RU213362U1

RU213362U1 - Magnetic field stabilization device

Info

Publication number: RU213362U1
Application number: RU2021135657U
Authority: RU
Inventors: Илья Владимирович Заливако; Александр Станиславович Борисеко; Михаил Дмитриевич Аксёнов; Илья Александрович Семериков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий"
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2022-09-07

Abstract

Полезная модель относится к магнитометрическим системам управления и предназначена для снижения влияния внешних магнитных полей на магниточувствительные физические и биологические системы. Требуемый технический результат, который заключается в повышении качества и эффективности работы, достигается в устройстве, содержащем трехкомпонентный феррозондовый магнитометр, три пары катушек в Геймгольцовской конфигурации, причем трехкомпонентный феррозондовый магнитометр выполнен стержневым, а оси первой, второй, третьей пар катушек Гельмгольца образуют трехосную ортогональную систему, в которой центр рабочего объема находится в точке пересечения осей, и рабочий объем является единым для объекта магнитного воздействия катушек и трехкомпонентного феррозондового магнитометра, причем соосно и вплотную сзади по отношению к рабочему объему к каждой из трех пар катушек Гельмгольца установлена дополнительная пара катушек такого же диаметра с меньшим числом витков, а управляющий сигнал для основных и дополнительных пар катушек формируется раздельно из сигналов с ферромагнитных зондов из состава трехкомпонентного феррозондового магнитометра. 3 ил.

The utility model relates to magnetometric control systems and is designed to reduce the effect of external magnetic fields on magnetically sensitive physical and biological systems. The required technical result, which is to improve the quality and efficiency of work, is achieved in a device containing a three-component fluxgate magnetometer, three pairs of coils in the Heimholtz configuration, and the three-component fluxgate magnetometer is made of a rod, and the axes of the first, second, third pairs of Helmholtz coils form a triaxial orthogonal system , in which the center of the working volume is at the point of intersection of the axes, and the working volume is the same for the object of magnetic action of the coils and the three-component fluxgate magnetometer, and coaxially and closely behind with respect to the working volume, to each of the three pairs of Helmholtz coils, an additional pair of coils of the same diameter with a smaller number of turns, and the control signal for the main and additional pairs of coils is formed separately from the signals from the ferromagnetic probes of the three-component fluxgate magnetometer. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к магнитометрическим системам управления и предназначена для снижения влияния внешних магнитных полей на магниточувствительные физические и биологические системы.The utility model relates to magnetometric control systems and is designed to reduce the effect of external magnetic fields on magnetically sensitive physical and biological systems.

Известно устройство для стабилизации геомагнитного поля в рабочем объеме [SU 913290, G01R 33/02, 15.03.1982], содержащее основные и дополнительные катушки Гельмгольца, образующие основной и дополнительный рабочие объемы, и магнитометр, размещенный в дополнительном рабочем объеме, причем, каждая катушка основного рабочего объема соединена с соответствующей катушкой дополнительного рабочего объема, образуя пару, а также фильтры и усилители с зоной нечувствительности, при этом, каждый выход магнитометра, выполненного трехкомпонентным, присоединен через последовательно соединенные между собой фильтр и усилитель к соответствующей паре катушек Гельмгольца, а постоянные времени основных и дополнительных катушек Гельмгольца выбраны одинаковыми. A device for stabilizing the geomagnetic field in the working volume [SU 913290, G01R 33/02, 03/15/1982], containing the main and additional Helmholtz coils, forming the main and additional working volumes, and a magnetometer placed in the additional working volume, and each coil of the main working volume is connected to the corresponding coil of the additional working volume, forming a pair, as well as filters and amplifiers with a dead zone, while each output of the three-component magnetometer is connected through a filter and amplifier connected in series to the corresponding pair of Helmholtz coils, and constant the times of the main and additional Helmholtz coils are chosen to be the same.

Недостатком устройства является относительно низкая эффективность стабилизации.The disadvantage of the device is the relatively low stabilization efficiency.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является устройство для стабилизации геомагнитного поля в рабочем объеме [RU 2274870 C2, G01R 33/02, 20.04.2006], содержащее первую, вторую, третью пары катушек Гельмгольца и трехкомпонентный феррозондовый магнитометр, причем, трехкомпонентный феррозондовый магнитометр выполнен стержневым, а оси первой, второй, третьей пары катушек Гельмгольца образуют трехосную ортогональную систему, в которой центр рабочего объема находится в точке пересечения осей и рабочий объем является единым для объекта магнитного воздействия катушек и стержневого трехкомпонентного феррозондового магнитометра, так как оси полуэлементов каждого стержневого дифференциального феррозонда совпадают с соответствующими осями первой, второй, третьей пар катушек, а объем нормализованного магнитного поля Земли находится между разнесенными от точки пересечения осей полуэлементами стержневых дифференциальных феррозондов, при этом выход каждого стержневого дифференциального феррозонда подключен ко входу своего преобразователя информационного сигнала, содержащего последовательно соединенные фазовый детектор, фильтр низкой частоты и усилитель, подключенного к соответствующей паре катушек Гельмгольца для компенсации в рабочем объеме магнитных аномалий.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed is a device for stabilizing the geomagnetic field in the working volume [RU 2274870 C2, G01R 33/02, 20.04.2006], containing the first, second, third pairs of Helmholtz coils and a three-component fluxgate magnetometer, moreover, the three-component fluxgate magnetometer is made of a rod, and the axes of the first, second, third pairs of Helmholtz coils form a triaxial orthogonal system in which the center of the working volume is at the point of intersection of the axes and the working volume is the same for the object of magnetic action of the coils and the rod three-component fluxgate magnetometer, since the axes half-elements of each rod differential ferro-probe coincide with the corresponding axes of the first, second, third pairs of coils, and the volume of the normalized Earth's magnetic field is between the half-elements of rod differential ferro-probes spaced apart from the point of intersection of the axes, while the output of each of the rod differential fluxgate is connected to the input of its information signal converter containing a phase detector, a low-frequency filter and an amplifier connected in series, connected to the corresponding pair of Helmholtz coils to compensate for magnetic anomalies in the working volume.

Недостатком устройства является относительно узкий частотный диапазон его работы, что снижает качество и эффективность стабилизации.The disadvantage of the device is the relatively narrow frequency range of its operation, which reduces the quality and efficiency of stabilization.

Действительно, для генерации поля, сравнимого по уровню с полем Земли, и при наличии ограничений на максимальную мощность используемых источников тока, возникает необходимость использования катушек с большим количеством витков (нескольких сотен и более). При таком количестве витков в катушке частота среза амплитудно-частотной характеристики катушки лежит, как правило, в области от сотен герц до нескольких килогерц при характерных диаметрах катушек порядка десяти сантиметров, что ограничивает возможности по компенсации магнитных полей с частотами, выше указанных, хотя, при этом, используемые ферромагнитные датчики имеют возможность регистрации изменения магнитного поля с частотой до нескольких десятков килогерц.Indeed, to generate a field comparable in level to the Earth's field, and in the presence of restrictions on the maximum power of the current sources used, it becomes necessary to use coils with a large number of turns (several hundred or more). With such a number of turns in the coil, the cutoff frequency of the amplitude-frequency characteristic of the coil lies, as a rule, in the range from hundreds of hertz to several kilohertz with characteristic coil diameters of the order of ten centimeters, which limits the possibilities for compensating magnetic fields with frequencies higher than those indicated, although, at In this case, the ferromagnetic sensors used are able to register changes in the magnetic field with a frequency of up to several tens of kilohertz.

Задача, которая решается в полезной модели, направлена на создание устройства с более широким частотным диапазоном работы, что обеспечит повышение качества и эффективности работы устройства.The task that is solved in the utility model is aimed at creating a device with a wider frequency range of operation, which will improve the quality and efficiency of the device.

Требуемый технический результат заключается в повышении качества и эффективности работы устройства при расширении частотного диапазона его работы.The required technical result is to improve the quality and efficiency of the device while expanding the frequency range of its operation.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее трехкомпонентный феррозондовый магнитометр, три пары катушек в Геймгольцовской конфигурации, причем трехкомпонентный феррозондовый магнитометр выполнен стержневым, а оси первой, второй, третьей пар катушек Гельмгольца образуют трехосную ортогональную систему, в которой центр рабочего объема находится в точке пересечения осей и рабочий объем является единым для объекта магнитного воздействия катушек и трехкомпонентного феррозондового магнитометра, согласно полезной модели соосно и вплотную сзади по отношению к рабочему объему к каждой из трех пар катушек Гельмгольца установлена дополнительная пара катушек такого же диаметра с меньшим числом витков, а управляющий сигнал для основных и дополнительных пар катушек формируется раздельно из сигналов с ферромагнитных зондов из состава трехкомпонентного феррозондового магнитометра, для чего между выходом каждого компонента трехкомпонентного феррозондового магнитометра и соответствующей ему парой катушек и парой дополнительных катушек введены раздельные цепи формирования компенсирующих сигналов, состоящие из фильтра низких частот для пары катушек и фильтра высоких частот для пары дополнительных катушек и последовательно подключенных к фильтрам аналого-цифрового преобразователя, логического элемента, осуществляющего преобразование по пропорционально-интегральному закону, цифроаналогового преобразователя и источника тока.The problem is solved, and the required technical result is achieved by the fact that, in a device containing a three-component fluxgate magnetometer, three pairs of coils in the Heimholtz configuration, and the three-component fluxgate magnetometer is made of a rod, and the axes of the first, second, third pairs of Helmholtz coils form a triaxial orthogonal system, in which the center of the working volume is at the point of intersection of the axes and the working volume is the same for the object of magnetic action of the coils and the three-component fluxgate magnetometer, according to the utility model, coaxially and closely behind with respect to the working volume, each of the three pairs of Helmholtz coils has an additional pair of coils of the same diameter with a smaller number of turns, and the control signal for the main and additional pairs of coils is formed separately from the signals from ferromagnetic probes from the composition of a three-component flux-gate magnetometer, for which between the output of each component of the three-component of a tight fluxgate magnetometer and a pair of coils corresponding to it and a pair of additional coils, separate circuits for generating compensating signals are introduced, consisting of a low-pass filter for a pair of coils and a high-pass filter for a pair of additional coils and an analog-to-digital converter connected in series to the filters, a logic element that performs the conversion according to the proportional-integral law, a digital-to-analog converter and a current source.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, число витков в дополнительных парах катушек меньше числа витков в соответствующих им парах катушек Гельмгольца в 10-50 раз.In addition, the required technical result is achieved by the fact that the number of turns in the additional pairs of coils is 10-50 times less than the number of turns in the corresponding pairs of Helmholtz coils.

На чертеже представлены:The drawing shows:

на фиг. 1 - блок-схема устройства стабилизации магнитного поля;in fig. 1 is a block diagram of a device for stabilizing the magnetic field;

на фиг. 2 - схема положения катушек и датчиков устройства стабилизации магнитного поля;in fig. 2 - diagram of the position of the coils and sensors of the device for stabilizing the magnetic field;

на фиг. 3 - пример преобразования сигнала в устройстве стабилизации магнитного поля.in fig. 3 is an example of signal conversion in a magnetic field stabilization device.

На чертеже обозначены:The drawing shows:

1 - первая пара катушек;1 - the first pair of coils;

1.1, 1.2 - полуэлементы первой пары катушек;1.1, 1.2 - half-elements of the first pair of coils;

1.1+, 1.1- - контакты первого полуэлемента первой пары катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;1.1+, 1.1- - contacts of the first half-element of the first pair of coils of positive and negative polarity, respectively;

1.2+, 1.2- - контакты второго полуэлемента первой пары катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;1.2+, 1.2- - contacts of the second half-element of the first pair of coils of positive and negative polarity, respectively;

2 - первая пара дополнительных катушек;2 - the first pair of additional coils;

2.1, 2.2 - полуэлементы первой пары дополнительных катушек;2.1, 2.2 - half elements of the first pair of additional coils;

2.1+, 2.1- - контакты первого полуэлемента первой пары дополнительных катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;2.1+, 2.1- - contacts of the first half-element of the first pair of additional coils of positive and negative polarity, respectively;

2.2+, 2.2- - контакты второго полуэлемента первой пары дополнительных катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;2.2+, 2.2- - contacts of the second half-element of the first pair of additional coils of positive and negative polarity, respectively;

3 - вторая пара катушек;3 - the second pair of coils;

3.1, 3.2 - полуэлементы второй пары катушек;3.1, 3.2 - half-elements of the second pair of coils;

3.1+, 3.1- - контакты первого полуэлемента второй пары катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;3.1+, 3.1- - contacts of the first half-element of the second pair of coils of positive and negative polarity, respectively;

3.2+, 3.2- - контакты второго полуэлемента второй пары катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;3.2+, 3.2- - contacts of the second half-element of the second pair of coils of positive and negative polarity, respectively;

4 - вторая пара дополнительных катушек;4 - second pair of additional coils;

4.1, 4.2 - полуэлементы второй пары дополнительных катушек;4.1, 4.2 - half-elements of the second pair of additional coils;

4.1+, 4.1- - контакты первого полуэлемента второй пары дополнительных катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;4.1+, 4.1- - contacts of the first half-element of the second pair of additional coils of positive and negative polarity, respectively;

4.2+, 4.2- - контакты второго полуэлемента второй пары дополнительных катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;4.2+, 4.2- - contacts of the second half-element of the second pair of additional coils of positive and negative polarity, respectively;

5 - третья пара катушек;5 - the third pair of coils;

5.1, 5.2 - полуэлементы третьей пары катушек;5.1, 5.2 - half-elements of the third pair of coils;

5.1+, 5.1- - контакты первого полуэлемента третьей пары катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;5.1+, 5.1- - contacts of the first half-element of the third pair of coils of positive and negative polarity, respectively;

5.2+, 5.2- - контакты второго полуэлемента третьей пары катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;5.2+, 5.2- - contacts of the second half-element of the third pair of coils of positive and negative polarity, respectively;

6 - третья пара дополнительных катушек;6 - the third pair of additional coils;

6.1, 6.2 - полуэлементы третьей пары дополнительных катушек;6.1, 6.2 - half elements of the third pair of additional coils;

6.1+, 6.1- - контакты первого полуэлемента третьей пары дополнительных катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;6.1+, 6.1- - contacts of the first half-element of the third pair of additional coils of positive and negative polarity, respectively;

6.2+, 6.2- - контакты второго полуэлемента третьей пары дополнительных катушек положительной и отрицательной полярности, соответственно;6.2+, 6.2- - contacts of the second half-element of the third pair of additional coils of positive and negative polarity, respectively;

7 - первый ферромагнитный зонд трехкомпонентного феррозондового магнитометра;7 - the first ferromagnetic probe of a three-component fluxgate magnetometer;

8 - второй ферромагнитный зонд трехкомпонентного феррозондового магнитометра;8 - the second ferromagnetic probe of the three-component fluxgate magnetometer;

9 - третий ферромагнитный зонд трехкомпонентного феррозондового магнитометра;9 - the third ferromagnetic probe of the three-component fluxgate magnetometer;

10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6 - источники тока с первого по шестой, соответственно;10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6 - current sources from the first to the sixth, respectively;

11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5, 11.6 - цифро-аналоговые преобразователи с первого по шестой, соответственно;11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5, 11.6 - digital-to-analog converters from the first to the sixth, respectively;

12.1, 12.2, 12.3, 12.4, 12.5, 12.6 - логические элементы с первого по шестой, соответственно;12.1, 12.2, 12.3, 12.4, 12.5, 12.6 - logical elements from the first to the sixth, respectively;

13.1, 13.2, 13.3, 13.4, 13.5, 13.6 - аналого-цифровые преобразователи с первого по шестой, соответственно;13.1, 13.2, 13.3, 13.4, 13.5, 13.6 - analog-to-digital converters from the first to the sixth, respectively;

14.1, 14.3, 14.5 - первый, второй и третий фильтры низких частот, соответственно;14.1, 14.3, 14.5 - the first, second and third low-pass filters, respectively;

14.2, 14.4, 14.6 - первый, второй и третий фильтры высоких частот, соответственно;14.2, 14.4, 14.6 - the first, second and third high-pass filters, respectively;

15 - рабочий объем.15 - working volume.

Устройство стабилизации магнитного поля содержит первую 1, вторую 3 и третью 5 пары катушек в Геймгольцовской конфигурации, соосно и вплотную, сзади относительно рабочего объема 15, к каждой из которых установлена соответствующая им первая 2, вторая 4 и третья 6 дополнительная пара катушек. Пара катушек 1 содержит катушки 1.1 и 1.2, выводы положительной и отрицательной полярности которых соединены между собой и с источником тока 10.1. Пара катушек 2 содержит катушки 2.1 и 2.2, выводы положительной и отрицательной полярности которых соединены между собой и с источником тока 10.2. Управляющий сигнал пар катушек 1 и 2 формируется на ферромагнитном зонде 7, причем для управления парой катушек 1 сигнал от зонда 7 направляется на фильтр низких частот 14.1, а для управления парой дополнительных катушек 2 сигнал от зонда 7 направляется на фильтр высоких частот 14.2. После прохождения фильтров 14.1 и 14.2 сигналы направляются на АЦП 13.1 и 13.2, соответственно, и после оцифровки на АЦП, на логических элементах 12.1 и 12.2 соответственно формируется сигнал, необходимый для компенсации магнитного поля в рабочем объеме 15, который направляется в ЦАП 11.1 и 11.2, соответственно. От ЦАП 11.1 и 11.2 сигнал направляется к источникам тока 10.1 и 10.2, которые управляют парами катушек 1 и дополнительных катушек 2, соответственно. Аналогичным образом подсоединены между собой пара катушек 3 с источником тока 10.3, ЦАП 11.3, логической микросхемой 12.3, АЦП 13.3, фильтром низких частот 14.3 и ферромагнитным зондом 8; подсоединены пара дополнительных катушек 4 с источником тока 10.4, ЦАП 11.4, логической микросхемой 12.4, АЦП 13.4, фильтром 14.4 и ферромагнитным зондом 8; подсоединены между собой пара катушек 5 с источником тока 10.5, ЦАП 11.5, логической микросхемой 12.5, АЦП 13.5, фильтром 14.5 и ферромагнитным зондом 9; подсоединены между собой пара дополнительных катушек 6 с источником тока 10.6, ЦАП 11.6, логической микросхемой 12.6, АЦП 13.6, фильтром 14.6 и ферромагнитным зондом 9.The device for stabilizing the magnetic field contains the first 1, second 3 and third 5 pairs of coils in the Heimholtz configuration, coaxially and close, behind relative to the working volume 15, each of which has the corresponding first 2, second 4 and third 6 additional pair of coils. A pair of coils 1 contains coils 1.1 and 1.2, the positive and negative polarity of which are connected to each other and to the current source 10.1. A pair of coils 2 contains coils 2.1 and 2.2, the positive and negative polarity of which are connected to each other and to the current source 10.2. The control signal of the pairs of coils 1 and 2 is formed on the ferromagnetic probe 7, and to control the pair of coils 1, the signal from the probe 7 is sent to the low-pass filter 14.1, and to control the pair of additional coils 2, the signal from the probe 7 is sent to the high-pass filter 14.2. After passing the filters 14.1 and 14.2, the signals are sent to the ADC 13.1 and 13.2, respectively, and after digitization to the ADC, on the logic elements 12.1 and 12.2, respectively, a signal is generated that is necessary to compensate for the magnetic field in the working volume 15, which is sent to the DAC 11.1 and 11.2, respectively. From the DAC 11.1 and 11.2, the signal is sent to the current sources 10.1 and 10.2, which control the pairs of coils 1 and additional coils 2, respectively. Similarly, a pair of coils 3 are connected to each other with a current source 10.3, DAC 11.3, logic chip 12.3, ADC 13.3, low-pass filter 14.3 and ferromagnetic probe 8; connected to a pair of additional coils 4 with a current source 10.4, DAC 11.4, logic chip 12.4, ADC 13.4, filter 14.4 and ferromagnetic probe 8; connected to each other a pair of coils 5 with a current source 10.5, DAC 11.5, logic chip 12.5, ADC 13.5, filter 14.5 and ferromagnetic probe 9; a pair of additional coils 6 are connected to each other with a current source 10.6, a DAC 11.6, a logic microcircuit 12.6, an ADC 13.6, a filter 14.6 and a ferromagnetic probe 9.

Устройства стабилизации магнитного поля используют следующим образом.Magnetic field stabilization devices are used as follows.

Устройство может быть представлено в виде трёх аналогичных по содержанию и принципу работы блоков и отличающихся между собой ориентацией отдельных элементов. Соединения между элементами отражены на фиг. 1. The device can be presented in the form of three blocks similar in content and principle of operation and differing in the orientation of individual elements. The connections between the elements are shown in Fig. one.

Устройство содержит в себе три пары катушек 1, 3, 5 в Геймгольцовской конфигурации с большим числом витков и частотой среза ν, обеспечивающих генерацию магнитного поля, сопоставимую с магнитным полем Земли, в рабочем объеме 15, а также три дополнительные пары катушек 2, 4, 6 в Геймгольцовской конфигурации с меньшим количеством витков в 10-50 раз и более высокой частотой среза, обеспечивающих генерацию магнитного поля для компенсации высокочастотных флуктуаций магнитного поля ввиду технических шумов в рабочем объеме 15. The device contains three pairs of coils 1, 3, 5 in the Heimholtz configuration with a large number of turns and a cutoff frequency ν, providing the generation of a magnetic field comparable to the Earth's magnetic field in the working volume 15, as well as three additional pairs of coils 2, 4, 6 in a Heimholtz configuration with a 10-50 times fewer turns and a higher cutoff frequency, providing magnetic field generation to compensate for high-frequency magnetic field fluctuations due to technical noise in the working volume 15.

Частота среза ν плоских катушек пропорциональна отношению сопротивления и индуктивности. Сопротивление является величиной строго пропорциональной числу витков, индуктивность с некоторой точностью в случае плоской катушки пропорциональна квадрату числа витков, откуда следует, что частота среза ν обратно пропорциональна числу витков. Таким образом, при фиксированной для пары катушек с большим числом витков частоте среза ν в промежутке от 100 Гц до 5 кГц, число витков в катушках с малой частотой среза устанавливается меньшим в 10-50 раз таким образом, чтобы частота среза данных катушек оказалась не меньше, чем максимальная регистрируемая ферромагнитным датчиком частота магнитного поля (до 50 кГц в зависимости от используемого датчика). При монтаже соосно каждой паре катушек с большим числом витков устанавливается пара катушек с малым числом витков. При этом, как показали экспериментальные исследования, использование числа витков в дополнительных парах катушек большего, чем рекомендуемое «в 10 раз меньше», существенно снижает эффект стабилизации ввиду ограниченности полосы, а использование числа витков меньше, чем рекомендуемое «в 50 раз меньше», практически исключает влияние дополнительной пары катушек на работу устройства. Также устройство содержит в себе три ферромагнитных датчика 7, 8, 9, измеряющих магнитное поле вдоль осей катушек, сигнал от каждого из которых делится на два и подается на входы АЦП 13 через фильтры низких 14.1, 14.3, 14.5 и высоких 14.2, 14.4, 14.6 частот с частотой среза ν или меньшей. The cutoff frequency ν of flat coils is proportional to the ratio of resistance and inductance. The resistance is strictly proportional to the number of turns, the inductance with some accuracy in the case of a flat coil is proportional to the square of the number of turns, from which it follows that the cutoff frequency ν is inversely proportional to the number of turns. Thus, when the cutoff frequency ν is fixed for a pair of coils with a large number of turns in the range from 100 Hz to 5 kHz, the number of turns in coils with a small cutoff frequency is set to be 10-50 times less so that the cutoff frequency of these coils is not less than than the maximum frequency of the magnetic field registered by a ferromagnetic sensor (up to 50 kHz, depending on the sensor used). When mounting coaxially to each pair of coils with a large number of turns, a pair of coils with a small number of turns is installed. At the same time, as experimental studies have shown, the use of the number of turns in additional pairs of coils greater than the recommended "10 times less" significantly reduces the stabilization effect due to the limited bandwidth, and the use of the number of turns less than the recommended "50 times less" practically eliminates the influence of an additional pair of coils on the operation of the device. The device also contains three ferromagnetic sensors 7, 8, 9, which measure the magnetic field along the axes of the coils, the signal from each of which is divided into two and fed to the inputs of the ADC 13 through the low filters 14.1, 14.3, 14.5 and high 14.2, 14.4, 14.6 frequencies with a cutoff frequency ν or less.

Положение катушек и датчиков указано на фиг. 2. Оцифрованные сигналы с АЦП обрабатывается логическими элементами 12.1, 12.2, 12.3, 12.4, 12.5, 12.6, которые могут быть выполнены на микросхемах, формирующими сигнал обратной связи. Расчет уровня выходного сигнала данными микросхемами осуществляется по принципу работы пропорционально-интегрального контроллера [SU 395805, A1, 1971.07.08], то есть включает в себя составляющую, пропорциональную входному сигналу, а также составляющую пропорциональную проинтегрированному на некотором промежутке времени сигналу. Пример преобразования сигнала в цепи приведен на фиг. 3, где подписи соответствуют устройствам, на выходе которых измерены соответствующие сигналы, обозначенные сплошной линией. Штрихованной линией обозначено смещение сигнала, пунктирной линией обозначен наклон. Параметры преобразования (пропорциональный и интегральный коэффициенты, смещение) определяются пользователем. Полученный цифровой сигнал затем преобразуется с помощью ЦАП 11. Сигналы с ЦАП подаются на входы источников тока 10, обеспечивающих питание катушек 1, 2, 3, 4, 5, 6. Полярность выходных сигналов ЦАП устанавливается таким образом, чтобы генерируемое катушками поле было противонаправленным по отношению к внешнему магнитному полю.The position of the coils and sensors is shown in Fig. 2. Digitized signals from the ADC are processed by logic elements 12.1, 12.2, 12.3, 12.4, 12.5, 12.6, which can be implemented on microcircuits that form a feedback signal. The calculation of the output signal level by these microcircuits is carried out according to the principle of operation of a proportional-integral controller [SU 395805, A1, 1971.07.08], that is, it includes a component proportional to the input signal, as well as a component proportional to the signal integrated over a certain period of time. An example of signal conversion in the circuit is shown in Fig. 3, where the signatures correspond to the devices at the output of which the corresponding signals are measured, indicated by a solid line. The dashed line indicates the signal offset, the dotted line indicates the slope. Conversion parameters (proportional and integral coefficients, offset) are defined by the user. The resulting digital signal is then converted by the DAC 11. The signals from the DAC are fed to the inputs of the current sources 10, which provide power to the coils 1, 2, 3, 4, 5, 6. The polarity of the DAC output signals is set so that the field generated by the coils is opposite in direction with respect to an external magnetic field.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает компенсацию как магнитного поля Земли, так и компенсацию флуктуаций магнитного поля в высокочастотной области, обусловленную техническими шумами, что повышает качества и эффективность работы устройства. Этим самым достигается требуемый технический результат.Thus, the proposed device provides compensation for both the Earth's magnetic field and compensation for magnetic field fluctuations in the high-frequency region due to technical noise, which improves the quality and efficiency of the device. This achieves the desired technical result.

Настоящая полезная модель была разработана в рамках реализации мероприятия №13 «Подготовка и подача патентных заявок» детализированного плана-графика за 2021 год программы деятельности Лидирующего исследовательского центра "Квантовые вычисления" (соглашение №014/20 от 18.05.2020), в соответствии с дорожной картой «сквозной» цифровой технологии - «Квантовые технологии» при поддержке Фонда НТИ и АО «РВК».This utility model was developed as part of the implementation of activity No. 13 "Preparation and filing of patent applications" of the detailed schedule for 2021 of the program of activities of the Leading Research Center "Quantum Computing" (agreement No. 014/20 of 05/18/2020), in accordance with the road card of "end-to-end" digital technology - "Quantum technologies" with the support of the NTI Foundation and RVC JSC.

Claims

A device for stabilizing the magnetic field, containing a three-component fluxgate magnetometer, three pairs of coils in the Heimholtz configuration, and the three-component fluxgate magnetometer is made of a rod, and the axes of the first, second, third pairs of Helmholtz coils form a triaxial orthogonal system, in which the center of the working volume is at the point of intersection of the axes, and the working volume is the same for the object of magnetic action of the coils and the three-component fluxgate magnetometer, characterized in that an additional pair of coils of the same diameter with a smaller number of turns of 10-50 times and a higher cutoff frequency, and the control signal for the main and additional pairs of coils is formed separately from the signals from ferromagnetic probes from the three-component fluxgate magnetometer, for which between the output of each component of the three-component fluxgate th magnetometer and the pair of coils corresponding to it and a pair of additional coils, separate circuits for generating compensating signals are introduced, consisting of a low-pass filter for a pair of coils and a high-pass filter for a pair of additional coils and an analog-to-digital converter connected in series to the filters, a logic element that converts according to proportional-integral law, digital-to-analog converter and current source.