Способ измерения намагниченности магнитной жидкости

Изобретение относится к области магнитных измерений, а именно к способам измерения намагниченности коллоидных растворов ферромагнитных наночастиц (магнитных жидкостей) с использованием методов электронного или ядерного магнитных резонансов, и может быть использовано для контроля качества магнитных жидкостей при их производстве и в процессе их эксплуатации.

Известен способ измерения намагниченности магнитной жидкости путем поочередного помещения образцов из нее, имеющих формы цилиндра и шара, в сильное постоянное однородное магнитное поле, напряженность которого Н можно менять, и переменное слабое магнитное поле с постоянной частотой, например в катушку датчика спектрометра ядерного магнитного резонанса. Измерив напряженности магнитного поля H₁ и Н₂, при которых получаются максимальные сигналы ЯМР с образцами в виде цилиндра и шара соответственно, можно вычислить намагниченность магнитной жидкости по формулам M=3(H₂-H₁), если ось цилиндра параллельна вектору напряженности магнитного поля Н, или М=6(Н₁-Н₂), если ось цилиндра нормальна вектору Н. Недостаток способа в необходимости иметь дорогостоящий спектрометр ЯМР с меняющимся магнитным полем и в необходимости замены образцов. Способ описан в патенте RU 2361195 С1, опубл. в бюлл. №19, 10.07.2009, авторы Жерновой А.И., Рудаков Ю.Р.

Известен другой способ измерения намагниченности магнитной жидкости, описанный, например, в статье «Получение кривой намагничивания дисперсии парамагнитных наночастиц путем нахождения намагниченности и намагничивающего поля методом ЯМР», опубликованной в журнале Научное приборостроение, 2009, т. 19, №3, с. 57-61, авторы А.И. Жерновой, В.Н. Наумов, Ю.Р. Рудаков. В этом способе исследуемую магнитную жидкость, заполняющую два параллельно расположенных стеклянных цилиндра 10 (фиг. 1), помещали в магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 3. В щели между цилиндрами и на боковой поверхности одного из них были установлены датчики ядерного магнитного резонанса 1 и 2, с помощью которых измерялись напряженность и индукция магнитных полей в местах их расположения. Датчик 1, установленный между цилиндрами, где линии напряженности магнитного поля параллельны поверхностям цилиндров, измерял напряженность магнитного поля Н внутри магнитной жидкости, а датчик 2, установленный вблизи боковой поверхности одного из цилиндров, где линии напряженности нормальны поверхности цилиндра, измерял индукцию магнитного поля В внутри магнитной жидкости. Намагниченность определялась по формуле М=(В/μ_о)-Н. Основной недостаток этого способа состоит в измерении В и Н двумя датчиками, расположенными в разных местах образца, так как при этом небольшое различие индукции внешнего магнитного поля в местах расположения датчиков 1 и 2 приводит к ошибке вычисления величины (В/μ_о)-Н, а следовательно, и намагниченности М. Другой недостаток состоит в необходимости иметь два цилиндрических образца, что увеличивает необходимый объем магнитной жидкости. Этот способ можно принять за прототип.

Для устранения указанных выше недостатков известных способов предлагается способ, в котором, как и в известных способах, для измерения намагниченности магнитной жидкости образец из нее 10 помещается во внешнее постоянное однородное магнитное поле, создаваемое магнитом 3 (фиг. 2 и 3). Образец 10 имеет форму заполненного исследуемой магнитной жидкостью эллипсоида вращения (например, цилиндра или шара), имеющего параллельную оси эллипсоида свободную от магнитной жидкости плоскую полость, в центре которой находится один не содержащий магнитной жидкости датчик ядерного или электронного магнитного резонанса для измерения магнитного поля. Если образец по отношению к линиям магнитной индукции занимает положение, показанное на фиг. 2, в котором плоскость полости в образце параллельна линиям индукции внешнего магнитного поля, создаваемого магнитом 3, то напряженность поля в полости равна напряженности поля Н внутри магнитной жидкости, а если образец по отношению к линиям магнитной индукции занимает положение, показанное на фиг. 3, где плоскость полости в образце нормальна линиям индукции внешнего магнитного поля, то индукция в полости. В равна индукции магнитного поля внутри магнитной жидкости (Об этом говорится, например, в учебнике «Электричество». М.: Наука, 1985. 576 с., автор Калашников С.Г.). В результате, измерив датчиком магнитного резонанса напряженность магнитного поля Н при взаимном положении образца и магнита, которое показано на фиг. 2, а затем повернув образец или магнит на 90 градусов и измерив тем же датчиком магнитную индукцию В при взаимном положении образца и магнита, которое показано на фиг. 3, можно определить намагниченность по формуле: М=(В/μ_o)-Н, где μ_o - магнитная постоянная. Если для измерения магнитного поля применить датчики магнитного резонанса протонов или электронов, то в положении образца, показанном на фиг. 1, измеряется резонансная частота f₁=β_н⋅H, а в положении образца, показанном на фиг. 2, измеряется резонансная частота f₂=β_в⋅B, где β_н и β_в - гиромагнитные отношения, связанные между собой: β_н=β_в/μ_о, поэтому для определения намагниченности можно использовать выражение M=(f₁-f₂)/β_н, где при использовании резонанса протонов β_н=53,4(Гц⋅м/А), а при использовании резонанса электронов β=35244(Гц⋅м/А).

Пример реализации предлагаемого способа

Для проверки осуществимости предлагаемого способа была использована экспериментальная установка, схема которой описана в прототипе и приведена на фиг. 1. Образец магнитной жидкость имел вид сдвоенного цилиндра 10, в полости между половинками которого был расположен датчик магнитного резонанса (ЯМР) 2 для измерения внутреннего магнитного поля в образце, содержащий радиочастотную катушку, надетую на хлорвиниловую трубку, соединяющую резервуар, расположенный в магнитном поле сильного постоянного магнита 4 поляризатора, с трубкой датчика ядерного магнитного резонанса, расположенного в однородном магнитном поле магнита 5. Имеющийся в прототипе датчик магнитного резонанса 1 отсутствовал. Катушка датчика ЯМР 2 была присоединена к генератору радиочастоты 8(переключатель 7 отсутствовал). Катушка датчика сигнала ЯМР приемного устройства 5 была присоединена к измерителю магнитной индукции 6, регистрирующему сигнал ЯМР. Образец магнитной жидкости 10 был помещен в магнитное поле с индукцией В, создаваемое магнитом 3. Поворотом магнита 3 или образца 10 направление В можно было устанавливать параллельно или перпендикулярно плоскости полости, где расположена катушка датчика ЯМР 2. Для измерения намагниченности исследуемой магнитной жидкости на катушку датчика ЯМР 2 было подано напряжение от генератора радиочастоты 8. Индукция В была установлена параллельно плоскости полости, в которой расположен датчик ЯМР 2, и изменением частоты генератора 8 установлена и измерена частота ЯМР f₁, при которой сигнал на выходе прибора Ш1-1 меняет полярность. Затем поворотом магнита 3 на 90 градусов направление создаваемой магнитом 3 индукции В сделали перпендикулярным плоскости полости, в которой расположен датчик ЯМР 2, и подобрали и измерили частотомером 9 частоту генератора 8 f₂, при которой сигнал ЯМР на выходе прибора Ш1-1 изменил полярность. Намагниченность в единицах А/м нашли по формуле M=(f₂-f₁)/β_н, она оказалась такой же, как при измерениях методом-прототипом с использованием двух разных датчиков ЯМР. Таким образом, отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что в прототипе частоты f₁ и f₂ измеряют при одинаковом взаимном расположении образца 10 и магнита 3 двумя разными датчиками 1 и 2, расположенными в разных местах образца, где направления В относительно стенки образца отличаются на 90 градусов, а в предлагаемом способе частоты f₁ и f₂ измеряют одним датчиком 2, расположенным в центре образца, при двух взаимных угловых положениях образца 10 и магнита 3 (датчик ЯМР 1 и переключатель 7 отсутствуют). Применение одного датчика ЯМР вместо двух значительно упростило процедуру измерения намагниченности, так как сделало ненужной настройку на условие f₁=f₂ при отсутствии исследуемого образца, осуществляемую изменением топографии магнитного поля магнита 3. Так как удовлетворительную настройку двух датчиков, расположенных в разных местах магнита, на условие f₁=f₂ осуществить практически невозможно (особенно при измерениях с изменением температуры), то предусмотренная формулой изобретения замена двух датчиков измерения магнитного поля одним приводит к уменьшению ошибки измерения намагниченности.