Измерение токов методом ядерного магнитного резонанса

Измерение токов методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основано на измерении частоты прецессии атомных ядер, в магнитном поле, создаваемом измеряемым током. Как известно, метод ЯМР является наиболее точным методом измерения магнитной индукции однородных постоянных магнитных полей, обеспечивающим измерения с погрешностью 0,001 % и менее. Для того чтобы сохранить высокую точность метода ЯМР при его использовании для измерения постоянных токов, необходимо преобразовать измеряемый ток в индукцию однородного магнитного поля с помощью устройства, параметры которого поддаются точному теоретическому расчету или могут быть точно определены экспериментально. На рис. 2-62, а показана схема цифрового килоамперметра, основанного на использовании метода ЯМР. Преобразователь измеряемого тока в пропорциональную ему индукцию однородного магнитного поля представляет собой цилиндрическую шину 1 с эксцентрически расположенным воздушным каналом 2, в центральной части которого установлен датчик ЯМР 4, включенный на вход автоматического измерительного устройства ЯМР 3 с цифровым отсчётом.

Магнитное поле в воздушном канале при равномерном распределении тока по сечению шины является однородным и может быть теоретически точно рассчитано. Поскольку в таком преобразователе отсутствуют ферромагнитные материалы, магнитная индукция в канале линейно зависит от измеряемого тока. Коэффициент преобразования можно просто определить, если принять, что магнитная проницаемость материала преобразователя равна проницаемости воздуха, а вектор плотности тока имеет составляющую, параллельную оси преобразователя.

Рис. 2-62

Если шина выполнена из материала с магнитной проницаемостью μ₀, то магнитное поле в воздушном канале можно, пользуясь принципом суперпозиции, рассматривать как поле, создаваемое двумя токами: током с плотностью J, протекающим через все сечение, и током с плотностью -J, протекающим только через сечение воздушного канала.

Электрофизические методы

Электрофизические методы основаны на использовании стабильных физических эффектов и явлений, имеющих место при взаимодействии электромагнитных полей с частицами вещества (молекулы, ионы, электроны, атомные ядра). Такие методы обеспечивают высокоточные абсолютные измерения токов и напряжений, результаты которых не зависят от внешних факторов, если взаимодействия происходят на атомном или ядерном уровнях. Непосредственно измеряемой величиной при использовании электрофизических методов обычно является время, частота или длина, воспроизведение и измерение которых выполняются с наибольшей точностью. Кроме того, связь между определяемыми физическими величинами и непосредственно измеряемыми величинами пространства и времени при использовании большинства электрофизических методов устанавливается физическими закономерностями, в которых в качестве коэффициентов связи используются фундаментальные физические константы.

Газоразрядный метод. Газоразрядный метод измерений максимальных значений постоянных, переменных и импульсных напряжений основан на возникновении самостоятельного газового разряда (пробоя) в электрическом поле. При соблюдении нормированных внешних условий и заданных размеров и формы электродов существует стабильная зависимость между напряжением, при котором происходит разряд, и расстоянием между электродами. Для воздуха при атмосферном давлении напряженность электрического поля, при которой наступает самостоятельный разряд, составляет 30 кВ/см.

Наиболее распространенными измерительными устройствами, основанными на рассматриваемом методе, являются шаровые разрядники со сферическими электродами, для которых составлены таблицы разрядных напряжений в зависимости от диаметров шаров и расстояний между ними с учетом атмосферных условий. Измеряемая разрядником амплитуда импульсных напряжений зависит от полярности импульсов, что учитывается в таблицах (ГОСТ 17512 – 82). Для ограничения тока при пробое разрядника используется ограничительный резистор с сопротивлением R=104…105 Ом, значение которого зависит от емкости разрядника. Сопротивление и емкость разрядника образуют делитель напряжения с зависимым от частоты коэффициентом деления. Во всех случаях необходимо, чтобы R<<1/(ωС), т.е. коэффициент деления отличался от единицы в пределах заданной погрешности измерения.

Рассмотренный метод обеспечивает измерение высоких постоянных, переменных и импульсных напряжений с погрешностью 2–10%. На точность измерения кроме климатических условий влияют наличие ионизирующих излучений, внешних полей и объектов, находящихся под потенциалом Земли, запыленность окружающей среды Менее чувствительны к внешнему окружению разрядники с электродами в виде перекрещивающихся цилиндров.

Измерение высоких и сверхвысоких напряжений с помощью шаровых разрядников является одним из старейших и не очень точных, но, тем не менее, наиболее распространенным методом измерений в лабораторных условиях, что объясняется его относительной простотой и практически неограниченным верхним пределом измерений.

Метод ускорения заряженных частиц. Основан на измерении кинетической энергии частиц, ускоряемых измеряемым напряжением. Устройства, основанные на этом методе, обычно состоят из ускорителя заряженных частиц и анализатора энергии с измерительным устройством. Если электрон ускоряется напряжением U_x, то он приобретает кинетическую энергию:

M₀υ²/2=eU_x,

где M₀ – масса покоя электрона; υ – его скорость; е – заряд электрона.

Значение измеряемого напряжения определяется из выражения:

U_x=m₀^υ2/(2e).

Таким образом, для определения напряжения необходимо измерить энергию или скорость заряженных частиц. Для этого применяются различные способы и приборы: времяпролетный, тормозного излучения, дифракция электронов на кристаллической решетке, а также магнитные и электростатические анализаторы и др. В качестве ускоряемых частиц лучше всего использовать электроны, так как электронные пучки можно получить с узким энергетическим спектром. Вместо скорости электрона можно измерять длину волны электрона.

Рассматриваемый метод позволяет измерять высокие напряжения с погрешностью 0,1 %. Скорость электронов можно определять времяпролетным методом, который, в частности, используется в динамических масс-спектрометрах.

Метод резонансных ядерных реакций. Основан на определении измеряемого напряжения по энергии протонов или дейтронов, вызывающих ядерные реакции.

Если легкие атомные ядра облучать ускоренными измеряемым напряжением частицами (протоны, дейтроны), то при определенной энергии этих частиц будет происходить ядерная реакция, максимум эффективного сечения которой имеет резонансный характер.

Существуют другие способы точного определения высоких напряжений по моменту возникновения ядерных реакций. Например, напряжение 1022 кВ можно точно определить по энергии возникновения электронно-позитронных пар, которая точно теоретически рассчитывается.