В настоящем параграфе рассмотрим несколько примеров исполь­зования эффекта сверхпроводимости в целях построения высокоэф­фективных датчиков преобразователей типа аналог — код и угол — код протонно-прецессионного типа.

Явление сверхпроводимости, известное более полувека, сопро­вождается, в частности, исчезновением у некоторых металлов и спла­вов при температуре, близкой к абсолютному нулю, сопротивления электрическому току. В настоящее время разработан ряд высоко­качественных сверхпроводящих сплавов, способных обеспечить со­здание в объеме протонно-прецессионных датчиков полей на уровне 4-Ю6 а/м и выше.

Однако рассмотрим прежде всего известный и весьма полезный для наших задач эффект полного экранирования внешнего магнит­ного поля, достигаемый с. помощью тонкого сверхпроводящего ци­линдра. Пусть внутри его помещен датчик протонно-прецессионного типа с охлажденным рабочим веществом. Подобная конструкция становится прецизионным. измерителем составляющей внешнего маг­нитного поля по оси сверхпроводящего цилиндра (квантовым анало­гом феррозондового измерителя напряженности магнитного поля) с весьма важной особенностью — возможностью измерять мгновенное значение составляющей внешнего поля, которое «замораживается» в требуемый момент времени в сверхпроводящем цилиндре.

Как известно, любой магнитометр (оптико-механический, ферро - зондовый, .протонный) требует более или менее значительного вре­мени для измерения и тем большего, чем выше требуемая точность. Так, например, при измерении поля Земли методом свободной ядер­ной прецессии обычно - время измерения частоты при точности поряд­ка 10“5 близко к одной секунде. В течение этого времени поле усред­няется. Сокращение времени измерения на порядок, например, до 0,1 сек приводит в лучшем случае к увеличению погрешности в 10 раз. Оптико-механические приборы с кварцевой подвеской магнитов тре­буют для измерения десятки секунд и даже минуты. Феррозондовы-э магнитометры для уменьшения. погрешностей требуют введения инте­грирующих цепей с постоянными времени порядка нескольких секунд.

Таким образом, в настоящее. время нет достаточно точных устройств для измерения мгновенных значений напряженности маг­нитного поля, т, е. измеряющих поле за время на два, три порядка меньшее, чем у существующих приборов. Очевидно, что их трудно создать, так как для борьбы с шумом датчика и регистрирующей аппаратуры принципиально необходимо увеличение времени кон­троля.

Как известно, при вращении полого, проводящего цилиндра во­круг геометрической оси за счет образования вихревых токов проис­ходит экранирование поперечной по отношению к оси цилиндра составляющей напряженности магнитного поля, причем экранирова­ние тем сильнее, чем меньше электрическое сопротивление цилиндра и больше число оборотов [Л. 10]. При этом продольная составляющая остается без изменения. При понижении температуры экранирующий эффект усиливается, так как при этом. падает сопротивление. В мо­мент достижения сверхпроводимости поперечная составляющая поля внутри цилиндра становится очень малой и практически с большой точностью можно принять, что внутри цилиндра остается неискажен­ная продольная составляющая. Это легко показать следующим образом.

Если остаточная поперечная составляющая ДЯП мала по срав­нению с продольной Ни, то величину суммарной составляющей мож­но представить следующим образом:

Если Нп/Нп = 0,001, то Ну = //,, (1 + 5-Ю”7). Такое соотно­шение обеспечивается при использовании сверхпроводящего цилиндра и вполне удовлетворяет предъявляэмым требованиям при прецизи­онных измерениях.

После перехода в сверхпроводящее состояние вращение можно прекратить, при этом внутри цилиндра сохранится продольная со­ставляющая, которая была в момент сверхпроводящего перехода, «Замороженное» поле сохраняет свою величину неограниченно долго, т. е. до тех пор, пока обеспечивается низкая температура, поддержи­вающая сверхпроводимость. При этом напряженность «заморожен­ного» поля не зависит от ориентировки сверхпроводящего цилиндра. Измерение «замороженного» поля производится длительное времяи за счет этого достигается большая точность. Время перехода в сверхпроводящее состояние весьма мало и может быть сокращено, например, до 0,001 сек и н. иже (Л. 8, 55].

На рис. 3-3 показана блок-схема устройства для измерения мгно­венного значения составляющей магнитного поля вдоль оси сверх­проводящего цилиндра, а следовательно, и мгновенных значений электрических сигналов.

Здесь обозначены следующие элементы устройства: 1 — дьюар с жидким гелием или водородом; 2—полый металлический цилиндр,

Рис. 3-3. Блок-схема измери­теля мгновенных значений со­ставляющих поля и электри­ческих сигналов.

вращающийся вокруг своей оси и переводимый в сверхпроводящее состояние; 3—датчик свободной ядерной прецессии; 4 — высокоча­стотная катушка для создания по­ля, переводящего цилиндр из сверхпроводящего состояния в обычное за счет поверхностного эффекта; 5—коммутатор и устрой­ство для генерирования импульс­ного - поля, в том числе импульса нутации (импульса для поворота вектора ядерной намагниченности

примерно на 90° к оси цилиндра,

4jleУу что необходимо для возбуждения

сигнала прецессии); 6 — усилитель сигнала прецессии; 7 — частото­мер; 8 — генератор высокой ча­стоты; 9 — немагнитный блок при­вода цилиндра, например, емкост­ного типа; 10 — устройство управ­ления приводом.

Рассматриваемый способ измерения составляющих характери­зуется следующей последовательностью операций:

1) в зоне контролируемого поля, например в одной из конст­рукций датчика угла, помещается сверхпроводящий цилиндр в дьюа - ре;

2) включается генератор 8 высокой частоты, с помощью которо­го на короткое время цилиндр переводится в обычное, несверхпро - зодящее состояние;

3) генератор 8 выключается; на привод 9 от устройства управ­ления 10 подается сигнал, и в цилиндре 2 устанавливается магнитное поле, равное по величине составляющей магнитного поля в момент перехода в сверхпроводящее состояние, направленной вдоль оси цилиндра;

4) в обмотку 3 датчика от блока 5 подается импульс нутации [7], поворачивающий для создания условия возникновения прецессии век­торы намагничивания элементарных объемов рабочего вещества на 90° по отношению к оси цилиндра;

5) сигнал свободной прецессии, возникающий после снятия им­пульса нутации на клеммах обмотки 3, усиливается блоком 6 и подается на частотомер 7;

6) от блока 10 на блок привода 9 выдается сигнал торможения цилиндра и система приходит в исходное состояние.

На рис. 3-4 показан эскиз конструкции протонно-прецессионного датчика с использовнием эффекта сверх-п. роводимости для увеличе­ния амплитуды сигнала сво­бодной прецессии.

Здесь изображены сле­дующие элементы конструк­ции датчика [Л. 36]:

1 — дьюар с жидким неполяризующимся газом (например, жидким гелием Не4); 2 — теплоизоляция в дьюаре 3 4 — обмотка, со­здающая поле повышенной частоты с интенсивностью, достаточной для разрушения сверхпроводимости шунта Яш 5 за счет поверхностно­го эффекта; 6 — обмотка, создающая поле повышен­ной частоты, для разруше­ния сверхпроводимости по­ляризующей обмотки 8 во время съема сигнала пре­цессии; 7 — дьюар с поля­ризующимся сжиженным га­зом, например, жидким Не3 (этот дьюар отсутствует, если датчик выполнен на жидком водороде); 9 — уси­литель сигнала прецессии, снимаемого с зажимов ра­бочей несверхпроводящей обмотки из меди 21; 10 — крышка сосуда с отверсти­ем для заливки жидкого газа; 11 — исполнительные контакты коммутатора; 12— контакт реле включения системы контроля частоты;

13—контакт реле включения источника поляризации или системы рекуперации (для воз­врата энергии сверхпроводящего контура в источник); 14 — кон­такт реле включения обмотки 4; 15 — контакт реле включения обмот­ки 6; 16 — система контроля частоты; 17 — устройство для рекупера­ции энергии магнитного поля поляризующей системы (в виде выпря­мителя, включенного на зажимы батареи конденсаторов); 18—гене­ратор высокой частоты; 19 — генератор импульсов нутации; 20— кон­такт реле включения поворачивающих импульсов, импульсов нутации.

Оси всех трех катушек (6, 8, 21) датчика ортогональны.

В исходном положении контакты коммутатора разомкнуты. Об­мотки реле (на схеме они не показаны) обесточены.

Рис. 3-4. Эскиз конструкции датчика протонно-прецессионного преобразо­вателя с использованием сверхпрово­дящего соленоида.

На первом этапе работы системы осуществляется поляризация жидкого гелия Не3. Для этого с помощью контактов 14 высокоча­
стотный генератор 18 подключается к обмотке 4. Создается высо­кочастотное поле, разрушающее сверхпроводящее состояние шунта 5. Затем с помощью контактов 13 источник поляризующего тока вклю­чается на зажимы а, б обмотки катушки поляризации 8. Контакты Н размыкаются. Шунт Rш входит, в сверхпроводящее состояние; размыкается цепь источника поляризующего тока. Поляризация про­должается за счет поддержания тока в сверхпроводящем контуре. Длительность поляризации определяется по времени продольной ре­лаксации Т1 сжиженного гелия Не3.

На втором этапе включается шунт Rш (его сопротивление вновь возрастает в течение нескольких сотых долей секунды). На зажимах обмотки поляризации возникает э. д. с. самоиндукции. С помощью контакта 13 для увеличения к. п. д. включается накопительный кон­денсатор и выпрямитель, подсоединенный к зажимам обмотки поля­ризации. Энергия, запасенная в зоне датчика и передаваемая затем на конденсаторную батарею, при поле в несколько сотен тысяч ам. п©р на метр может составлять сотни джоулей и может обеспечить замет­ное уменьшение потребляемой датчиком мощности.

На третьем этапе включается контакт 15 и с помощью поля, создаваемого катушкой 6, обмотка поляризации выводится из сверх­проводящего состояния. В обмотку 6 подается поворачивающий импульс от генератоіра 19, в результате чего вектор намагниченно­сти поворачивается на 90° по отношению к измеряемому полю. За­тем замыкается контакт 12 и возникающий после исчезновения по­ворачивающего импульса сигнал свободной ядерной прецессии по­ступает на вход системы автоматического контроля частоты 16.

На четвертом этапе сигнал в виде кода текущего значения на­пряженности поступает на вход запоминающего устройства цифро­вой вычислительной машины, которая осуществляет вторичную об­работку результатов измерения и вырабатывает численные харак­теристики изменения поля во времени и пространстве.

Используемый в схеме охлажденный промежуточный усили­тель 9 предназначен для усиления сигнала свободной ядерной пре­цессии, возникающего в несвбрхпрсводящей медной приемной ка-^ тушке, включенной на. входе усилителя. После окончания контроля поля и обработки сигналов прецессии коммутация цепей повторяется.

В варианте описываемого устройства вместо системы рекупера­ции. может быть включено обычное активное сопротивление для по­глощения энергии, выделяющейся в цепи обмогки поляризации при выключении поля. Этот вариант проще в реализации, но менее эко­номичен.

Недостатком рассмотренного измерителя я. вляется достаточно сложная схема коммутации и необходимость периодического воз­буждения датчика. Однако он обладает рядом преимуществ по сравнению с известными прецизионными измерителями напряженно­сти магнитного поля, так как при его использовании достигаются: возможность уменьшения объема датчика, возможность работы в неоднородных полях, небольшой расход жидких газов, резкое уменьшение времени поляризации и увеличение быстродействия без потери точности контроля. Предельное быстродействие будет опре­деляться единицами периодов сигнала прецессии.

Использование высокоэффективных датчиков позволяет полу­чать сигнал свободной прецессии в чрезвычайно слабых магнитных полях, уровень которых значительно меньше магнитного поля Земли

Подобный измеритель слабых магнитных, полей может оказаться также полезным при использовании его по прямому назначению — для прецизионных измерений магнитного поля Земли в стационар­ных условиях на магнитовариационных станциях, выполняющих многочисленные функции при 'измерении компонент магнитного поля Земли и космического пространства.

На рис. 3-5 показан пример конструкции криогенного частотного преобразователя низкочастотного диапазона.

20^

Рис. 3-5. Конструкция датчика криогенного типа.

Этот преобразователь мо­жет быть попользован в каче­стве частотного датчика и об-

ратного частотного преобразо­вателя в автоматических систе­мах обработки информации с дистанционным управлением [Л. 37].

Принцип действия преоб­разователя основан на изло­женном выше способе построе­ния прямых и обратных ча­стотных преобразователей, за­ключающемся в предваритель­ном преобразовании входных управляющих' сигналов в на­пряженность магнитного поля в некотором объеме, содержа­щем парамагнитное вещество.

В отличие от известных прецизионных частотных

устройств криогенный преобра­зователь характеризуется по­вышенной стабильностью. Она гарантируется стабильностью параметров и, в частности, гео­метрических размеров колец

Гельмгольца или соленоидов, создающих управляющую напряжен­ность, поскольку все элементы работают в области стабильных крио­генных температур :[Л. 54]; устройство характеризуется также доста­точной линейностью, которая определяется постоянством гиромаг­нитного отношения парамагнитного вещества в широком диапазоне полей.

Частотный преобразователь может быть использован в двух режимах — в режиме генерирования квазинепрерывных — медленно, затухающих гармонических колебаний и в генераторном режиме. Каждый из них отличается малым влиянием изменения параметров окружающей среды на стабильность частоты, так как частота опре­деляется главным образом стабильностью гиромагнитного отноше­ния, являющегося ядерной константой, а также исключительной «чистотой» сигнала, так как шумы, генерируемые на его выходе, как следует из § 3-1, весьма малы.

Эти устройства просты в реализации, так как их основные узлы отработаны промышленностью в приборах, используемых в магни­тометрии для прецизионных измерений магнитного поля; однако их практическое использование может оказаться эффективным при до­статочно широком развитии элементов криогенной техники.

Это направление упорно. пробивает дорогу в жизнь. В част­ности, имеются сведения о проектировании для целей использова­ния на космических аппаратах сверхпроводящих конструкции для биологической защиты членов экипажа в радиационных поясах Зем­ли [Л. 54]. В подобных системах использование элементов криоген­ной техники будет логически обоснованным.

На рис. 3-5 .изображены следующие элементы конструкции пре­образователя: 1 — привод кодового диска 3 со считывающим устрой­ством 2 4 — блок генератора поворачивающих импульсов и уси­лителя сигнала прецессии; 5 — ось, на которой укреплены дьюар 19, кольца Гельмгольца 16 (со сверхпроводящей обмоткой), малый дьюар 17 с поляризующимся сжиженным газом 18 6, 9, 20 — эле­менты корпуса датчика; 7, 19 — внешние кольца Гельмгольца со сверхпроводящей обмоткой; 10 — обмотка соленоида, используемого для поворота вектора ядерной намагниченности поляризующегося га­за в дьюаре 17 на 90°; 11, 12 — элементы промежуточных дьюаров; 14 — система контроля частоты; 15 — цифровое сравнивающее устройство.

Частотный преобразователь состоит из трех основных частей:

■подвижного магнитного контура 16 и дьюара 13 с жидким ге­лием Не4;

неподвижного магнитного контура 7 в дьюзре 8 с жидким Не4;

объема с поляризующимся сжиженным газом в центре колец Гельмгольца.

На рис. 3-5 для упрощения не показана система для возбуж­дения сверхпроводящих контуров, которая может выполняться, на­пример, со сверхпроводящим шунтом.

После подачи на вход датчика кода, определяющего значение генерируемой частоты, он поступает на цифровое сравнивающее устройство 15, которое вырабатывает сигнал на разворот с помощью привода 1 кодового диска 3 и жестко связанного с ним вала 5 с подвижным магнитным контуром 16 в виде колец Гельмгольца.

Магнитное поле этих колец геометрически складывается с маг­нитным полем неподвижных колец 7, и в области, занятой сжи­женным газом (сосуд 17), создается результирующее поле.

Возбуждение срободной ядерной прецессии осуществляется пу­тем подачи поворачивающего импульса в обмотку 10, подключен­ную к генератору 4, после чего сигнал, возникающий на приемной обмотке датчика, усиливается на входе блока 14 и после контроля частоты поступает в виде уточненного кода частоты на вход циф­рового сравнивающего устройства.

После выполнения условия

где Лх — код текущего значения частоты, определяемый системой контроля блока 14; ^4хиом — значение кода на входе датчика; ААХ — чувствительность сравнивающего устройства, привод выклю­чателя и частотный датчик подключается на нагрузку.

Длительность генерируемого сигнала определяется постоянной. времени поперечной релаксации сжиженного газа. ОстальнЫё элеМбнты конструк­ции (теплоизоляция, магнитный экран от внешних іпомєх) имеют вспомогательное' значение.

Рис. 3-6 Внешний вид датчика криогенного типа.

Внешний вид макета устрой­ства с усилителем показан «а рис. 3-6. Расчетное отношение сигнал/шум на выходе подобного частотного преобразователя, как и в предыдущих конструкциях, зна­чительно превышает отношение сигнал/шум обычных устройств протонно-прецессионного типа, используемых в магнитометрии.

Диапазон генерируемых этим устройствам частот определяется максимальным и минимальным по­лем, создаваемым с /помощью «ко­лец Гельмгольца в объеме с по­ляризующимся сжиженным газом.

Рассмотренные здесь принци­пы построения криогенных преоб­разователей не являются единст­венными. Можно ожидать, что определенное значение имеет в этом смысле ряд новых эффектов, от­крытых в последнее время, и їв ча­стности эффект Джозефсона. Наи­большие результаты, естественно, будут получены после разработки и промышленного освоения высокотемпературных сверхпроводящих сплавов.