Расширение диапазона воспроизведения и передачи единицы измерения магнитной индукции постоянного поля от ГЭТ12-2011 в область «сверхслабых» полей

Аннотация. Статья посвящена вопросу расширения диапазона воспроизведения и передачи магнитной индукции постоянного поля от Государственного Первичного Эталона в область «сверхслабых» полей. Описываются используемые при передаче размера единицы техника и методика.

Ключевые слова: магнитная индукция; эталон; мера; магнитометр; компаратор; контроллер; атомный магнитный резонанс.

Метрологическое обеспечение магнитных измерений в стране опирается на разработанные во ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева государственный первичный эталон ГЭТ12-2011 единиц магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и градиента магнитной индукции.

В области измерений магнитной индукции постоянного поля (МИ) государственный первичный эталон ГЭТ12-2011 обеспечивает воспроизведение и прямую передачу размера Тл в диапазоне от 1∙10^-6 до 1∙10^-3 Тл с суммарной стандартной неопределённостью 3×10^-5 - 2×10^-7, соответственно [1].

Актуальность расширение нижнего предела диапазона воспроиз­ведения и передачи размера единицы на два порядка (от 1000 нТл до 10 нТл) связана с запросами научных и производственных организаций на метрологическое обеспечение измерений в космическом пространстве, в электромагнитных экранирующих системах, в том числе, в области контроля правил и норм СанПин надзора «Гипомагнитных полей в производственных, жилых и общественных зданиях и сооружениях» (ГОСТ Р 51724).

Реализация задачи передачи размера единицы МИ в область изме­рений величин до 5000 раз меньших естественного фона магнитного поля Земли (МПЗ), оказалась возможной благодаря разработке методики точной компенсации и контроля «нуля» поля, обеспечения на его базе заданных величин МИ в пределах ± 1000 нТл путём нормированного сдвига опорных частот фазового компаратора атомно-резонансного стабилизатора МИ и разработке программного обеспечения процесса измерений [2].

Методика и техника данной задачи реализуется на базе расширения функциональных возможностей эталонной трехкомпонентной меры - компаратора средств измерений магнитной индукции постоянного поля ЭТМК и эталонного гелий-цезиевого магнитометра ЭГМ из состава государственного первичного эталона единиц магнитных величин ГЭТ 12-2011.

Разработанная структурная схема части эталонного измеритель­ного комплекса в расширенной части диапазона МИ представлена на рисунке 1.

В соответствии с исходным назначением эталонный комплекс осуществляет передачу размера Тл и Тл/A наиболее прецизионным средствам измерений (в том числе квантовым геомагнитометрам) в расширенном геомагнитном диапазоне от 1 мкTл до 1 мTл.

Измерительная система [1] основана на применении следующих эталонных компонент: гелий-цезиевого магнитометра ЭГМ, трёхком­понентной меры-компаратора ЭТМК, кварцевого соленоида, питаемого квантовой мерой тока КМТ, автоматической системы компенсации вариаций магнитного поля Земли (МПЗ) в виде одно объёмного однокомпонентного, и трёх компонентного двух-объёмного атомно-резонансного контроллеров МП. Эталонный кварцевый соленоид предназначен для передачи размеров единиц Тл и Тл/A в верхней части диапазона измерений – от 0,1 мТл до 1 мТл.

Рисунок 1. Структурная схема эталонной измерительной системы воспроизведения и передачи размера Тл из состава государственного первичного эталона единиц магнитных величин ГЭТ 12-2011

Расширение принятых при утверждении эталона функцио­нальных возможностей и диапазона измерений эталонного комплекса на два порядка в нижней части диапазона, реализовано посредством разработанной методики контроля поля меры ЭТМК гелий-цезиевым магнитометром ЭГМ, аппаратурной модернизацией двух-объёмного атомно-резонансного контроллера магнитного поля и соответствующего программного обеспечения.

Процедура измерений при воспроизведении МИ в диапазоне 10 – 1000 нТл включает в себя одновременное действие двух функцио­нальных программированных процедур: контроля тока для обеспечения полной компенсации внешнего магнитного поля (условие поддержания «0» МИ) и обеспечение на этом фоне заданных приращений МИ в диапазоне ± 1000 нТл посредством программируемого смещения уровня стабилизируемой магнитной индукции двух-объёмного атомно-резонансного контроллера магнитного поля.

Для оптимизации методики измерений и расширения рабочего диапазона были разработан усовершенствованный фазовый компаратор частоты (ФКЧ) атомного магнитного резонанса (АМР) двух-объёмной системы компенсации вариаций магнитного поля Земли.

Процедура калибровки измерительной системы в диапазоне «0» ± 1000 нТл включает в себя следующие этапы.

1. Автоматическую компенсацию магнитного поля Земли в рабочей области меры-компаратора ЭТМК трёхкомпонентным двух-объёмным атомно-резонансным контроллером МИ. Контроль уровня вертикальной компоненты - В_Z0 в центре рабочего объёма меры-компаратора ЭТМК при автоматической компенсации двух ортого­нальных поперечных компонент В_Н0 В_D0.

2. Измерение эталонным магнитометром ЭГМ стабилизированного уровня МИ В_Z0.

3. Воспроизведение по показаниям ЭГМ удвоенной величины МИ - 2В_Z0 путем подбора соответствующего тока I_ZO, пропускаемого по обмотке К_Z вертикальной компоненты меры ЭТМК.

4. Фиксация тока компенсации I_ZO мультиметром Agilent 3458A через измерение электрического напряжения, создаваемого током I_ZO на мере сопротивления 1Ω. Применение специальной компьютерной программы автоматического поддержания нулевого поля посредством подачи управляющего напряжения на источник тока компенсации компоненты В_Z0, поддерживающий постоянное значение тока I_ZO в системе.

Одновременно с мультиметром Agilent 3458A, компьютерная программа управляет синтезатором опорных частот фазового компара­тора частот АМР компоненты В_Z, что позволяет генерировать заданное приращение МИ В_Zi относительно поддерживаемого «0» поля в пределах ± 1000 нТл.

5. В_Z0 и В_Zi калибруются посредством измерений эталонным магнитометром ЭГМ при направлении МИ в обмотке К_Z противо­положном направлению МПЗ. Заданные величины МИ рассчитываются как разность В_Zi = (2В_Z0 + В_Zi) - 2В_Z0.

6. Для выполнения калибровочных работ устанавливается рабочее положение направления тока в обмотке К_Z соответствующее полной компенсации МПЗ при токе I_ZO.

При этом контроль величины воспроизводимой МИ дополнительно осуществляется прямым измерением эталонным магнитометром ЭГМ МИ на верхнем пределе диапазона ± 1000 нТл.

Воспроизведение заданных значений МИ выполнялись в два этапа.

На первом этапе посредством эталонного магнитометра ЭГМ, по разработанной методике, была определена сила тока полной компенсации магнитного поля Земли (МПЗ) I_Z0 = 328,588 мА при опорной частоте фазового детектора f _iZ 175500 Гц.

На втором этапе, заданные приращения МИ (B _{iZ номин}) относительно удвоенного «0» поля воспроизводились, в диапазоне от 0 до ± 1000 нТл, путём соответствующих приращений опорной частоты (f _iZ) фазового компаратора частот квантовой системы воспроизведения МИ. Величины приращений рассчитывались как разность В_Zi = (2В_Z0 + В_Zi) - 2В_Z0.

При оценке бюджета неопределенности было получено, что суммарная неопределённость при доверительной вероятности Р = 0,95 составляет 0,24 нТл.