МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ, ОСНОВАННЫХ НА РАЗЛИЧНЫХ ПАРАМЕТРАХ

METHODS OF CONTROL OF MAGNETIC SYSTEMS BASED ON VARIOUS PARAMETERS

Alexander Shvachko

Candidate of Technical Sciences, Saratov State Technical University named after Gagarin Yu.A., Russia, Saratov

Matyushkin Vladislav Vladimirovich

Postgraduate student, Saratov State Technical University named after Gagarin. Yu.A., Russia, Saratov

Zulfikar Jihad

Postgraduate student, Saratov State Technical University named after Gagarin. Yu.A., Russia, Saratov

Аннотация. В данной статье были рассмотрены установки для оценки и настройки магнитных систем. Так же рассмотрены возможные методы настройки или анализа магнитной фокусирующей системы и магнитооптических материалов. Приведен метод контроля магнитных систем, основанный на эффекте Фарадея, эффекте Керра.

Abstract. In this article, installations for evaluating and configuring magnetic systems were considered. Possible methods of adjustment or analysis of the magnetic focusing system and magneto-optical materials are also considered. A method for controlling magnetic systems based on the Faraday effect, the Kerr effect, is given.

Ключевые слова: юстировка магнитных систем; эффект Фарадея; эффект Керра; установка для оценки и настройки магнитных систем.

Keywords: alignment of magnetic systems; Faraday effect; Kerr effect; installation for evaluation and adjustment of magnetic systems.

При создании магнитных фокусирующих систем, например, для ламп бегущей волны возникают известные проблемы, связанные с необходимостью юстировки электронного потока, движущегося в заданном направлении вдоль оси прибора, то есть совмещение его оси с магнитной осью фокусирующей системы, которая, в свою очередь, определяется точностью монтажа отдельных магнитов, набранных на механической оправке, формирующей механическую ось системы.

Анализ имеющихся проблем и значимости юстировки показывает необходимость создания автоматизированных комплексов моделирования юстировки электронного потока в системе формирования магнитного поля в фокусирующих системах.

Поиск центра магнитной системы (см. рис.1а) можно продемонстрировать на примере специального соленоида, разработанного для снятия характеристик магнетрона. Поперечное сечение зазора магнитной системы представляет собой полюсные наконечники (S, N), разрывающий магнитопровод, охватывающий внутреннюю и внешнюю часть соленоида. При максимальных токах соленоида 2,5 А установка позволяет получить до 1 Тл магнитного поля в зазоре.

Важность поиска центра магнитной системы можно продемонстрировать на примере специального соленоида, разработанного для снятия характеристик магнетрона.

Измерения проводились с помощью зонда с датчиком Холла, рабочая плоскость которого размещена вдоль оси зонда и обеспечивает фиксацию поперечного магнитного поля при вращении датчика в азимутальном направлении. 

Схема магнитной фокусирующей системы и графики возможного несовпадения механической, магнитной осей и электронного потока приведены на рис 1б.

Приведенная на рисунке 1б характеристика (несимметричность) показывает, что положение зонда с датчиком Холла не совпадает с магнитной осью системы.

Рисунок 1. А - Схема МПФС и электронного потока (ЭП): 1 – поверхность магнитов; 2 – полюсные наконечники; 3 – поверхность колбы лампы; 4 – ось электронного потока; Б - Схема осей для юстировки в МПФС: 1- оси магнитов; 2-  колба ламы; 3 – электронный поток; 4 - крепление; 5 - оправка прибора

Метод настройки, основанный на эффекте Фарадея

В качестве первого из возможных методов настройки или анализа магнитной фокусирующей системы можно взять метод настройки, основанный на эффекте Фарадея. Эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации светового луча по мере воздействия на него (проходя через специальную магнитооптическую среду) магнитного поля[1-5].

Простейшая установка для оценки и настройки магнитных систем должна как минимум состоять из следующих элементов: источник лазерного излучения, поляризатор, магнитооптическое вещество, анализатор. Схема такой установки приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема установки для анализа магнитных систем на основе эффекта Фарадея: лазер, П1 – поляризатор, А – анализатор, экран, магнитная система – исследуемая магнитная система, образец – магнитооптическое вещество

Источник лазерного излучения подбирается под активное магнитооптическое вещество, так как значение постоянной Верде в веществе зависит от длинны волны излучения. Наиболее распространенными для подобных целей являются лазеры на СO₂ или He-Ne лазеры.

Поляризатор, устанавливающийся сразу после источника излучения, воздействует на плоскость поляризации излучения, получившийся угол является 0⁰ для системы, то есть точкой отсчета.

Активное вещество помещается в магнитную систему согласно ее геометрической и магнитной оси. Конструктивно активное вещество должно быть выполнено в виде стержня или световода, для того чтобы улавливать знакопеременное магнитное поле.

После прохождения через магнитную систему световой луч попадает на анализатор. Простейший анализатор представляет собой поляризатор с возможностью регулировки угла своего положения. В конце системы находится экран. Регулируя угол анализатора, необходимо найти такое его положение, при котором на экране появится световое пятно. Значение угла анализатора в таком случае и будет значением угла Фарадея.

Откалибровав заранее с помощью электрического соленоида данную систему, можно установить соответствие между значениями угла Фарадея и конкретными значениями индукции магнитного поля.

Более сложная установка может вместо анализатора содержать второй поляризатор, заранее установленный в определенном положении относительно первого поляризатора. Вместо экрана в таком случае устанавливается фотоприемник, регистрирующий силу оптического излучения. Схема такой установки приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема установки для анализа магнитных систем на основе эффекта Фарадея: лазер, П1, П2 – поляризаторы, магнитная система – исследуемая магнитная система, образец – магнитооптическое вещество,
ФП - фотоприемник

Установка в итоге работает в двух режимах без магнитной системы и с магнитной системой. Интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, по закону Малюса зависит от α – угла между осями пропускания поляризаторов друг относительно друга:

,                                                              (1)

где I₀ - интенсивность света, прошедшего через второй поляризатор. Данная формула справедлива при отсутствии магнитного поля (магнитной системы). При воздействии внешнего магнитного поля происходит сдвиг поляризации излучения Da и формула приобретает вид:

                                                        (2)

В итоге работа установки сводится к измерению интенсивности излучения в двух случаях: при работе без магнитной системы и с установленной магнитной системой.

Данную установку можно использовать не только для исследования магнитных систем, но и для исследования магнитооптических материалов. Для этого образец помещается в магнитное поле, генерируемое соленоидом. Также для этого необходимо предусмотреть вращение плоскости поляризаторов друг относительно друга. В такое ситуации снятые показания можно обработать, аппроксимировав функциями  для случая без магнитного поля и  для случая с включенным магнитным полем. Если обе полученных таким образом кривых отобразить на одной координатной плоскости, то расстояние между кривыми по оси абсцисс (ось углов) и будет искомым углом Da (углом Фарадея).

Метод настройки магнитных систем, основанный на эффекте Керра

Также исследовательский интерес представляет магнитооптический эффект Керра. Установки, основанные на таком эффекте, обладают одним минусом: ограничение типов исследуемых магнитных полей. Так можно исследовать магнитные системы с однонаправленным магнитным полем или реверсивные фокусирующие системы с малым количеством реверсов[6-9].

Установка должна содержать в качестве минимума следующий набор элементов: лазер, поляризатор, магнитную систему, магнитооптический материал, анализатор и фотодетектор. Простейшая схема такой установки приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема установки для анализа магнитных систем на основе эффекта Керра: лазер, П – поляризатор, А – анализатор, МС – исследуемая магнитная система, образец – магнитооптическое вещество, фотоприемник

Сложностями при реализации данной установки является наличие трех различных по типу и природе разновидностях эффекта Керра: полярного, меридианного и экваториального.

Математически эффект Керра для экспериментальных случаев можно описать следующим образом:

                                                                  (3)

Где DI = I₀ – I, I₀ – интенсивность света, отраженная от не намагниченного образца, I – интенсивность света намагниченного образца. Интенсивность света прошедшего через поляризатор описывается приведенным ранее законом Малюса.

                                                          (4)

Согласно выражению (4), интенсивность света в случае, когда плоскости поляризатора и анализатора будут параллельны, т.е. DI = 0. Максимальная интенсивность света будет наблюдаться при g = 45⁰.

В итоге угол поворота плоскости поляризации будет определяться:

                                                               (5)

Выводы

В данной статье были рассмотрены проблемы юстировки магнитных систем для вакуумных усилительных приборов.

Также приведен ряд предлагаемых методов контроля магнитных систем, основанных на различных параметрах. Первой приведен метод контроля, основанный на эффекте Фарадея. В данном методе используется свойство светового луча реагировать на воздействие магнитным полем при прохождении в специальных магнитооптических средах. Приведены 2 схемы предполагаемых установок на эффекте Фарадея, отличающихся способом регистрации отклонения плоскости поляризации. В первом в качестве такого устройства предлагается обычный экран, а метод регистрации основан на визуальном наблюдении. Вторая версия подразумевает осуществлять контроль более точным образом, посредством фотодетектора.

В качестве второго метода была предложена установка на эффекте Керра. Особенность данного физического эффекта подразумевает ограничение контролируемых магнитных систем. В виду отражающего характера эффекта с помощью его можно контролировать только не протяженные магнитные системы.