифровых интегральных схем (ЦИС), а также проникающие внешним путем, могут приводить к появлению сбоев в работе устройств цифровой обработки информации.

Для снижения уровня помех в шинах питания применяются схемно-конструкторские методы:

Уменьшение индуктивности шин «питание», с учетом взаимной магнитной связи прямого и обратного проводников;

Сокращение длин участков шин «питания», которые являются общими для токов для различных ЦИС;

Замедление фронтов импульсных токов в шинах «питание» с помощью помехоподавляющих конденсаторов;

Рациональная топология цепей питания на печатной плате.

Увеличение размеров поперечного сечения проводников приводит к уменьшению собственной индуктивности шин, а также снижает их активное сопротивление. Последнее особенно важно в случае шины «земля», в которая является обратным проводником для сигнальных цепей. Поэтому в многослойных печатных платах желательно выполнить шины «питание» в виде проводящих плоскостей, расположенных в соседних слоях (рисунок 8.19).

Навесные шины питания, применяемые в печатных узлах на цифровых ИС, имеют большие поперечные размеры по сравнению с шинами, выполненными в виде печатных проводников, а следовательно, и меньшую индуктивность и сопротивление. Дополнительными преимуществами навесных шин питания являются:

Упрощенная трассировка сигнальных цепей;

Повышение жесткости ПП за счет создания дополнительных ребер, выполняющих роль ограничителей, которые предохраняют ИС с навесными ЭРЭ от механических повреждений при монтаже и настройке изделия (рисунок 8.20).

Высокой технологичностью отличаются шины «питания», изготовленные печатным способом и крепящиеся на ПП вертикально (рисунок 6.12в).

Известны конструкции навесных шин, установленных под корпус ИС, которые располагаются на плате рядами (рисунок 8.22).

Рассмотренные конструкции шин «питания» обеспечивают также большую погонную емкость, что приводит к уменьшению волнового сопротивления линии «питания» и, следовательно, снижению уровня импульсных помех.

Разводка питания ИС на ПП должно осуществляться не последовательно (рисунок 8.23а), а параллельно (рисунок 8.23б)

Необходимо использовать разводку питания в виде замкнутых контуров (рис.8.23в). Такая конструкция приближается по своим электрическим параметрам к сплошным плоскостям питания. Для защиты от влияния внешнего помехонесущего магнитного поля по периметру ПП следует предусмотреть внешний замкнутый контур.

Заземление

Система заземления – это электрическая цепь, обладающая свойством сохранять минимальный потенциал, являющийся уровнем отсчета в конкретном изделии. Система заземления в ЭС должна обеспечивать сигнальные и силовые цепи возврата, защитить людей и оборудование от неисправностей в цепях источников питания, снимать статические заряды.

К системам заземления предъявляют следующие основные требования:

1) минимизация общего импеданса шины «земля»;

2) отсутствие замкнутых контуров заземления, чувствительных к воздействию магнитных полей.

В ЭС требуется как минимум три раздельные цепи заземления:

Для сигнальных цепей с низким уровнем токов и напряжений;

Для силовых цепей с высоким уровнем потребляемой мощности (источники питания, выходные каскады ЭС и т.д.)

Для корпусных цепей (шасси, панелей, экранов и металлизации).

Электрические цепи в ЭС заземляются следующим способами: в одной точке и в нескольких точках, ближайших к опорной точке заземления (рисунок 8.24)

Соответственно системы заземления могут быть названы одноточечной и многоточечной.

Наибольший уровень помех возникает в одноточечной системе заземления с общей последовательно включенной шиной «земля» (рисунок 8.24 а).

Чем дальше удалена точка заземления, тем выше её потенциал. Её не следует применять для цепей с большим разбросом потребляемой мощности, так как мощные ФУ создают большие возвратные токи заземления, которые могут влиять на малосигнальные ФУ. При необходимости наиболее критичный ФУ следует подключить как можно ближе к точке опорного заземления.

Многоточечную систему заземления (рисунок 8.24 в) следует использовать для высокочастотных схем (f≥10Мгц), подключая ФУ РЭС в точках, ближайших к опорной точке заземления.

Для чувствительных схем применяется схема с плавающим заземлением (рисунок 8.25). Такая заземляющая система требует полной изоляции схемы от корпуса (высокого сопротивления и низкой емкости), в противном случае она оказывается малоэффективной. В качестве источников питания схем могут использоваться солнечные элементы или аккумуляторы, а сигналы должны поступать и покидать схему через трансформаторы или оптроны.

Пример реализации рассмотренных принципов заземления для девятидорожечного цифрового накопителя на магнитной ленте показан на рисунке 8.26.

Здесь имеются следующие шины земли: три сигнальные, одна силовая и одна корпусная. Наиболее восприимчивые к помехам аналоговые ФУ (девять усилителей считывания) заземлены с помощью двух разделенных шин «земля». Девять усилителей записи, работающих с большими, чем усилители считывания, уровнями сигналов, а также ИС управления и схемы интерфейса с изделиями передачи данных подключены к третьей сигнальной шине «земля». Три двигателя постоянного тока и их схемы управления, реле и соленоиды соединены с силовой шиной «земля». Наиболее восприимчивая схема управления двигателем ведущего вала подключена ближе других к опорной точке заземления. Корпусная шина «земля» служит для подключения корпуса и кожуха. Сигнальная, силовая и корпусная шины «земля» соединяются вместе в одной точке в источнике вторичного электропитания. Следует отметить целесообразность составления структурных монтажных схем при проектировании РЭС.

Изготовление и исследование свойств магнитных экранов

Целью работы является изучение методов экранирования с помощью ВТСП устройств, получение объемного и толстопленочного экранов, исследование их коэффициентов ослабления поля.

Общие сведения

Экранирование представляет собой защиту объема от воздействия внешнего электрического, магнитного или электромагнитного полей. Как правило, в этом объеме располагается устройство, нуждающееся в защите от данного поля. В зависимости от вида и ориентации экранируемого поля выбираются материал и конструкция экрана. Так, например, магнитное поле традиционно экранируют с помощью конструкций из ферромагнетиков, а электромагнитные поля – с помощью проводниковых конструкций. Конструкция может иметь форму сферы, стакана с дном, длинного цилиндра и т.д.

Применение сверхпроводниковых материалов позволило существенно улучшить массогабаритные показатели экранирующих конструкций, однако необходимость использования жидкого гелия ограничивает применение таких экранов.

Применение ВТСП электромагнитных экранов на частотах порядка звуковых представляется достаточно перспективным, поскольку использование обычных металлов, например меди или алюминия, требует большой толщины экрана (соответствующие толщины скин-слоя составляют несколько сантиметров). Пермаллоевые и другие экраны с высоким значением магнитной проницаемости характеризуются также большими габаритами и массой.

Для монокристаллических образцов ВТСП значения глубины проникновения составляют доли микрометра. Для поликристаллических образцов она существенно больше (10 мкм), однако использование ВТСП экранов, экранирующих корпусов интегральных схем и т.д. является перспективным в сравнении с другими методами. Физической основой работы экрана является эффект Мейсснера-Оксенфельда. Внешнее магнитное поле в сверхпроводнике убывает с глубиной:

B (x ) = B (0) exp(-x / λ L ), (4.9)

где x – расстояние от поверхности,

λ L – лондоновская глубина проникновения.

Для низкотемпературных сверхпроводников λ L =10 -7 м, поэтому слабые поля в объемный сверхпроводник практически не проникают. Для реальных ВТСП, как уже отмечалось, эта величина много больше. Если величина внешнего магнитного поля становится сравнимой со значением нижнего критического поля, сверхпроводник второго рода может перейти в промежуточное состояние. При этом образец разбивается на чередующиеся сверхпроводящие и нормальные области (состояние Шубникова) и в него проникает магнитное поле. Индукция поля, при котором образец переходит в состояние Шубникова, определяется его формой и критическими свойствами материала. Для экрана в виде цилиндра с плоским дном и отношением внутреннего диаметра к внешнему не более 0,7 это поле (перпендикулярные оси цилиндра) можно определить из выражения

B ││ = В С 1 [(1-d /D )/2] 1/2 , (4.10)

где В С 1 – индукция первого критического поля материала;

D , d – внешний и внутренний диаметры экрана.

Индукция аксиального поля, при котором материал экрана переходит в промежуточное состояние, приблизительно равна критической индукции поля.

Для ВТСП материалов картина усложняется вследствие того, что они представляют собой гранулированные конгломераты, где между СП гранулами есть джозефсоновские контакты. В этом случае экранирующие свойства связывают с величиной критического поля межгранульных связей, при котором начинается проникновение поля в ВТСП.

Обычно ВТСП магнитные экраны выполняются путем одностороннего, двухстороннего или гидростатического прессования ВТСП порошка и последующего обжига. Такой способ пригоден для изготовления небольших экранов. Однако для изготовления длинномерных цилиндров или экранов более сложной формы (сфера) такой способ не подходит. В этом случае пользуются дискретными экранами, состоящими из фрагментов-колец. В предыдущей работе были изготовлены такие кольца-фрагменты, которые можно собрать в длинномерный цилиндр. Такие фрагменты могут быть выполнены нанесением тонких или толстых пленок на керамическое основание.

Коэффициент экранирования (ослабления поля) К определяется как отношение величины внутреннего поля B i к внешнему – B e :

К = B i / B e . (4.11)

Измерение производят следующим образом. Экран с датчиком поля помещают внутри соленоида, задающего внешнее поле. В качестве датчика используют феррозондовый датчик или, как в нашем случае, датчик Холла. Соленоид на штанге опускают в сосуд Дьюара с жидким азотом. Вся система располагается внутри установленного вертикально двухслойного ферромагнитного экрана с коэффициентом ослабления магнитного поля Земли около 100.

Последовательно с обмоткой соленоида включен резистор. Падение напряжения на резисторе пропорционально величине внешнего магнитного поля соленоида, ЭДС Холла пропорциональна величине внутреннего поля. Из графика U x = f(I c ) можно оценить коэффициент ослабления поля для данного экрана.

Рис. 4.8. Толстопленочный фрагмент-кольцо магнитного экрана:
1 – керамика, 2 – пленка

Рис. 4.9. Температурный режим вжигания ВТСП пленки: Т 1 =120°С (30 мин) V 1 =30ºС/ч; Т 2 =910-915°С (10-20 мин); Т 3 =895°С, V 2 =6ºС/ч; Т 4 =860°С

Задания

1). Получите толстопленочные фрагменты-кольца.

1.1. На керамическое основание (рис. 4.8) нанесите пасту (порошок Bi-2212 и 10–15% органической связки).

1.2. В электрической печи проведите вжигание пасты (рис. 4.9).

Рис. 4.10. Магнитный экран: Ф – кольца-фрагменты экрана; Д – датчик Холла;
a – расстояние между кольцами-фрагментами; L – обмотка соленоида

2). Соберите магнитные экраны.

2.1. Соберите экран из объемных колец-фрагментов.

2.2. Соберите экран из пленочных колец-фрагментов.

3). Измерьте коэффициент экранирования объемного и пленочного экранов.

3.1. Соберите схему для измерения коэффициента экранирования (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Схема установки для измерения коэффициента экранирования: ИП – источники питания, Д – датчик Холла, С – двухкоординатный самописец; L – соленоид;
R – резистор

3.2. Получите графики B i = f(B e ).

3.3. Изменяя расстояние между кольцами, получите графики K =B i /B e = f(a ).

4). Оформите отчет, содержащий графики и их сравнительную оценку.

Контрольные вопросы

1. Как осуществляют экранирование?

2. Какие существуют экраны?

3. Какие устройства требуют экранирования?

4. Опишите и объясните эффект Мейсснера.

5. Охарактеризуйте состояние Шубникова.

6. Что такое вихри Абрикосова?

7. Поясните характер зависимости x =f(a ).

8. Как работает устройство измерения коэффициента ослабления?

Литература

1. Красов В.Г. и др. Толстопленочная технология в СВЧ микроэлектронике / Красов В.Г., Петрацскас Г.Б., Чернозубов Ю.С. – М.: Радио и связь, 1985.- 168 с.

2. Бондаренко С.И., Шеремет В.И. Применение сверхпроводимости в магнитных измерениях – Л.: Энергоатомиздат, 1982.-132 с.

Заключение

Мы рассмотрели в этой книге основные вопросы проектирования и технологии высокотемпературной криоэлектроники. Из-за ограниченности объема пособия и желания сэкономить время читателя рассматривались наиболее важные в теоретическом и практическом плане вопросы. Многие существенные моменты, недостаточно “продвинутые” в практическом плане, остались вне поля зрения.

Недавно исполнилось 90 лет со дня открытия сверхпроводимости и 40 лет с тех пор, как на базе сверхпроводниковых материалов и криогенной техники гелиевых температур зародились низкотемпературные сверхпроводниковые технологии, в числе которых была и криоэлектроника. Одним из первых её элементов был проволочный криотрон. За прошедшие годы низкотемпературная криоэлектроника получила существенное развитие: были изобретены цифровые устройства на базе криотронов (в начале пленочных, а затем джозефсоновских); приемники и преобразователи СВЧ сигналов, приборы на базе СКВИДов и т. д.

Более 15 лет прошло со дня открытия высокотемпературной сверхпроводимости – события, которое должно было стимулировать работы в области сверхпроводимости вообще и криоэлектроники в частности. Так и случилось: количество и объем исследований в этой области резко возросли в 1996 году и в настоящее время являются довольно значительными.

Однако, несмотря на явные успехи, высокотемпературная криоэлектроника все еще находится на стадии становления, чему имеются различные причины.

Сегодня сохранилось драматичное и напряженное состояние в области исследований ВТСП. По-прежнему велики ожидания в этом плане. Правительство и промышленные фирмы, вложившие и продолжающие вкладывать в исследования ВТСП крупные средства, внимательно следят за прикладными аспектами исследований, опасаясь пропустить момент рывка в наукоемкий (а значит перспективный, престижный и доходный) ВТСП рынок. Большие ожидания заставляют скрупулезно оценивать и сегодняшнее состояние исследований, и их рыночный потенциал.

К причинам, тормозящим развитие криоэлектроники, можно отнести также:

· слабую изученность криоэлектронных процессов в охлаждаемых структурах и пленках,

· недостаточность реальных конструкторско-технологических идей по созданию интегральных криоэлектронных приборов и особенно – надежных, воспроизводимых, многоэлементных, многослойных интегральных схем с субмикронными зазорами.

Практически отсутствуют методы снижения энергоемкости и массогабаритных показателей криостатов, увеличения срока их непрерывной работы.

Иными словами, необходимо найти решения, с помощью которых полученные результаты будут дешевыми, воспроизводимыми, доступными. Мы надеемся, что приобретенные вами знания и навыки помогут решить поставленные задачи.

Как сделать так, чтобы два магнита, находящиеся рядом друг с другом, не чувствовали присутствие друг друга? Какой материал нужно разместить между ними, чтобы силовые линии магнитного поля от одного магнита не достигали бы второго магнита?

Этот вопрос не такой тривиальный, как может показаться на первый взгляд. Нам нужно по настоящему изолировать два магнита. То есть, чтобы эти два магнита можно было по разному поворачивать и по разному перемещать их относительно друг друга и тем не менее, чтобы каждый из этих магнитов вёл себя так, как будто бы другого магнита рядом нет. Поэтому всякие фокусы с размещением рядом третьего магнита или ферромагнетика, для создания какой-то особой конфигурации магнитных полей с компенсацией всех магнитных полей в какой-то одной отдельно взятой точке, принципиально не проходят.

Диамагнетик???

Иногда ошибочно думают, что таким изолятором магнитного поля может служить диамагнетик . Но это не верно. Диамагнетик действительно ослабляет магнитное поле. Но он ослабляет магнитное поле только в толще самого диамагнетика, внутри диамагнетика. Из-за этого многие ошибочно думают, что если один или оба магнита замуровать в куске диамагнетика, то, якобы, их притяжение или их отталкивание ослабеет.

Но это не является решением проблемы. Во-первых, силовые линии одного магнита всё равно будут достигать другого магнита, то есть магнитное поле только уменьшается в толще диамагнетика, но не исчезает совсем. Во-вторых, если магниты замурованы в толще диамагнетика, то мы не можем их двигать и поворачивать относительно друг друга.

А если сделать из диамагнетика просто плоский экран, то этот экран будет пропускать сквозь себя магнитное поле. Причем, за этим экраном магнитное поле будет точно такое же, как если бы этого диамагнитного экрана не было бы вообще.

Это говорит о том, что даже замурованные в диамагнетик магниты не испытают на себе ослабления магнитного поля друг друга. В самом деле, ведь там, где находится замурованный магнит, прямо в объеме этого магнита диамагнетик попросту отсутствует. А раз там, где находится замурованный магнит, отсутствует диамагнетик, то значит, оба замурованных магнита на самом деле взаимодействуют друг с другом точно также, как если бы они не были замурованы в диамагнетике. Диамагнетик вокруг этих магнитов также бесполезен, как и плоский диамагнитный экран между магнитами.

Идеальный диамагнетик

Нам нужен такой материал, который бы, вообще, не пропускал через себя силовые линии магнитного поля. Нужно чтобы силовые линии магнитного поля выталкивались из такого материала. Если силовые линии магнитного поля проходят через материал, то, за экраном из такого материала, они полностью восстанавливают всю свою силу. Это следует из закона сохранения магнитного потока.

В диамагнетике ослабление внешнего магнитного поля происходит за счет наведенного внутреннего магнитного поля. Это наведенное магнитное поле создают круговые токи электронов внутри атомов. При включении внешнего магнитного поля, электроны в атомах должны начать двигаться вокруг силовых линий внешнего магнитного поля. Это наведенное круговое движение электронов в атомах и создает дополнительное магнитное поле, которое всегда направлено против внешнего магнитного поля. Поэтому суммарное магнитное поле в толще диамагнетика становится меньше, чем снаружи.

Но полной компенсации внешнего поля за счет наведенного внутреннего поля не происходит. Не хватает силы кругового тока в атомах диамагнетика, чтобы создать точно такое же магнитное поле, как внешнее магнитное поле. Поэтому в толще диамагнетика остаются силовые линии внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле, как бы, "пробивает" материал диамагнетика насквозь.

Единственный материал, который выталкивает из себя силовые линии магнитного поля, это сверхпроводник. В сверхпроводнике внешнее магнитное поле наводит такие круговые токи вокруг силовых линий внешнего поля, которые создают противоположно направленное магнитное поле в точности равное внешнему магнитному полю. В этом смысле сверхпроводник является идеальным диамагнетиком.

На поверхности сверхпроводника вектор напряженности магнитного поля всегда направлен вдоль этой поверхности по касательной к поверхности сверхпроводящего тела. На поверхности сверхпроводника вектор магнитного поля не имеет составляющую, направленную перпендикулярно поверхности сверхпроводника. Поэтому силовые линии магнитного поля всегда огибают сверхпроводящее тело любой формы.

Огибание сверхпроводника линиями магнитного поля

Но это совсем не означает, что если между двумя магнитами поставить сверхпроводящий экран, то он решит поставленную задачу. Дело в том, что силовые линии магнитного поля магнита пойдут к другому магниту в обход экрана из сверхпроводника. Поэтому от плоского сверхпроводящего экрана будет только ослабление влияния магнитов друг на друга.

Это ослабление взаимодействия двух магнитов будет зависеть от того, на сколько увеличилась длина силовой линии, которая соединяет два магнита друг с другом. Чем больше длины соединяющих силовых линий, тем меньше взаимодействие двух магнитов друг с другом.

Это точно такой же эффект, как если увеличивать расстояние между магнитами без всякого сверхпроводящего экрана. Если увеличивать расстояние между магнитами, то длины силовых линий магнитного поля тоже увеличиваются.

Значит, для увеличения длин силовых линий, которые соединяют два магнита в обход сверхпроводящего экрана, нужно увеличивать размеры этого плоского экрана и по длине и по ширине. Это приведет к увеличению длин обходящих силовых линий. И чем больше размеры плоского экрана по сравнению с рассстоянием между магнитами, тем взаимодействие между магнитами становится меньше.

Взаимодействие между магнитами полностью исчезает только тогда, когда оба размера плоского сверхпроводящего экрана становятся бесконечными. Это аналог той ситуации, когда магниты развели на бесконечно большое расстояние, и поэтому длина соединяющих их силовых линий магнитного поля стала бесконечной.

Теоретически, это, конечно, полностью решает поставленную задачу. Но на практике мы не можем сделать сверхпроводящий плоский экран бесконечных размеров. Хотелось бы иметь такое решение, которое можно осуществить на практике в лаборатории или на производстве. (Про бытовые условия речи уже не идет, так как в быту невозможно сделать сверхпроводник.)

Разделение пространства сверхпроводником

По другому, плоский экран бесконечно больших размеров можно интерпретировать как разделитель всего трехмерного пространства на две части, которые не соединены друг с другом. Но пространство на две части может разделить не только плоский экран бесконечных размеров. Любая замкнутая поверхность делит пространство тоже на две части, на объем внутри замкнутой поверхности и объем вне замкнутой поверхности. Например, любая сфера делит пространство на две части: шар внутри сферы и всё, что снаружи.

Поэтому сверхпроводящая сфера является идеальным изолятором магнитного поля. Если поместить магнит в такую сверхпроводящую сферу, то никогда никакими приборами не удается обнаружить, есть ли внутри этой сферы магнит или его там нет.

И, наоборот, если Вас поместить внутрь такой сферы, то на Вас не будут действовать внешние магнитные поля. Например, магнитное поле Земли невозможно будет обнаружить внутри такой сверхпроводящей сферы никакими приборами. Внутри такой сверхпроводящей сферы можно будет обнаружить только магнитное поле от тех магнитов, которые будут находиться тоже внутри этой сферы.

Таким образом, чтобы два магнита не взаимодействовали друг с другом надо один из этих магнитов поместить во внутрь сверхпроводящей сферы, а второй оставить снаружи. Тогда магнитное поле первого магнита будет полностью сконцентрировано внутри сферы и не выйдет за пределы этой сферы. Поэтому второй магнит не почувствует привутствие первого. Точно также магнитное поле второго магнита не сможет залезть во внутрь сверхпроводящей сферы. И поэтому первый магнит не почувствует близкое присутствие второго магнита.

Наконец, оба магнита мы можем как угодно поворачивать и перемещать друг относительно друга. Правда первый магнит ограничен в своих перемещениях радиусом сверхпроводящей сферы. Но это только так кажется. На самом деле взаимодействие двух магнитов зависит только лишь от их относительного расположения и их поворотов вокруг центра тяжести соответствующего магнита. Поэтому достаточно разместить центр тяжести первого магнита в центре сферы и туда же в центр сферы поместить начало координат. Все возможные варианты расположения магнитов будут определяться только всеми возможными вариантами расположения второго магнита относительно первого магнита и их углами поворотов вокруг их центров масс.

Разумеется вместо сферы можно взять любую другую форму поверхности, например, эллипсоид или поверхность в виде коробки и т.п. Лишь бы она делила пространство на две части. То есть в этой поверхности не должно быть дырочки, через которую может пролезть силовая линия, которая соединит внутренний и внешний магниты.

Защитные мероприятия от воздействия МП в основном включают экранирование и защиту «временем» . Экраны должны быть замкнутыми и изготавливаться из магнитомягких материалов. В ряде случаев достаточно выведения работающего из зоны воздействия МП, так как с удалением источника ПМП и ПеМП их значения быстро убывают.

Как средства индивидуальной защиты от действия магнитных полей можно использовать различные дистанционные средства управления, деревянные клещи и другие манипуляторы дистанционного принципа действия. В ряде случаев могут применяться различные блокирующие устройства, предотвращающие нахождение персонала в магнитных полях с индукцией выше рекомендованных величин.

Основная мера защиты – предупредительная:

Необходимо исключить продолжительное пребывание (регулярно по несколько часов в день) в местах повышенного уровня магнитного поля промышленной частоты;

Кровать для ночного отдыха максимально удалять от источников продолжительного облучения, расстояние до распределительных шкафов, силовых электрокабелей должно быть 2,5 – 3 метра;

Если в помещении или в смежном есть какие-то неизвестные кабели, распределительные шкафы, трансформаторные подстанции – удаление должно быть максимально возможным, оптимально – промерить уровень электромагнитных излучений до того, как жить в таком помещении;

При установке полов с электроподогревом выбирать системы с пониженным уровнем магнитного поля.

Структура мер защиты от действия магнитных полей

Наименование мер защиты	Коллективная защита	Индивидуальная защита
Организацион- ные меры защиты	Лечебно-профилактические мероприятия
	Применение средств наглядного предупреждения о наличии МП	Проведение медицинского освидетельствования при приеме на работу
	Вывешивание плакатов, памяток с перечнем основных мер предосторожности	Периодические медицинские обследования и врачебные наблюдения за персоналом
	Проведение лекций по безопасности труда при работе с источниками МП и профилактике переоблучений от их воздействия	Объективная информация об уровне интенсивностей на рабочем месте и четкое представление об их возможном влиянии на состояние здоровья работающих
	Снижение уровня воздействия сопутствующих производственных факторов	Проведение инструктажа по правилам техники безопасности при работе в условиях воздействия МП
	Мероприятия по защите «временем»
	Разработка оптимального режима труда и отдыха коллектива с организацией рабочего времени с минимально возможным контактом по времени с МП	Нахождение в контакте с МП только по производственной необходимости с четкой регламентацией по времени и пространству совершаемых действий
	Мероприятия по защите за счет рационального размещения объектов
	Размещение магнитных материалов и магнитных устройств на достаточном расстоянии (1,5-2 м) друг от друга и от рабочих мест
	Предупреждение создания дополнительных источников МП («магнитомягкие» материалы) за счет выведения их из зоны действия МП мощных установок
Инженерно-технические меры защиты	Хранение и транспортировка магнитных изделий в «ярмах», приспособлениях или устройствах, полностью или частично замыкающих МП	Использование инструментов, манипуляторов индивидуального пользования с дистанционным принципом действия
Инженерно-технические меры защиты	Применение замкнутых экранов из магнитомягких материалов	Применение блокирующих устройств, позволяющих отключать аппаратуру, генерирующую МП, в случае попадания различных участков тела в зону индукции сильных МП

Список используемой литературы:

Довбыш В. Н., Маслов М. Ю., Сподобаев Ю. М. Электромагнитная безопасность элементов энергетических систем.2009 г.

Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008 г.

Сайт http://ru.wikipedia.org

СанПиН 2.1.8/2.2.4.2490-09. Электромагнитные поля в производственных условиях Введ. 2009–05–15. М. : Изд-во стандартов, 2009 г.

СанПиН 2.2.2.542–96 "Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы"

Аполлонский, С. М. Электромагнитная безопасность технических средств и человека. М-во образования и науки Рос. Федерации, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования "Сев.-Зап. гос. заоч. техн. ун-т". Санкт-Петербург: Изд-во СЗТУ, 2011