PL216868B1 - Układ do badania materiałów w silnych polach magnetycznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do badania materiałów w silnych polach magnetycznych, mający zastosowanie w laboratoriach naukowych do badań w zakresie fizyki i inżynierii materiałowej.

Układy do badania materiałów w silnych polach magnetycznych znane są z książki D. Bruce Montgomery'ego pt. „Solenoid Magnet Design, The Magnetical and Mechanical Aspects of Resistive and Superconducting Systems”, wydanej przez wydawnictwo John Wiley and Sons w Nowym Jorku, Londynie, Sydney i Toronto w 1969 r. Pierwszy z tych układów, nazywany magnesem Bittera z chłodzeniem osiowym, stanowi zespół miedzianych płyt w kształcie pierścieni z radialnym przecięciem, zaopatrzonych w siatkę koncentrycznie rozmieszczonych otworów, przy czym średnice otworów znajdujących się na zewnętrznej części płyty są większe, niż otworów wykonanych bliżej środka płyty, ponadto większe są również odległości między otworami na zewnętrznej części płyty. Płyty te poprzekładane są płytami z materiału izolacyjnego o kształcie identycznym, jak płyty miedziane i złożone w pakiet, liczący kilkadziesiąt płyt, tak żeby brzegi przecięcia płyt miedzianych zachodziły na siebie a otwory tworzyły osiowe kanały. W wyniku tego powstaje spiralne uzwojenie, które zamyka się w szczelnej, nieferromagnetycznej obudowie z osiowym otworem, zasila prądem elektrycznym o dużym natężeniu a przez kanały przepuszcza demineralizowaną i dejonizowaną wodę w celu chłodzenia układu. Użyteczne, silne pole magnetyczne wytwarzane jest w osiowym otworze obudowy, w którym umieszcza się badaną próbkę materiału ewentualnie zamkniętą w nieferromagnetycznym kriostacie napełnionym ciekłym azotem lub helem.

Drugi układ znany z tej samej książki i nazywany magnesem Bittera z chłodzeniem radialnym, stanowi zespół płyt miedzianych również w kształcie pierścieni z radialnym przecięciem, ale zaopatrzonych w szereg radialnych rowków wykonanych na ich powierzchni, przy czym szerokość tych rowków maleje w miarę zbliżania się do centralnej części płyty. Płyty te poprzekładane są płytami izolacyjnymi o takim samym kształcie, jak płyty miedziane i złożone w pakiet, liczący kilkadziesiąt płyt, tak żeby brzegi przecięcia płyt miedzianych zachodziły na siebie. W wyniku tego powstaje spiralne uzwojenie, które zamyka się w szczelnej, nieferromagnetycznej obudowie z osiowym otworem, zasila prądem elektrycznym o dużym natężeniu a przez rowki przepuszcza demineralizowaną i dejonizowaną wodę w celu chłodzenia układu. Użyteczne, silne pole magnetyczne wytwarzane jest w osiowym otworze obudowy, w którym umieszcza się badaną próbkę materiału ewentualnie zamkniętą w nieferromagnetycznym kriostacie napełnionym ciekłym azotem lub helem.

Trzeci znany z tej samej książki układ stanowi cewka nawinięta na izolacyjnej szpuli izolowanym drutem, wykonanym z materiału o właściwościach nadprzewodzących - niobu lub niobianu cyny NbSn. Cewka ta zamknięta jest w dwu współosiowych, nałożonych na siebie nieferromagnetycznych obudowach w kształcie cylindrów z osiowymi otworami. Wewnętrzna obudowa napełniona została ciekłym helem a zewnętrzna ciekłym azotem, co powoduje ochłodzenie cewki poniżej temperatury krytycznej i przejście w stan nadprzewodnictwa. Ponadto, zewnętrzna obudowa pokryta jest materiałem termoizolacyjnym dla zabezpieczenia przed nagrzewaniem przez ciepło otoczenia. Cewkę zasila się prądem elektrycznym o dużym natężeniu a użyteczne, silne pole magnetyczne wytwarzane jest w osiowym otworze zewnętrznej obudowy, w który umieszcza się badaną próbkę materiału.

Inne układy do badania materiałów w silnych polach magnetycznych znane są z książki W. R. Karasika pt. „Fiziyka i tiechnika silnych magnitnych poliej”, wydanej przez Izdatielstwo Nauka w Moskwie w 1964 r. Pierwszy z tych układów stanowi jednowarstwowy, wielozwojowy solenoid, nawinięty izolowanym drutem miedzianym, zasilany prądem elektrycznym o dużym natężeniu, zamknięty w nieferromagnetycznej obudowie z osiowym otworem, przez którą przepływa demineralizowana i dejonizowana woda chłodząca solenoid. Użyteczne, silne pole magnetyczne wytwarzane jest w osiowym otworze obudowy, w którym umieszcza się badaną próbkę materiału ewentualnie zamkniętą w nieferromagnetycznym kriostacie napełnionym ciekłym azotem lub helem.

Drugi znany z tej samej książki układ stanowi cewka jednozwojowa, zamknięta w nieferromagnetycznej obudowie z osiowym otworem, przez którą przepływa woda chłodząca cewkę. Cewka zasilana jest impulsami prądu elektrycznego o dużym natężeniu, otrzymanymi przez rozładowanie wysokonapięciowej baterii kondensatorów a użyteczne, silne pole magnetyczne wytwarzane jest w osiowym otworze obudowy, w którym umieszcza się badaną próbkę materiału ewentualnie zamkniętą w nieferromagnetycznym kriostacie napełnionym ciekłym azotem lub helem.

Trzeci znany z tej książki układ stanowi cewka nawinięta drutem o właściwościach nadprzewodzących, taka sama jak w książce D. Bruce Montgomery'ego.

PL 216 868 B1

Także z książki Heiniz'a Knoepfel'a pt. „Pulsed High Magnetic Fields”, wydanej przez wydawnictwo North-Holland Publishing Company w Amsterdamie i Londynie w 1970 r. znane są układy do badania materiałów w silnych polach magnetycznych. Pierwszy z tych układów stanowi cewka nawinięta izolowanym drutem miedzianym, umieszczona we wzmacniającej ją osłonie, wykonanej z nieferromagnetycznej stali i zasilana impulsami prądu elektrycznego o dużym natężeniu. Użyteczne, silne pole magnetyczne wytwarzane jest w osiowym otworze cewki, w którym umieszcza się badaną próbkę materiału ewentualnie zamkniętą w nieferromagnetycznym kriostacie napełnionym ciekłym azotem lub helem.

Drugi znany z tej książki układ to jednowarstwowy, wielozwojowy solenoid, taki sam jak opisany w książce W. R. Karasika.

Trzeci znany z tej książki układ stanowi jednozwojowa cewka zasilana impulsami prądu elektrycznego o dużym natężeniu, przy czym impulsy te mogą być tak silne, że powodują stopienie i rozerwanie cewki. Użyteczne, silne pole magnetyczne wywarzane jest w otworze cewki, w który umieszcza się badaną próbkę materiału, przy czym w przypadku impulsów niszczących cewkę pole to trwa tylko do momentu przerwania cewki.

Czwarty znany układ stanowi cewka wielozwojowa, nawinięta izolowanym drutem miedzianym a wewnątrz osiowego otworu cewki znajduje się miedziany cylinder przecięty wzdłuż tworzącej, zwany linerem. Na zewnątrz cewki umieszczony jest cylindryczny ładunek wybuchowy a wewnątrz linera znajduje się badana próbka materiału. Przez cewkę przepuszcza się silny impuls prądu elektrycznego, który powoduje wytworzenie początkowego pola magnetycznego wewnątrz linera. Następnie, detonuje się ładunek wybuchowy, co powoduje zgniecenie cewki, zamknięcie szczeliny linera i jego ściskanie w kierunku radialnym. Początkowe, silne pole magnetyczne indukuje w poruszających się ściankach linera prądy elektryczne, które wzmacniają to pole początkowe i w wyniku tego wytwarzane jest wtórne pole magnetyczne, znacznie silniejsze od pola początkowego i w tym polu wtórnym możliwe jest badanie próbki materiału. W końcowym etapie, po osiągnięciu maksymalnej indukcji pola, następuje całkowite zgniecenie linera i próbki w wyniku tego układ przestaje działać.

Inny, znany układ do badania materiałów w silnych polach magnetycznych ujawniony jest w artykule Mitsuhiro Motokawy, Kazuo Wotanabe'a i Satoshi Awaji pt. „High magnetic fields researchs in Tohoku University”, opublikowanym w czasopiśmie pt. „Current Applied Physics”, nr 3 z 2003 r. Układ ten, nazywany magnesem hybrydowym, składa się z cewki, wykonanej z materiału o właściwościach nadprzewodzących, zamkniętej w dwu współśrodkowych obudowach, takiej samej jak opisana w książce Bruce Montgomery'ego z tą różnicą, że zewnętrzna obudowa ma otwór o dużej średnicy i w tym otworze umieszczona jest cewka nawinięta izolowanym drutem miedzianym, taka sama jak w książce Heiniz'a Knoeppfel'a. Obie cewki zasilane są prądem elektrycznym o dużym natężeniu a użyteczne, silne pole magnetyczne wytwarzane jest w otworze cewki nawiniętej drutem miedzianym, w którym umieszcza się badaną próbkę materiału.

Jeszcze inny, znany układ do badania materiałów w silnych polach magnetycznych ujawniony jest w artykule K. Mackay'a, M. Bonfin'a, D. Givorda i A. Fountine'a pt. „50 T Pulsed magnetic fields in microcoils”, opublikowanym w czasopiśmie pt. „Journal Applied Physics”, tom 87, nr 4 z 2000 r. Układ ten składa się z płytki krzemowej o rozmiarach 5x5 mm z centralnym otworem o średnicy 50 μm, pokrytej warstwą dwutlenku krzemu SiO2, na której naparowana jest cienkowarstwowa, jednozwojowa cewka z miedzi również z centralnym otworem, pokrywającym się z otworem płytki. Zewnętrzna średnica tej cewki wynosi 150 μm i cewka jest zaopatrzona w cztery symetrycznie rozmieszczone, kwadratowe płytki, wzmacniające cewkę i rozpraszające ciepło. Do końcówek cewki doprowadza się impuls prądu elektrycznego o dużym natężeniu, otrzymany przez rozładowanie baterii wysokonapięciowych kondensatorów, co powoduje wytworzenie silnego pola magnetycznego w centralnym otworze cewki, gdzie umieszczona jest próbka badanego materiału.

Z opisu patentowego US 4725140 znany jest też układ do pomiaru reakcji wiązania za pomocą spolaryzowanej wiązki światła, w którym pojemnik z badaną cieczą umieszczony jest w słabym i zmiennym polu magnetycznym wytwarzanym przez generator, znajdujący się na zewnątrz tego pojemnika. Przez pojemnik przepuszczana jest natomiast spolaryzowana wiązka świata, która pada następnie na analizator i fotodetektor. W układzie tym kierunek pola magnetycznego jest prostopadły do kierunku wiązki światła i pole to jest wytarzane przez zespoły cewek umieszczonych w pobliżu ścian pojemnika.

Z opisu patentowego US 6377340 znany jest jeszcze inny układ do wykrywania naturalnego diamentu otrzymanego w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem. W układzie tym nie sto4

PL 216 868 B1 suje się pola magnetycznego, natomiast otrzymany diament umieszczany jest w kriostacie, w temperaturze równej albo niższej, niż temperatura ciekłego azotu. Kriostat zaopatrzony jest w przezroczyste okienka, które umożliwiają przepuszczenie przez diament wiązki światła o odpowiedniej długości fali. Po przejściu przez diament wiązka ta pada na spektrometr sprzężony z komputerem.

Istota rozwiązania układu do badania materiałów w silnych polach magnetycznych zawierającego cewkę lub zespół współosiowych cewek rezystywnych lub nadprzewodzących, wytwarzających silne pole magnetyczne oraz układ do wytwarzania spolaryzowanej wiązki światła i analizy stanu jej polaryzacji według wynalazku polega na tym, że w osiowym otworze tych cewek znajduje się badana próbka z materiału przezroczystego, umieszczona w osłonie z pirofilitu i zamknięta między dwoma stożkowymi kowadełkami, zwróconymi stożkami ku sobie i wykonanymi z diamentu naturalnego, diamentu syntetycznego lub z karborundu. Kowadełka umieszczone są w grubościennej, stalowej tulei z gwintem wewnętrznym, zakończonej od dołu denkiem z osiowym otworem i oparte na tym denku. Do tulei wkręcany jest od góry stalowy tłok z gwintem zewnętrznym i również osiowym otworem, zakończony u góry kwadratowym lub sześciokątnym ścięciem. Tłok i tuleja wykonane są ze stali nieferromagnetycznej. Tuleja przymocowana jest od dołu do termoizolacyjnych, nieferromagnetycznych wsporników, opartych na dnie kriostatu, którego dolna część, wstawiona jest w osiowy otwór cewek, zamknięta denkiem.

Korzystnie tłok i tuleja wykonane są ze stali nieferromagnetycznej.

Korzystnie wsporniki wykonane są z materiału termoizolacyjnego i nieferromagnetycznego.

Zaletą układu według wyrazku jest to, że pozwala na nieniszczące badanie materiałów przezroczystych poddanych jednoczesnemu działaniu silnych pól magnetycznych, wysokich ciśnień i niskich temperatur.

Przedmiot wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przekrój osiowy układu.

Układ do badania materiałów w silnych polach magnetycznych według wynalazku stanowi cewkę lub zespół współosiowych cewek 1, wytwarzających silne pole magnetyczne, którymi mogą być magnes Bittera z chłodzeniem osiowym lub radialnym, cewka nawinięta na izolacyjnej szpuli drutem miedzianym, cewka z materiału nadprzewodzącego, solenoid jednowarstwowy, cewka jednozwojowa lub magnes hybrydowy, złożony z magnesu rezystywnego, otoczonego magnesem nadprzewodzącym, umieszczone na poziomej, środkowej podstawie 2 a w osiowym otworze tych cewek znajduje się badana próbka z materiału przezroczystego 3, umieszczona w osłonie z pirofilitu 4 i zamknięta między dwoma stożkowymi kowadełkami 5, 6, zwróconymi stożkami ku sobie i wykonanymi z diamentu naturalnego, diamentu syntetycznego lub z karborundu. Kowadełka 5, 6 umieszczone są w grubościennej, stalowej tulei 7 z gwintem wewnętrznym, zakończonej od dołu denkiem 8 z osiowym otworem 9 i oparte na tym denku a do tulei 7 wkręcany jest od góry stalowy tłok 10 z gwintem zewnętrznym i również osiowym otworem (11). zakończony u góry kwadratowym lub sześciokątnym ścięciem 12, przeznaczonym do wkręcania tłoka w tuleję 7 za pomocą klucza. Tłok 10 i tuleja 7 wykonane są ze stali nieferromagnetycznej. Tuleja 7, przymocowana jest od dołu do termoizolacyjnych, nieferromagnetycznych wsporników 13, 14, opartych na dnie kriostatu 15, którego dolna część 16, wstawiona jest w osiowy otwór cewek, zamknięta denkiem 17, z umieszczonym w nim współśrodkowo przezroczystym okienkiem optycznym 18. Kriostat wykonany jest ze stali nieferromagnetycznej i napełniony ciekłym helem lub ciekłym azotem 19. Nad kriostatem znajduje się cylindryczna, oprawa górna 20 z gwintem wewnętrznym i skalą kątową, przymocowana do podstawy górnej 21 i zawierająca źródło światła 22, wysyłające równoległą wiązkę światła 23, biegnącą w dół przez otwór w pokrętle górnym 24 i wstawiony w to pokrętło polaryzator 25, przy czym pokrętło 24 zaopatrzone jest w gwint zewnętrzny, kreskę wskaźnikową i wkręcane w oprawę górną 20. Następnie wiązka światła 23 przechodzi przez osiowy otwór w tłoku 11, kowadełka 5, 6 i badaną próbkę materiału 3 a dalej pada na analizator 26, umieszczony w pokrętle dolnym 27, zaopatrzonym w osiowy otwór, gwint zewnętrzny i kreską wskaźnikową oraz wkręcanym w oprawę dolną 28 z gwintem wewnętrznym i skalą kątową. Po przejściu przez analizator 26 wiązka światła 23 pada na detektor światła 29, korzystnie fotodiodę lub fotopowielacz, umieszczony wewnątrz oprawy dolnej 28 i oparty wraz z nią na podstawie dolnej 30.

Zasada działania układu do badania materiałów w silnych polach magnetycznych według wynalazku polega na tym, że tłok 10 wkręcany jest w tuleję 7, co powoduje wytworzenie wysokiego ciśnienia, działającego na badaną próbkę materiału 3, a kriostat 15 napełnia się ciekłym helem lub ciekłym azotem 19 i odczekuje do osiągnięcia stanu równowagi termodynamicznej układu, w której następuje oziębienie próbki 3 do niskiej temperatury. Następnie, włącza się źródło światła 22 oraz obracając

PL 216 868 B1 pokrętłem górnym 24 ustala płaszczyznę polaryzacji światła. Obracając po tym pokrętłem dolnym 27 ustawia się analizator 26 w takiej pozycji, żeby jego płaszczyzna przepuszczania wiązki światła 23 była prostopadła do płaszczyzny polaryzacji, co stwierdzone zostaje zerowym prądem detektora światła 29. Z kolei, przez cewkę lub zespół współosiowych cewek 1 przepuszcza się prąd elektryczny, stały lub impulsowy o dużym natężeniu, co prowadzi do wytworzenia silnego pola magnetycznego w obszarze badanej próbki materiału 3. W wyniku oddziaływania pola magnetycznego i wysokiego ciśnienia na próbkę 3, następuje skręcenie płaszczyzny polaryzacji wiązki światła 23 przez próbkę 3, co ujawnia się wytworzeniem prądu elektrycznego, płynącego przez detektor światła 29. Kąt skręcenia tej płaszczyzny polaryzacji wiązki światła 23 przez próbkę 3 odczytuje się na skali oprawy dolnej 28, jako kąt, o który należy obrócić pokrętło dolne 27, tak żeby ponownie spowodować zanik prądu detektora światła 29. Po wyłączeniu źródła światła 22 i umieszczeniu czujników odpowiednich wielkości fizycznych na badanej próbce materiału 3 układ pozwala także na badanie właściwości mechanicznych, elektrycznych i magnetycznych materiałów nieprzezroczystych, poddanych działaniu silnych pól magnetycznych i wysokich ciśnień.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ do badania materiałów w silnych polach magnetycznych zawierający cewkę lub zespół współosiowych cewek rezystywnych lub nadprzewodzących, wytwarzających silne pole magnetyczne oraz układ do wytwarzania spolaryzowanej wiązki światła i analizy stanu jej polaryzacji, znamienny tym, że w osiowym otworze tych cewek znajduje się badana próbka z materiału przezroczystego (3), umieszczona w osłonie z pirofilitu (4) i zamknięta między dwoma stożkowymi kowadełkami (5) (6), zwróconymi stożkami ku sobie i wykonanymi z diamentu naturalnego, diamentu syntetycznego lub z karborundu, przy czym kowadełka (5) (6) umieszczone są w grubościennej, stalowej tulei (7) z gwintem wewnętrznym, zakończonej od dołu denkiem (8) z osiowym otworem (9) i oparte na denku (8) a do tulei (7) wkręcany jest od góry stalowy tłok (10) z gwintem zewnętrznym i również osiowym otworem (11), zakończony u góry kwadratowym lub sześciokątnym ścięciem (12), przy czym tłok (10) i tuleja (7) wykonane są ze stali nieferromagnetycznej, zaś tuleja (7) przymocowana jest od dołu do termoizolacyjnych, nieferromagnetycznych wsporników (13), (14), opartych na dnie kriostatu (15), którego dolna część (16), wstawiona jest w osiowy otwór cewek, zamknięta denkiem (17).
2. 2. Układ według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że tłok (10) i tuleja (7) wykonane są ze stali nieferromagnetycznej.
3. 3. Układ według zastrzeżenia 1 lub 2, znamienny tym, że wspornik (13) i (14) wykonane są z materiału termoizolacyjnego i nieferromagnetycznego.