Разработка прецизионных магнитометров на основе ЯМР для накопителей заряженных частиц Карпов Геннадий Викторович

Введение к работе

Актуальность темы

В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) в

течение многих лет ведутся исследования в области физики высоких энергий со встречными электрон-позитронными пучками. Ряд экспериментов, проводимых в накопителях заряженных частиц, требует прецизионных измерений индукции магнитного поля в поворотных магнитах кольца. Эти измерения традиционно обеспечиваются магнитометрами на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР магнитометрами). В ИЯФ СО РАН в разные годы разрабатывались и успешно эксплуатировались магнитометры на основе различных методов ЯМР, таких как "автодинный" метод и метод с проточной жидкостью. С конца 80-х годов появился ряд новых задач по прецизионным измерениям постоянных магнитных полей:

1. измерения магнитных полей при температуре жидкого гелия;

2. измерения поля в труднодоступных местах;

3. измерения поля в ограниченных пространствах малых размеров (в частности, в узких зазорах размером до 1 мм);

4. измерения неоднородных полей - с относительным градиентом до 5х1(Г³/см.

Разработанные ранее в ИЯФ, а также существующие на рынке ЯМР магнитометры эти задачи решить были не в состоянии. В связи с этим, актуальной стала разработка новых ЯМР магнитометров, обладающих широким диапазоном возможностей, способных решать перечисленные выше задачи.

Достижение высокой точности измерений магнитных полей ЯМР

магнитометром требует тщательного анализа основных погрешностей

измерения, а на этой основе - минимизации этих погрешностей путем

оптимизации параметров датчиков, параметров отдельных узлов

магнитометра, способов обработки сигнала, алгоритма работы магнитометра.

В то же время, вопросы, связанные с точностью измерений ЯМР

магнитометрами, в литературе освещены недостаточно. Таким образом,

исследование основных погрешностей измерения и выработка мер по

достижению максимально возможной точности измерений магнитных полей

является также актуальной задачей. і

I РОС її

,НАЦИОНАЛЬНА»I

Цель диссертационной работы

5. выработка и систематизация требований, предъявляемых к ЯМР магнитометрам, применяемым в накопителях заряженных частиц;

6. разработка и обоснование общих принципов построения семейства ЯМР магнитометров, оптимизация построения отдельных функциональных узлов;

7. установление связи между основными погрешностями измерения поля и параметрами датчика и электроники ЯМР магнитометров, выработка мер по достижению максимально возможной точности измерений.

Научная новизна диссертационной работы

1. Разработаны прецизионные магнитометры на основе импульсных методов ЯМР, использующие для измерений как сигнал свободной индукции (ССИ), так и сигнал спинового эха.

2. Разработан ЯМР магнитометр на основе импульсных методов ЯМР с малым "мертвым временем", позволяющий работать как с жидкими, так и с твердыми, в том числе металлическими, рабочими веществами, имеющими поперечные времена релаксации от 20 микросекунд до 200 миллисекунд.

3. В приемном тракте магнитометра использована квадратурная обработка сигнала, позволяющая однозначно определять знак отстройки частоты Синтезатора от частоты ЯМР.

4. В магнитометрах реализовано накопление сигнала, что позволило увеличить отношение сигнала к шуму и улучшить точность измерений.

5. При обработке сигналов ЯМР использована согласованная фильтрация, позволившая увеличить отношение сигнала к шуму в спектре и уменьшить погрешность измерений, вызванную шумами.

6. Разработаны датчики ЯМР, при работе с которыми достигнуты рекордные параметры магнитометров. К этим датчикам относятся:

нерезонансные датчики на основе воды, каждый из которых позволяет в широком диапазоне полей обеспечить высокую точность измерений; погрешность относительных измерений поля в диапазоне 0.1^3.5 Тл с одним датчиком не превышает 10 (при относительном градиенте поля G/B не более 10 /см и при времени измерения Тц = \ сек);

резонансный датчик на основе воды; погрешность относительных измерений поля в диапазоне 0.027-5-0.05 Тл при использовании данного датчика не превышает 10 (при G/B <2*10" /см, 7# = 1 сек);

датчики на основе металлических порошков (порошков меди и алюминия), способные измерять поля в диапазоне 1-5-13 Тл при температуре жидкого гелия; погрешность относительных измерений

Гполя в диапазоне 3* 13 Тл при использовании данных датчиков не превышает (2-3) xl О"⁶ (при G/B <10~7см, Т_и= 1 сек);

малогабаритный датчик толщиной 0.55 мм на основе резины с
объемом рабочего вещества около 1 мм³, способный измерять поля
в диапазоне 0.3+2.4 Тл с относительным градиентом до 5><10'³/см;
погрешность относительных измерений поля при использовании
данного датчика при градиенте 5*10'³/см не превышает 10'⁵ (при
Т_и= 1 сек);

датчик на основе фторопласта, позволяющий проводить измерения
в широком диапазоне температур: от -100 до +150С; погреш
ность относительных измерений поля при использовании данного
датчика в диапазоне полей 0.3+3.5 Тл не превышает (3+5^10^-6 (при
G/B < НҐ/см, Т_и= 1 сек).

7. Проведен анализ основных погрешностей измерения поля магнитометром на основе импульсных методов ЯМР, в результате чего предложены пути минимизации этих погрешностей.

Правд ическая ценность диссертационной работы и внедрение результатов

7. Введены в эксплуатацию восемь ЯМР магнитометров в стандарте КАМАК на накопителях заряженных частиц ВЭПП-2М, ВЭПП-4М (ИЯФ СО РАН), Сибирь-2 (ГНЦ Курчатовский институт, Москва), в детекторах заряженных частиц КМД-2 и КЕДР (ИЯФ СО РАН), на лазере на свободных электронах MARK-3 (Университет Duke, США), на стендах магнитных измерений ИЯФ СО РАН и НИИЭФА им.Ефремова, Санкт-Петербург. В накопителях ВЭПП-2М и ВЭПП-4М ЯМР магнитометры использовались при проведении прецизионных метрологических экспериментов, погрешность относительных измерений магнитного поля дополнительного магнита за сутки данными магнитометрами не превышала 4х10"⁷ (при времени измерения 2 сек). В детекторах КМД-2 и КЕДР на основе ЯМР магнитометров осуществлена стабилизация продольного поля этих детекторов.

8. Введены в эксплуатацию четыре ЯМР магнитометра в стандарте VME на накопителе заряженных частиц Университета Duke (США), на установке электронного охлаждения (Fermilab, США), стендах магнитных измерений ИЯФ СО РАН. На накопителе заряженных частиц Университета Duke ЯМР магнитометр используется для измерений полей пяти дополнительных электромагнитов, каждый из которых включен последовательно с определенной группой магнитных элементов кольца. ЯМР магнитометр для установки электронного охлаждения предназначен для измерений магнитных полей десяти поворотных электромагнитов системы транспортировки электронов. В диапазоне полей 0.027+0.037 Тл погрешность относительных измерений поля за сутки не превышает 10"⁶ (при времени измерения одного магнита 1 сек).

3. Изготовлен и испытан 12-канальный ЯМР магнитометр в стандарте VME с малым "мертвым" временем для измерений магнитных полей поворотных магнитов электрон-позитронного накопителя ВЭПП-2000 (ИЯФ СО РАН). Градиент поля в месте расположения датчика при поле 2,3 Тл, что соответствует энергии пучка около 1 ГэВ, составляет -120 Гс/см. Максимальная погрешность относительных измерений в диапазоне полей (1*2.4) Тл не превышает -бхЦ)"⁶ (при времени измерения 1 сек).

4. Введены в эксплуатацию три ЯМР магнитометра в стандарте VME с малым "мертвым" временем для измерений и стабилизации индукции магнитного поля центральных полюсов сверхпроводящих трехполюсных вигглеров, установленных в научных центрах BESSY-2, Германия (два магнитометра) и SPRING-8, Япония (один магнитометр). Датчики ЯМР в этих виглерах работают при температуре жидкого гелия (Г = 4.2 К). Диапазон измеряемых полей составляет 3*7 Тл для вигглеров в BESSY-2 и 4+10 Тл для вигглера в SPRING-8.

5. Изготовлен и испытан ЯМР магнитометр в стандарте VME с малым "мертвым" временем для измерений магнитного поля сверхпроводящего поворотного магнита с максимальным полем 9 Тл, изготовленного в ИЯФ для BESSY-2, Германия. Датчики ЯМР в этом магните работают при температуре жидкого гелия и измеряют поле в диапазоне 3+9Тл.

6. Все ЯМР магнитометры снабжены разработанными автором программами, обеспечивающими управление режимами работы магнитометра, включая поиск сигнала, измерение поля и стабилизацию заданного уровня поля, а также выполнение цифровой обработки сигналов и взаимодействие с программами более высокого уровня.

Основные результаты работы, выносимые на защиту

1. В соответствии с требованиями к прецизионным измерениям магнитных полей разработаны ЯМР магнитометры трех типов. Магнитометры выполнены в стандартах САМАС и VME. Магнитометры одного из типов имеют малое "мертвое время" (3+4 мкс) и способны работать с рабочими веществами, имеющими малые времена поперечной релаксации - до нескольких десятков микросекунд (в частности с металлами).

2. Разработана и создана серия датчиков ЯМР, позволяющая решать разнообразные задачи прецизионных измерений постоянных магнитных полей в диапазоне 0.025+13 Тл. В этой серии есть датчики на основе металлических порошков (порошков меди и алюминия), способные работать при сверхнизких температурах, а также датчики, имеющие малый объем рабочего вещества - до 1 mm^j, способные измерять поля с относительным градиентом до 5х10"³/см.

3. Проведен анализ основных; погрешностей измерения поля прецизионным ЯМР магнитометром, на основе чего предложены и реализованы пути минимизации этих погрешностей Предложены и реализованы способы оптимизации датчиков и электроники входной части приемного тракта.

4. Созданы и внедрены в различных научных центрах в России и за рубежом в общей сложности семнадцать ЯМР магнитометров трех типов. Каждый из магнитометров оптимизирован для решения вполне определенных задач.

5. Разработано программное обеспечение для ЯМР магнитометров, включающее цифровую обработку сигналов и управление режимами работы магнитометра

Апробация работы

Результаты работы докладывались на научном семинаре в ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН и на следующих конференциях: XII Всесоюзном совещания по ускорителям заряженных частиц, Москва, 1990; XV Совещании по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1996; ЕРАС-96 (Барселона, Испания); ЕРАС-2000 (Вена, Австрия); SRI-2000 (Берлин, Германия); СИ-2000 (Новосибирск).

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, перечисленных в списке литературы.

Структура диссертации и ее объем

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы (63 наименования). Материал диссертации изложен на 157 страницах, содержит 62 рисунка и 14 таблиц.

Похожие диссертации на Разработка прецизионных магнитометров на основе ЯМР для накопителей заряженных частиц

Расчеты инкрементов многосгустковых неустойчивостей в накопителях заряженных частиц Митянина Наталья Валерьевна

Специализированные источники питания для элементов ускорителей и накопителей заряженных частицЕвтушенко Юрий Анатольевич

Источники стабилизированного тока для корректирующих магнитов в ускорителях и накопителях заряженных частицБеликов Олег Витальевич

Исследования динамики заряженных частиц при выводе пучков из ускорителей высоких энергий, разработка и совершенствование высокоэффективных систем вывода на ускорительном комплексе ИФВЭ Федотов Юрий Сергеевич

Разработка и исследование перспективных направлений развития сверхпроводящих магнитных систем для ускорительных комплексов заряженных частицТкаченко Леонид Михайлович

Разработка и создание сверхпроводящих устройств и систем криогенного обеспечения для ускорителей и каналов транспортировки пучков частиц высоких энергийКозуб, Сергей Сергеевич

Разработка криогенных детекторов частиц и молекул на основе сверхпроводящего термометра и их использование в экспериментальной физике и приборостроенииУчайкин, Сергей Викторович

Электроосаждение икосаэдрических частиц меди и разработка фильтрующего элемента на их основеДенисова Диана Аркадьевна

Теоретическая и экспериментальная разработка энергоанализаторов пучков заряженных частиц на основе электростатических зеркал сферического и цилиндрического типовБылинкин, Анатолий Федорович

Разработка метода матричной изоляции частиц из масс-селектированных ионных пучков и его использование для исследования стабилизации ионов в твердом ксенонеКолмаков, Андрей Александрович