Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

илииныхстранахэталоновсильныхимпульсныхполей. Это подтверждается тем, что в таблицах калибровочных возможностейМеждународногокомитетамеривесовне создан раздел, посвященный напряженностям импульсных электрических и магнитных полей. Тем не менее, работа по международным сличениям, а следовательно,

ипо подтверждению калибровочных возможностей, ведется. При помощи компараторов напряженности импульсных электрического и магнитного полей проводились сличения эталона ГЭТ 148 с исходным эталоном Украины (тема КООМЕТ 409/UA-a/07).

Введение в стандарт IEEE 1309 установки «конус надплоскостью» длякалибровкиизмерительныхпреобразователей импульсных полей инициировало процесс создания аналогичных эталонов в различных странах.

Внастоящий момент такие установки разрабатываются в США (NIST), Китае (Северо-Западный институт ядерных технологий NINT), Корее (KRISS). В рамках КООМЕТ предложена тема 514/RU/10 международных сличенийэталоновединицнапряженностейимпульсных электрического и магнитного полей в пикосекундном диапазоне.

ВCMC-таблицах представлены сведения о калибровочныхвозможностяхдлясредствизмеренийимпульсноготокамолнии. Данныеэталонныеустановкисуществуют в метрологических институтах Франции, Германии

иФинляндии. В литературе также приводятся сведения о проведении работ по созданию эталонов импульсного тока молнии в Корее и Японии. В настоящее время осуществляется сотрудничество с метрологическими организациямиданныхстранпопроведениюмеждународных сличений эталонов импульсных токов.

Литература

1. Балюк Н.В., Кечиев Л.Н., Степанов П.В. Мощный электромагнитный импульс: воздействие на электронные средства и методы защиты. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.

2.Dobrotvorsky M.I., Sakharov K.Yu., Mikheev O.V. et al.

Measuring Instruments of Powerful UWB EMP Parameters // Proc. of The Third International Conference on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals UWBUSIS-2006, Sevastopol, 2006. P. 373–375.

3.Sakharov K.Yu., Turkin V.A., Mikheev O.V. et al. A picosecond pulsed electric field strength measuring transducer // Measurement Techniques. 2014. Vol. 57. № 2. P. 201–205.

4.IEEE 1309-2013 Standard for Calibration of Electromagnetic Field Sensors and Probes (ExcludingAntennas) from 9 kHz to 40 GHz // IEEE. 2013.

5.Соколов А.А. О метрологическом обеспечении измерений напряженности импульсных электрических и магнитных полей // Вопросы излучения и измерения нестационарныхэлектромагнитныхполей. М.: Научныетруды ВНИИОФИ. 1980. С. 31–47.

6.SAEARP 5412B Standard forAircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms // SAE. 2013.

7.Сахаров К.Ю., Туркин В.А., Михеев О.В. и др. Госу-

дарственныйпервичныйспециальныйэталонединицыимпульсного тока молниевого разряда в диапазоне 1–100 А // Измерительная техника. 2013. № 11. С. 3–6.

8.Sokolov A.A., Sakharov K.Yu. Test and Standard Sources of Electromagnetic Pulses // Proc. of The Third International Conference on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals UWBUSIS-2006, Sevastopol, 2006. P. 60–65.

9.Тихомиров С.В., Сахаров К.Ю., Михеев О.В. и др.

Эталонный комплекс сверхкоротких электромагнитных импульсовсдлительностьюфронта20 пс// Измерительная техника. 2010. № 7. С. 57–59.

10.Кужекин И. П., Ларионов В.П., Прохоров Е.Н. Мол-

ния и молниезащита. М.: Знак, 2003.

11.Анисимов А.В., Стржелинский О.А. Зарубежный опыт решения проблемы молниестойкости авиационной техники // Технологии электромагнитной совместимости. 2010. № 1. С. 89–98.

12.Шваб А. Измерения на высоком напряжении: измерительные приборы и способы измерения. М.: Энергоатомиздат, 1983.

13.Болотин И.Б., Эйдель Л.З. Измерения в переходных режимах короткого замыкания. Л.: Энергия, 1981.

Основные законы электромагнетизма

Теоретическим фундаментом изучения электромагнитныхпроцессов, включаяизмерительныепреобразования, врезультатекоторыхполучаютсведенияозначениях параметров магнитного поля и его источников, служат уравнения Максвелла, записываемые применительно к

плотноститока; ρ – объемнаяплотностьэлектрического

описывающие анизотропные и нелинейные свойства сред; при этом квадратные скобки указывают на возможное существование гистерезиса.

Обобщения на случай движущихся сред получают на основании преобразований Лоренца. Для медленных движений (v<<c, где v – скорость среды и c – скорость

является величиной инвариантной (независимой от вы-

браннойсистемыотсчета), умножаянаq левуюиправую части (3, а), находим:

здесь – сила Лоренца; fGэ и fGэд – составляющие этойсилы, наблюдаемыевнеподвижнойсистемеотсчета и называемые соответственно электрической и электродинамическойсилами. ПосколькуэлектродинамическаяG сила проявляется только при наличии вектора B , то ее можно назвать также магнитной силой.

Из выражения (4) следует, что движущийся электрический заряд является как бы «пробным телом» для магнитногополя, таккакосуществованиипоследнегомы можем судить по наличиюG электродинамической силы.

Полагая в (4) E = 0 и переходя от одиночных дви-

чить, интегрируя (5) и переходя от механической силы

ального контура или однородно намагниченного тела, несущих соответственно свободные макроскопические или связанныеG микроскопические токи; I – свободный токG ; S – векторное представление площади контура; J – вектор намагниченности; V – объем тела.

Силовое взаимодействие с током – не единственное проявление магнитного поля. Другим его проявлением выступает электромагнитная индукция.

Интегрируявыражение(3, а) позамкнутомуконтуру L ииспользуяинвариантноеотносительносистемотсчета

Это– законэлектромагнитнойиндукции(законФара- дея-Максвелла), обобщенныйнаслучайдвижущихсясред.

Этот же закон часто записывают в виде:

пронизывающий контур площадьюS S.

Сопоставляя выражения (6) и (7), видим, что закон Ампера и закон электромагнитной индукции связывают

вектор BG с механическими и электрическими величинами.

Проявляясь в форме сил, действующих на электрические токи, либо вызывающих индукционные токи, магнитное поле также ипорождается токами. В этом заключенаэлектрокинетическаяприродамагнитногополя.

Напряженность магнитного поля, создаваемая элек-

единичный вектор.

Это – закон Био-Савара. В современной трактовке этот закон выступает как следствие закона Кулона, примененного к движущемуся электрическому заряду.

Далее, интегрируя выражение (3, б) по замкнутому контуру L и используя инвариантное относительно си-

Это –Gзакон полного тока. Закон гласит: циркуляция вектора H ′ равнаохватываемойконтуромL сумметоков проводимости, переноса и смещения, а также тока, вызванного движением среды в электрическом поле.

Сопоставляя выражения (9) и (10), нетрудно видеть, что законG Био-Савара и закон полного тока связывают вектор H с макроскопическими токами, независимо от причин, вызывающих эти токи, и с координатами элементоввектора HG.этих токов относительно точки приложения

Перечисленные законы лежат в основе магнитных измерений.

Прямые и обратные магнитоизмерительные преобразования

Посовременнымвоззрениямизмерительныйпроцесс делят на ряд относительно независимых операций, называемых измерительными преобразованиями.

Так, различаютпервичные, промежуточныеиоконечные преобразования. При первичных преобразованиях измеряемая величина преобразуется в другую физическую величину, например в электрическое напряжение, котороеслужитсигналом, переносящимизмерительную информацию. Целью промежуточных преобразований является, вобщемслучае, модуляция, усилениеидемодуляция сигнала. Оконечные преобразования необходимы для восприятия измерительной информации органами чувств человека.

Целесообразноразличатьтакжепрямыеиобратные преобразования.

Прямыми преобразованиями назовем такие, при которых измеряемая физическая величина оказывается аргументом, тогда как функцией служит уже другая физическаявеличина, несущаяинформациюозначении исходной величины. Очевидно, что применительно к магнитным измерениям прямые преобразования могут быть реализованы на основе закона Ампера или закона

электромагнитнойиндукцииG . Действительно, ввыражениях(6) и(7) вектор B можнорассматриватьвкачестве аргумента, функцией же оказывается механический момент P, приложенныйкматериальномуобъекту, либо э.д.с. eΣ , наводимая в материальном контуре.

Обратными преобразованиями назовем такие, при которых данная физическая величина воспроизводится, то есть оказывается функцией, тогда как аргументами служат другие физические величины. Применительно к магнитным измерениям обратные преобразования реализуются на основе закона Био-Савара или закона полного тока. Действительно,Gв выражениях (9) и (10) функцией является вектор H или циркуляция этогоG вектора, аргументамижеслужаттокI ирадиус-вектор r .

По смыслу введенных понятий величина, воспроизводимая в процессе обратных преобразований, должна иметь такую же размерность, как и величина, обнаруживаемаяивоспринимаемаяврезультатепрямых преобразований. Это правило должно соблюдаться и

ютразнуюразмерность, топриосуществленииобратных преобразований необходимо пользоваться связью (2, а),

деннаяврезультатесопряжениямеханическихединицс электрическими единицами.

Впроцессеизмеренияпрямыеиобратныепреобразованиявзаимосвязаны. Осуществляяпрямыепреобразования, напримерсцельюизмерениямагнитнойиндукции, мынеминуемопользуемсярезультатомобратныхпреобразований, который оказывается запечатленным в градуировочной характеристике измерительного прибора. Осуществляя преобразования, например, воспроизводя единицу магнитной индукции в эталонной катушке с током, мынеможемпередатьэтуединицудругиммерам, неиспользоваввтойилиинойстепенирезультатапрямых преобразований.

Вэтой взаимосвязи прямых и обратных преобразований заключена сущность измерения как процесса сравнения данной физической величины с величиной того же наименования, принятой за единицу.

Очевидна и относительная самостоятельность прямых и обратных преобразований. По каждому виду измерений принято различать две группы СИ: измерительные приборы и меры. В измерительных приборах, какправило, осуществляютсяпрямыепреобразования, в мерах– обратные. Изучениеособенностейипредельных возможностей обратных преобразований в смысле достижениянаивысшейточностивоспроизведенияединиц измерения, реализуемых в эталонах, является одной из основных задач метрологии.

Магнитные величины и единицы

Перечень наиболее употребительных магнитных величин и единиц приведен в таблице 1. Ниже дан небольшой комментарий к таблице.

Какотмечалось,магнитнаяпостоянная µ0 = 4π 10−7 Гн/м получена в рационализированной системе единиц СИ в результатесопряжениямеханическихединицсэлектрическимиединицами. Действительно, значениеиразмерность постоянной µ0 нетрудно получить, если силу тока измерять в амперах (А), расстояние – в метрах (м), а механическую (равно: электродинамическую) силу – в ньютонах(Н). Определяющееуравнениеприведеновтаблице. Онополученонаоснованиивыражений(5, 9 и11).

Напряженностьмагнитногополя HG являетсявсистеме единиц СИ величиной расчетной, опосредованной в опыте. Восновуееопределенияможетбытьположенза- конБио-Савара. Какследуетизвыражения(9), единицей напряженности служит ампер на метр (А/м).

НепосредственноG данной в опыте является магнитная индукция B. Она может быть определена по силе, действующей в магнитном поле на проводник с током (закон Ампера), либо – по э.д.с., наводимой в контуре,

помещенномвэтополе(законэлектромагнитнойиндукции), тоестьврезультатепрямыхмагнитоизмерительных преобразований.

Ввакууме(воздухе) магнитнаяиндукцияможетбыть определена также ив результате обратных преобразований. Так, используя выражение (9) (закон Био-Савара) и

G

где KB – постояннаякатушки(вычисляемаясучетом геометрических размеров катушки, количества витков и значения µ0); I – электрический ток, протекающийG по катушке. Зная численное значение постоянной KB и измеряя с надлежащей точностью ток I, можно воспро-

известивобъемекатушкизаданноезначениемагнитной индукции. Именно такой принцип воспроизведения положен в основу ныне действующего государственного эталона единицы магнитной индукции. В системе СИ этой единице присвоеноG G наименование тесла (Тл).

Поскольку B иGB суть величины, непосредственно данныевопыте, а H 0естьвеличинаопосредствованная, расчетная, то градуировать измерительные приборы – магнитометры – следует именно в единицах магнитной индукции, независимооттого, где– внамагничиваемых средахиливнеих– предполагаетсяпроводитьизмерения. ОднакопосамимпоказанияммагнитометровещеG нельзяG судить о том, какая из двух величин, то есть B или B0, измеренавкаждомконкретномслучае. Дляоднозначного суждения необходимо располагать дополнительными сведениями о магнитных свойствах среды и форме по-

где w – количество витков измерительной катушки. Единицей этих величин является вебер (Вб). Диффе-

S

к плоскости витков измерительной катушки.

Схожимобразоммогутбытьопределеныиизмерены и другие магнитные величины.

Так, магнитодвижущая сила (м.д.с.) между двумя

где dla G – элемент длины, может быть измерена с помощьюгибкойоднослойнойкатушки(поясаРоговского). Если на единицу длины такой катушки приходится w0 витков, то при проведении измерений в вакууме или в воздухе м.д.с. вычисляют по формуле [16]:

F = . (17)

Основной величиной, характеризующей интенсивностьисточникамагнитногополя– катушкистокомили

откуда следует, что единицей магнитного момента будетамперG -квадратныйметр(А·м2). Восновуизмерения вектораG M может быть положено выражение (6) или связь M смагнитнымпотокомΦ или Ψ. Оригинальный метод измерения магнитного момента намагниченных телпредложенН.М. Колядиным. Согласноэтомуметоду, намагниченноетелоперемещаютсквозьизмерительную катушку, спомощьюфлюксметрарегистрируюткривую магнитного потока, сцепляющегося с витками катушки,

где х – индекс направления, совпадающего с нормалью к плоскости витков измерительной катушки, и текущая координата движущегося в этом же направлении намагниченногоG тела. Измерение двух других компонент вектора M возможно путем предварительных 90-градусных разворотов намагниченного тела и повторения описанных операций, либо благодаря применению дополнительных (поперечных) измерительных катушек.

В последние годы проявлен интерес к измерению дифференциальныхвеличин, характеризующихнеоднородность магнитного поля. Полной величиной является

Матрицаэтойвеличиныприведенавтаблице. Входящие

НесмотряG на то, что всегда div BG = 0 , а в ряде случаев и rot B = 0 , входящие в них производные, как правило, не равны нулю и могут быть измерены.

Часто пользуются также величиной, называемой градиентом модуля магнитной индукции:

вектора на соответствующие оси выбранной системы координат.

Во всех случаях единицей неоднородности магнитного поля является тесла на метр (Тл/м).

В этом разделе описываются физическая величина, единицы измерений, термины и основные физические принципы, лежащие в основе измерений.

Историческая справка

Магнитные явления наблюдались и применялись в процессе человеческой деятельности с древних времен. В древнем Китае знали о существовании магнитного поля Земли уже в III в. до н. э. и применяли магнитный компас для ориентации на местности при дальних и близких путешествиях.

Первым известным исследователем магнитных явлений считается английский ученый У. Гильберт (1544–1603), опубликовавшийв1600 г. книгу«Омагните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Если Гильбертвпервыедалнеутратившееисейчасобъяснение физическойприродыземногомагнетизма, тоШ. Кулонв 1785 г., азатемМ. Фарадей(1791–1867) предложили, соответственно, первыеметодыизмеренийнапряженности магнитного поля Земли и магнитной восприимчивости материалов. Работа Гаусса (1832) «Интенсивность земноймагнитнойсилы, приведеннаякабсолютноймере» не толькоположиланачалотеорииабсолютныхмагнитных измерений, но также дала толчок к развитию общего учения о системах единиц измерений.

СредирусскихученыхXIX в., внесшихнаибольший вкладвразвитиемагнитныхизмерений, необходимоотметить А.Г. Столетова, который предложил и обосновал (1872) методыизмерениймагнитныхсвойствматериалов, втомчислекольцевуюформуобразцовибаллистический метод измерений их параметров, и академика А.Я. Куп- фера(1799–1865), основателяпервогометрологического учреждения России – Депо образцовых мер и весов, которому принадлежит заслуга в организации систематических наблюдений за компонентами магнитного поля Земли.

Развитие вида измерений в России

Начало истории развития метрологического направления магнитных измерений было положено в 1918 г. проф. Л.В. Залуцким – основателем и первым руководителеммагнитнойлабораторииВНИИМим. Д.И. Менделеева. Он написал первую отечественную книгу по магнитным измерениям.

На период 1927–1942 гг. приходится этап создания первых эталонов единиц магнитных величин, который связансименамиизвестныхроссийскихученых-метро- логовпроф. Б.М. Яновскогоипроф. Е.Г. Шрамкова. Под руководством проф. Б.М. Яновского во ВНИИМ были поставленыиреализованыработыпоабсолютномувоспроизведению единиц магнитных величин (1946–1957), поставлены работы по определению гиромагнитного отношения протона (1957).

СименамиучениковБ.М. Яновскогосвязаныизвестныемеждународномуметрологическомусообществузавершенныеиуспешнопродолжающиесяфундаментальные исследования по созданию современной эталонной базы – государственных эталонов единиц магнитных величинисистемыметрологическогообеспеченияобластиизмерений, поуточнениюгиромагнитногоотношения протона и изотопов гелия, а также исследования по воспроизведению ампера через гиромагнитное отношение протона и магнитных величин.

Основные направления развития

Вэтомразделеописываетсятекущеесостояниеобласти измерений, ведущиеся работы и перспективы развития.

Впериод с 2007 по 2011 гг. проведены работы по совершенствованию государственного первичного эталона единиц магнитной индукции, магнитного потока и магнитного момента, а также методов и средств измерений для передачи размера магнитных единиц при помощи вторичных и рабочих разрядных эталонов рабочим средствам измерений. Выполнение работы и плана внедрения разработанной государственной поверочной схемы направлено на обеспечение единства измерений в стране на более высоком уровне точности,

врасширенныхдиапазонахиобластяхизмерений, соответствующихсовременнымтребованиямразвивающейся национальной экономики и научных исследований.

Одно из направлений дальнейшего совершенствованиеэталонасвязаносразработкойисозданиемквантовогокомпараторасредствизмерениймагнитнойиндукции слабого и среднего постоянного поля. Это необходимо для согласования на эталонном уровне единицы, воспроизводимойпервичнымэталономсверхнимпределом 1 мТл и вторичным эталоном области средних полей с нижнимпределомизмерений, начинающимсяот20 мТл.

Перспективой совершенствования эталона является развитие метода двойного радиооптического магнитного резонанса с целью снижения систематической составляющейнеопределенностиизмерениймагнитной индукции до уровня случайной. В настоящее время соотношениеэтихкомпонентпогрешностиизмеренийдля эталонного гелий-цезиевого магнитометра составляет порядка 30/1, что является потенциальным резервом повышения точности измерений базовой единицы магнитных измерений.

Ещеоднонаправлениедальнейшегоразвития – созданиеиндукционногокомпаратора, которыйпредназначен дляметрологическогообеспечениянеохваченнойдосих поробластииспытаниймагнитныхматериалов, используемых в важнейших отраслях экономики.

Принцип действия

Созданный эталон воспроизводит единицу магнитной индукции (B(=)) – теслу, опираясь на гиромагнитное отношение протона – γ’Р, гиромагнитное отношение атомовгелия-4 – γНе4 иметоддвойногорадиооптического магнитного резонанса.

ГеометрическаяпостояннаяKB(=) катушкимагнитной индукции на постоянном токе – I определяется на основании уравнения KB=(B(=) /I)=(ω/γНе4)·R/U с помощью средств измерений эталонов электрических единиц напряжения (U) и сопротивления (R), входящих в состав данного нового первичного эталона. Коэффициент преобразования – постоянная KB(≈) катушки магнитной индукциипеременногополя– определяетсянапостоянном токе аналогично, с введением для области переменных полей до 20 кГц расчетного (менее 0,5%) поправочного члена, который зависит от частоты.

Для магнитного потока Фи впервые вводимой новой величины – градиента магнитной индукции Gm применяется расчет константы эталонных соленоидов KФ и KG через экспериментально измеряемые геометрические параметры их обмоток.

Константа эталонной меры магнитного момента Km определяется экспериментально в соответствии с теоретической связью между магнитным потоком, индукцией и моментом из соотношения KФ=KB·Km, что оказывается возможным благодаря созданию эталонного веберметра нового типа. Взаимосвязь Ф = (B·Pm)/I, впервые реализована на эталонном уровне точности на постоянном токе, что необходимо для воспроизведения единицы магнитного момента.

Таким образом, усовершенствованный эталон предполагает воспроизведение размеров единиц магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и градиента магнитной индукции на основе следующих уравнений:

B(=) = ω/γНе4; KB(=)=B/I; B(≈) = KB(≈)·I(~); Ф = KФ·I; Pm =( KФ /KB) ·I; Gm = KG·I,

причем требования к точности измерений геометрических параметров катушек с целью расчета их геометрических постоянных KФ и Gm обеспечиваются намного проще, чем это было в случае действующих эталонов. Для мер магнитной индукции и магнитного момента такие измерения теперь не требуются, а для катушек магнитного потока и катушек градиента магнитной индукции требования к точности измерений на 2–3 десятичных порядка ниже.

Вразработанном первичном эталоне, так же как и

вГЭТ 12-91, нет необходимости воспроизведения соб-

ственномагнитнойиндукциипеременногополяB(≈), так каквпрактикемагнитныхизмеренийвнастоящеевремя не существуют и не требуются прецизионные магнитометры переменного поля, сопоставимые по точности с эталоном этой величины. В разработанном эталоне воспроизводятся и передаются вторичным и разрядным рабочим эталонам единицы отношения магнитной индукции переменного поля к силе тока.

Научно-техническая реализация воспроизведения и передачи размера Тл постоянного поля осуществляется с применением эталонной трехкомпонентной мерыкомпаратора средств измерений магнитной индукции (МИ) постоянного поля при полной автоматической компенсации магнитного поля Земли.

ЭтажеизмерительнаясистемаосуществляетпередачуразмераТл/Анапостоянномтоке, тоестьопределение константпреобразования(постоянных) КВ мерМИ, применяемых как на постоянном, так и переменном токе.

Структура созданного государственного первичного эталонаединицмагнитнойиндукции, магнитногопотока, магнитного момента и градиента магнитной индукции

исхема его взаимосвязи с эталонами других областей измерений, а также вторичными и рабочими эталонами единиц магнитных величин представлена на рис. 1. Структура эталона выделена пунктирной рамкой.

Общий вид эталонного измерительного комплекса представлен на рис. 2.

Эталонный комплекс предназначен для передачи размера Тл и Тл/A наиболее прецизионным средствам измерений (в том числе квантовым геомагнитометрам)

врасширенном геомагнитном диапазоне от 1 мкTл до

1 мTл.

Измерительная система комплекса основана на применении двух гелий-цезиевых магнитометров ЭГМ-1 и ЭГМ-2, эталонныхкварцевыхсоленоидовС4-2 иЭСТВ, питаемых квантовой мерой тока КМТ, трехкомпонентной меры-компаратора ЭТМК, автоматической системы компенсации вариаций магнитного поля Земли (МПЗ)

ввиде однообъемного однокомпонентного и трех компонентного двухобъемного атомно-резонансного контроллеров МП. Эталонные кварцевые соленоиды С4-2

иЭСТВ предназначены для передачи размеров единиц Тл и Тл/A в составе ЭТМК в верхней части диапазона измерений – от 0,1 мТл до 1 мТл.

Передача размера Тл в данной, наиболее востребованной и требующей наибольшей точности, области магнитных измерений сопряжена с большими научнотехническимитрудностями. Этосвязанностем, чтовоспроизводимаяМИвнижнейчастидиапазонаизмерений в пять тысяч раз ниже уровня магнитных помех в виде изменяющегося магнитного поля Земли и техногенных источниковМП, авверхнейчасти – большеэтогоуровня только в 20 раз. Это определяет сложность и состав эталонныхсредствизмерений, таккак, например, наиболее прецизионные квантовые магнитометры должны быть откалиброваны с неопределенностью не более 1·10-6.

Предусмотренофункционированиеэталонноймерыкомпараторавдвухрежимах, взависимостиоттребуемогопараметравоспроизводимойМИитипакалибруемого средства измерения.

Длявоспроизведенияснаивысшейточностьюмодуля МИикалибровкискалярныхквантовыхмагнитометровв диапазоне от 1 до 110 мкТл применяется измерительная системасоднообъемнымстабилизаторомМИ. Приэтом датчики эталонного или калибруемого магнитометров разновременно помещаются в рабочее пространство основной трехкомпонентной меры (КМИ) вместе с датчиком контроллера МИ.

Для калибровки мер МИ и компонентных магнитометров в диапазоне от 1 мкТл до 1·10-3 Тл применяется двухобъемный АМР-компенсатор вариаций МПЗ. При таком способе воспроизведения МИ датчики АМРкомпенсаторов вариаций компонент МПЗ размещаются во вспомогательных двухкомпонентных системах

катушекМИ, удаленныхотосновногорабочегопространства на 30 м, а датчики эталонного или калибруемого магнитометров попеременно помещаются в рабочее пространствоосновнойтрехкомпонентнойкатушкиМИ.

ОсновнойтрехкомпонентныйисточникМПмерыМИ [5, 9] содержит три КМИ с совмещенными центрами, магнитныеосикоторыхвзаимноперпендикулярны, причемоднаизнихориентированапоместной вертикали, а две других горизонтально – по магнитному меридиану и перпендикулярно ему.

Однообъемныйстабилизатормагнитнойиндукциив комплектесэталоннымгелий-цезиевыммагнитометром ЭГМприменяетсядляповеркиикалибровкискалярных квантовыхмагнитометроввдиапазонеот1 до110 мкТл.

МетодпередачиразмераТлоснованнаразновременномсличенииэталонногоикалибруемогомагнитометров в стабилизированном магнитном поле. Передача размера Тл/A осуществляется при условии прецизионной компенсации внешнего магнитного поля путем прямых измеренийэталонныммагнитометромМИ, воспроизводимоймеройпритокевееобмотке, генерируемомКМТ, либосличениемконстанткалибруемойиэталонноймер МИ посредством магнитометра ЭГМ при идентичном токе в их обмотках.

Методики выполнения измерений и средства измерений, применяемые при передаче размера единицы в данной области измерений, установлены «Правилами хранения и применения» данного эталона, Методикой ВНИИМСК03-2205-МК-01-Тиобщегосударственными методическими указаниями МИ 166-78 и РД 50-487-84.

Метрологические и технические характеристики, состав эталона

Всостав государственного первичного эталона входят следующие средства измерений: эталонные ге- лий-цезиевыеатомно-резонансныемагнитометрыЭГМ, эталонный4-секционныйсоленоидмагнитнойиндукции С4-2, эталонный соленоид градиента магнитной индукции ЭСГМИ-1, эталонный двухшаговый соленоид магнитнойиндукцииЭСТВ, квантоваямерапостоянного тока – КМТ, эталонныйсоленоидмагнитнойиндукциии магнитногопотока– КС-4, эталоннаятрехкомпонентная мера-компаратор средств измерений магнитной индукции постоянного поля, эталонный компаратор средств измерениймагнитнойиндукциипеременногомагнитного поля, эталонныйкомпараторсредствизмерениймагнитного потока и магнитного момента.

Врезультате выполненных теоретических и экспериментальных исследований установлены следующие основные метрологические характеристики эталона:

–магнитная индукция постоянного поля: диапазоны 1·10-6–1·10-3 Тл; СКО 2·10-6–5·10-8; неортогональность угловмеждумагнитнымиосямитрехкомпонентныхмер магнитной индукции 2’’;

–магнитнаяиндукцияпеременногополяпричастотах 1-20000 Гц в диапазоне

1·10-6–1·10-2 Тл/А, СКО 1·10-3–7·10-5;

–магнитный поток в диапазоне 5·10-6–3·10-2 Вб, СКО

1·10-2–5·10-6;

–магнитныймоментвдиапазоне3·10-4– 20 Ам2, СКО

1·10-3–1·10-5;

–градиент магнитной индукции в диапазоне

1·10-5–1·10-1 Тл/м, СКО 1·10-2–1·10-3.

Назначение и область применения

Государственныйпервичныйэталонединицмагнитных величин (ГЭТ 12-2011) предназначен для обеспечения единства и достоверности измерений магнитной индукции(МИ), магнитногопотока, магнитногомомента, градиента магнитной индукции, магнитных параметров материалов и изделий.

Измерение физических величин, характеризующих магнитное поле естественных и технических объектов, имеет применение во многих важных для человеческой деятельности областях. К ним относятся:

–фундаментальная наука, например при поиске постоянногоэлектрическогодипольногомоментанейтрона

идр.;

–планетарная геофизика, для изучения физической природы земного магнетизма, предсказание землетрясений;

–аэрономия, для изучения солнечно-земных связей, их влияния на распространение радиоволн;

–изучение магнитных полей в ближнем и дальнем космосе;

–археология и палеонтология;

–разведочная геофизика при поиске полезных ископаемых и оценке сырьевых ресурсов;

–поискскрытыхтехническихобъектовсцельютрассирования трубопроводов, объектов военной техники, в охранных целях и т. д.;

–перспективныевооружения, военнаяиспециальная техника;

–решение проблем бесконтактного определения качества и технических параметров изделий промышленности;

–решенияпроблемэлектромагнитнойсовместимости;

–осуществление морской и аэрокосмической навигации;

–решение экологических вопросов, связанных с влияниемначеловекамагнитныхполейэнергоемкихтехнических объектов и полей гипомагнитного диапазона;

–исследованиемагнитныхполейчеловекаивоздействия на него магнитных полей с целью медицинской диагностики.

Основные научные результаты, уникальность и преимущество

Высокие метрологические характеристики эталона достигнуты благодаря реализации в данной работе следующих новых научно-технических данных и разработок:

– определения гиромагнитного отношения атомов гелия-4 повышенной точности, создание эталонных гелиевыхмагнитометровиквантовоймерытоканаоснове компьютерных технологий;