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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes mit wenigstens einem Spulensystem, dessen Achse parallel zur Kante eines Quaders verläuft und dessen elektrisch leitende Drähte oder Bänder die zu dieser Kante parallelen Flächen des Quaders belegen.
Homogene Magnetfelder werden beispielsweise benötigt, um hochempfindliche Messungen und Eichungen z. B. an Magnetometern für Raumfluganwendungen durchführen zu können. Zur Vermeidung von Störeinflüssen von umgebenden Fremdfeldern, die die Messgenauigkeit erheblich beeinträchtigen können, werden dabei häufig zusätzliche magnetische Abschirmungen vorgesehen.
Bei den störenden Fremdfeldern kann es sich sowohl um statische magnetische Felder, wie beispielsweise das magnetische Gleichfeld der Erde, als auch um magnetische Wechselfelder unterschiedlicher Stärke handeln. Besonders kritisch sind im allgemeinen jene magnetischen Störungen, die im Bereich der Netzfrequenz und deren Oberschwingungen auftreten.
Um diese elektromagnetische Störfelder niedriger und mittlerer Frequenz von empfindlichen Geräten fernzuhalten, genügt es nicht, Drahtgeflechte oder Bleche aus elektrisch leitenden Materialien, wie diese z. B. aus den DE-PS Nr. 973052 und Nr. 975477 und den US-PS Nr. 3, 147, 336 und Nr. 3, 508, 265 bekannt sind, zur Abschirmung zu verwenden, da diese gegen magnetische Störungen erst bei relativ hohen Frequenzen (grösser 20 kHz) wirksam werden und bei tiefen Frequenzen nur auf die elektrische Komponente ansprechen. Um eine hinreichende Schwächung der magnetischen Komponente ansprechen. Um eine hinreichende Schwächung der magnetischen Komponente des Störfeldes zu erreichen, ist es erforderlich, magnetische Werkstoffe hoher Permeabilität für die Abschir-
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der Eisengehalt mindestens 9 Gew.-% beträgt.
Zur Herstellung weitgehend magnetfeldfreier Räume ist es bereits bekannt, in Richtung jeder der drei Raumkoordinaten Spulensysteme anzuordnen. Mit diesen Spulensystemen können Magnetfelder erzeugt werden, die den auftretenden Störfeldern entgegengerichtet sind und diese zu Null kompensieren. Von den Signalen entsprechend im Störfeld angeordneter Sonden werden Ströme abgeleitet, die den kompensierenden Spulen zufliessen. Jede Änderung des Störfeldes äussert sich in einer Änderung des Gegenfeldes, das vom Spulensystem aufgebaut wird. Unabhängig davon ist aus der DE-OS 2146071 auch eine aus mindestens zwei übereinanderliegenden Teilschichten eines hochpermeablen Werkstoffes bestehende quaderförmige Abschirmhülle bekannt. Mit einem weiteren Spulensystem ist es zwar möglich, homogene Magnetfelder innerhalb dieses abgeschirmten Raumes zu erzeugen [Techn. Mitt.
AEG-Telefunken, 60 (1970), Seiten 90 und 91]. Es ist jedoch schwierig, unerwünschte Rückwirkungen der einzelnen Spulensysteme auf die Sonden zu vermeiden ; ausserdem sind erhebliche Aufwendungen erforderlich, um die notwendige Kostanz der Regelkreise zu erreichen. In ungünstigen Fällen kann sogar durch Rückkopplungseffekte ein Aufschaufeln der Störungen bewirkt werden.
Es wurde bisher bei der Erzeugung definierter Magnetfelder davon ausgegangen, dass die betreffenden Spulen bzw. Spulensysteme einen ausreichenden Abstand von den Wänden des Abschirmraumes aufweisen müssen, um den Feldverlauf des Spulensystems nicht zu verändern.
Anderseits ist es jedoch auch möglich, eine Homogenisierung des Feldes durch sinnvolle Anwendung entsprechender weichmagnetischer Rückschlüsse zu bewirken. Bekannt sind solche Verfahren bisher aber nur für den Fall kreiszylinderförmiger Anordnungen (vgl. z. B. E. Durand"Magnétostatique", Paris 1968, Seite 544).
Geht man davon aus, dass z. B. innerhalb eines Helmholtzspulensystems nur ein kleiner Volumenanteil die Homogenitätsbedingungen erfüllt und ausserdem dieses Spulensystem wieder in grossem Abstand von der Abschirmhülle gehalten werden muss, um Rückwirkungen zu vermeiden, so kommt man zu sehr grossen Abschirmräumen bei einem relativ kleinen homogenen Nutzraum. So wird in der bereits zitierten Veröffentlichung"Magnetfeldsimulationsanlagen für Satelliten" [Techn. Mitt. AEG-Telefunken 60 (1970), Seiten 90 und 91] für den Fall eines Braunbek-Quadratspulensystems darauf hingewiesen, dass man einen Spulendurchmesser von etwa 15 m benötigt, um eine Homogenitätszone von 3 m Durchmesser zu erhalten ; es kann also nur der fünfte Teil der Lineardimension der Spule wirksam als homogener Feldbereich genutzt werden.
Arbeitet man hingegen nicht mit der Kompensationsmethode, sondern mit einer Abschirmhülle aus hochpermeablem Material, dann sollte die Abmessung dieser Hülle nach den bisherigen Vor-
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stellungen noch gross gegen die Spulenabmessung sein.
Da der Aufwand für die Abschirmhülle mit der dritten Potenz der Linearabmessungen wächst, sind derartige Projekte bisher technisch nicht realisiert worden. Zusätzlich ist hiebei noch zu berücksichtigen, dass mit der Vergrösserung der Lineardimension der Abschirmhülle auch die Materialdicke des verwendeten Materials entsprechend erhöht werden muss, um einen ausreichenden Abschirmfaktor zu erhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei welcher der Raum innerhalb des Spulensystems, insbesondere ein Raum mit Linearabmessungen grösser als 1 m, vollständig als homogener Feldbereich genutzt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes mit wenigstens einem Spulensystem, dessen Achse parallel zur Kante eines Quaders verläuft und dessen elektrisch leitende Drähte oder Bänder die zu dieser Kante parallelen Flächen des Quaders belegen, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die elektrisch leitenden Drähte oder Bänder des Spulensystems die zu dieser Kante parallelen Innenflächen einer an sich bekannten quaderförmigen Abschirmhülle aus mindestens zwei kreuzweise übereinanderliegenden, aus Bändern eines hochpermeablen Werkstoffes bestehenden Teilschichten gleichmässig belegen.
Der Aufbau der Abschirmhülle aus zwei kreuzweise verlegten Teilschichtsystemen hat den Vorteil, dass durch die hiemit erzielte maximale Überlappung ein günstiger Verlauf des magnetischen Flusses längs der einzelnen Bahnen erreicht und damit die hohe Permeabilität weichmagnetischer Werkstoffe wirksam ausgenutzt wird. Da sich jedes Magnetfeld in der Schichtebene in zwei senkrecht zueinanderstehende Komponenten aufspalten lässt, läuft der magnetische Fluss stets in günstigen Richtungen mit einem Minimum an Luftspalten, so dass in allen Richtungen des abgeschirmten Raumes hohe Abschirmfaktoren erreicht werden.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung liegt ferner darin, dass mit Hilfe des Spulensystems innerhalb der gesamten Abschirmhülle homogene magnetische Felder erzeugt werden können. Durch den günstigen Rückschluss über die Abschirmwände besitzt das gesamte System eine Feldverteilung mit hoher Homogenität.
Sind weitere Spulensysteme aus parallel verlaufenden Drähten oder Bändern vorgesehen, so werden diese vorteilhaft derart angeordnet, dass die Spulenachsen jeweils senkrecht zueinander stehen. Mit drei derartigen Spulensystemen ist es möglich, homogene Magnetfelder vorgegebener Richtung und Grösse zu erzeugen.
Die Wirksamkeit einer derartigen erfindungsgemässen Spulenbelegung zur Herstellung eines homogenen Magnetfeldes in einem kubischen oder quaderförmigen Abschirmraum beruht auf folgenden theoretischen Überlegungen :
Potentialfelder sind durch ihre Werte auf einer Berandung vollständig gegeben. Gelingt es nun, auf den Seitenflächen des Abschirmraumes die Potential- bzw. Feldverteilung entsprechend der eines unendlich ausgedehnten homogenen Feldes zu schaffen, so muss auch im Innern des Raumes ein homogenes Feld vorliegen.
Belegt man zunächst nur die zu einer der Kanten des betrachteten Raumes (Richung a) parallelen Seiten von der Innenseite der Abschirmwände her gleichmässig mit einem Stromleitersystem aus parallelen Drähten, so kann durch einen entsprechenden Strom durch diese Spulenbelegung (Spulenachse parallel zu a) ein konstanter Gradient des magnetischen Potentials im Innenraum des Spulensystems längs der vier zugehörigen Seitenflächen erzeugt werden, wenn man von den geringfügigen Feldabweichungen absieht, die durch die Leiterverteilung bedingt sind.
Auf die beiden begrenzenden Flächen senkrecht zu a treffen die Feldlinien senkrecht auf,
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den Strom eingestellten Feldstärke voll und ohne Sättigungseffekt aufgenommen werden kann.
Unter diesen Bedingungen können die Abschirmwände senkrecht zu a als Flächen konstanten magnetischen Potentials aufgefasst werden. Das magnetische Feld H. im Innern der Abschirmung ergibt sich dann unmittelbar aus der Stromdichte i der Spulenbelegung.
Berücksichtigt man den endlichen Permeabilitätswert weichmagnetischen Materials, so sind kleine Abweichungen möglich. Auch die Hystereseeigenschaften können bei grösseren Aussteuerungen
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geringfügig wirksam werden. In Anbetracht der für diesen Magnetkreis wirksamen starken Scherung mit einer Luftstrecke über die gesamte Raumabmessung, können diese Effekte indessen bei Werkstoffen mit genügend geringen Koerzitivfeldstärken (hohe Aussteuerung) bzw. kleinen Rayleigh-Konstanten (kleine Aussteuerung) vernachlässigt werden. Durch eine geeignete Wechselfeld-Idealisierung können auch diese im allgemeinen vernachlässigbaren Effekte eliminiert werden.
Erweitert man nun dieses System auf die drei zueinander senkrecht stehenden Richtungen des Abschirmraumes mit entsprechenden, dreifach ineinander geschachtelten homogenen auf den Innenwänden verlegten Spulensystemen, so lassen sich homogene Magnetfelder beliebiger Orientierung im Innern des Abschirmraumes erzeugen.
Der Innenraum kann dabei nahezu vollständig genutzt werden, da Abweichungen erst in unmittelbarer Nähe der Begrenzungsflächen infolge der Windungsunterteilung wirksam werden, die im Prinzip beliebig fein gewählt werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes mit wenigstens einem Spulensystem, dessen Achse parallel zur Kante eines Quaders verläuft und dessen elektrisch leitende Drähte oder Bänder die zu dieser Kante parallelen Flächen des Quaders belegen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Drähte oder Bänder des Spulensystems die zu dieser Kante parallelen Innenflächen einer an sich bekannten quaderförmigen Abschirmhülle aus mindestens zwei kreuzweise übereinanderliegenden, aus Bändern eines hochpermeablen Werkstoffes bestehenden Teilschichten gleichmässig belegen.