میدانهای الکترومغناطیسی میتوانند بر تجهیزات الکتریکی، سیستمهای مغناطیسی و همچنین موجودات زنده تأثیرهای نامطلوب بگذارند. سپر الکترومغناطیسی برای کاهش یا جلوگیری از این صدمات استفاده میشود. یک اقدام سپر الکترومغناطیسی عبارت است از محصور کردن چشمه تولید میدان یا واحد دچار اختلال شده با مواد مناسب.
ازآنجاییکه برخلاف خطوط میدانهای الکتریکی که همیشه از یک بار مثبت آغاز شده و به یک بار منفی ختم میشوند، هیچ بار مغناطیسی منفردی (تکقطبی) وجود ندارد که خطوط میدان مغناطیسی به آن ختم شود، ازاینرو خطوط شار مغناطیسی همیشه مستقل هستند و منحنیهای بسته تشکیل میدهند. آنها آغاز و پایانی ندارند و این باعث میشود چیزی به نام عایق مغناطیسی وجود نداشته باشد (اصل ابررسانایی در اینجا منتفی است).
محافظت در برابر میدانهای مغناطیسی در فرکانس پایین بر اساس اصل انحراف میدان[1] با استفاده از مواد رسانای مغناطیسی است. میدانیم که خطوط میدان مغناطیسی همواره منحنیهای بسته را تشکیل میدهند و مانند یک مدار مغناطیسی عمل میکنند. همانطور که در مدارهای الکتریکی، انتقال جریان نیازمند مسیری با مقاومت الکتریکی کم و رسانندگی الکتریکی بالاست، خطوط میدان مغناطیسی هم نیازمند مسیری با نفوذپذیری مغناطیسی بالا میباشد؛ بنابراین میتوان با ترکیبی از مواد و اشیا با نفوذپذیری مغناطیسی بالا مسیری خاص را برای خطوط میدان ایجاد کرد که این خود باعث کاهش میدان در نواحی دیگر (خصوصاً ناحیه محافظت شده) میشود.
این مقاله در 2 بخش تنظیم شده است که بخش اول آن به بررسی انواع سپرهای مغناطیسی می پردازد و بخش دوم آن مکانیزم عملکرد انواع سپرهای مغناطیسی غیرفعال را شرح می دهد. در انتها نیز از مطالب بیان شده نتیجه گیری خواهد شد.
در فیزیک بنیادی، اندازهگیریهای با دقت بالا با استفاده از ذرات، هستهها، سیستمهای اتمی یا مولکولی، غالباً به پایداری زمانی و یکنواختی مکانی و همچنین بسیاری از پارامترهای محیطی برای کنترل اثرات سیستماتیک و بهرهبرداری کامل از حساسیت آماری آنها نیاز دارند. کنترل میدان مغناطیسی در آزمایشهایی که به جفتشدن میدان مغناطیسی خارجی با گشتاور مغناطیسی آن حساس هستند، اهمیت ویژهای دارد. در اکثر آنها از سیستمهای سیمپیچ اختصاصی استفاده میشود که میدانهای مغناطیسی یکنواختی را در داخل حجمهایی بهمنظور حفاظت از میدان مغناطیسی ایجاد میکنند. محافظت از این حجمها را میتوان با استفاده از محافظ مغناطیسی فعال[2] یا غیرفعال[3]، به طور جداگانه یا ترکیبی به دست آورد. سپرهای غیرفعال از مواد با نفوذپذیری بالا ساخته میشوند و بر خواص مغناطیسی آنها متکی هستند. سپرهای مغناطیسی فعال مبتنی بر سیمپیچهای کنترل شده با بازخورد هستند که حسگرهای مغناطیسی تغییرات میدان مغناطیسی را تشخیص میدهند و یک الگوریتم پاسخ مناسب را برای تنظیم جریان سیمپیچ و خنثیکردن اغتشاش ناشی از آن محاسبه میکند.
سپر مغناطیسی فعال یک فناوری برای محافظت از فضای باز با استفاده از سیمپیچهای خنثیکننده مانند سیمپیچهای هلمهولتز است که میدان مغناطیسی خارجی را با ایجاد میدان مخالف با میدان خارجی خنثی میکند [1].
سپر مغناطیسی فعال نسبت به سپر مغناطیسی معمولی یا غیرفعال، سبکوزن بوده و تنظیمات همزمان نیاز دارد. سپر فعال فقط به سیمپیچهای هلمهولتز نیاز دارد تا میدان مغناطیسی را با جریان الکتریکی جبران کند. ازاینرو هزینه تجهیزات و نصب کم میباشد، درحالیکه سپر مغناطیسی غیرفعال که به طور معمول با مواد مغناطیسی با نفوذپذیری بالا انجام میشود معمولاً گران و سنگین است. در فناوری سپرهای مغناطیسی فعال، سیگنال آنالوگ میدان خارجی توسط نوعی سنسور مغناطیسی شناسایی شده یکبار توسط مبدل به سیگنال دیجیتال تبدیل میشود، سپس جریان معادل میدان خارجی مخالف از طریق پردازنده سیگنال دیجیتال و مبدل تولید میشود. این سیستم برای محاسبه و تبدیل سیگنالها به زمان و هزینه نیاز دارد [1] بهطوریکه برای تضعیف میدانهای مغناطیسی خارجی بیشتر از 10 هرتز نیاز به سیستمها و الگوریتمهای پیشرفتهتری میباشد.
در سپر مغناطیسی فعال، شرط اساسی برای اینکه میدان مغناطیسی در ناحیة هدف به طور مؤثر کاهش پیدا کند این است که میدان تداخلی، همگن و دارای گرادیان کم باشد. این امر معمولاً برای منابع میدانی دور مانند خطوط برق فشارقوی، تراموا و تأسیسات راهآهن صادق است. اگر منابع نزدیک باشند، اثر جبران کاهشیافته و میدان مغناطیسی به طور مؤثر
حذف نمیشود [2].
شکل (1) یک سیم پیچ هلمهولتز را نشان می دهد که در محدوده ای از فضا که در آن میدان مغناطیسی یکنواخت 40 میکروتسلا و در جهت پایین وجود دارد نشان می دهد. قطر این سیم پیچ 5 سانتیمتر و در هر پیچه ی آن 5 دور سیم وجود دارد. اگر جریان 0.44 آمپر از این سیم پیچ عبور کند میدان مغناطیسی در مرکز پیچه ی هلمهولتز تا حدود 157 برابر تضعیف شده و مقدار آن به 0.25 میکروتسلا تقلیل می یابد.
الف
ب
شکل (1) (الف) سیم پیچ هلمهولتر و (ب) تضعیف میدان مغناطیسی توسط سیم پیچ هلمهولتز
شکل 2 نیز یک میکروسکوپ الکترونی را نشان میدهد که با یک سپر مغناطیسی فعال به قدرت تفکیک پذیری بالایی میرسد. منبع [2] به تشریح استراتژیهای کاهش میدان مغناطیسی برای میکروسکو های الکترونی انتقالی[4] میپردازد، و توضیح میدهد که چرا یک سیستم حذف دوگانه مناسبترین استراتژی تضعیف و حذف میدان مغناطیسی به روش فعال برای میکروسکوپ های الکترونی انتقالی با وضوح بسیار بالا است.
شکل (2): سپر مغناطیسی فعال برای حذف میدان مغناطیسی زمینه از اطراف یک میکروسکوپ الکترونی.
سپر مغناطیسی معمولی یا غیرفعال معمولاً از آرایش متحدالمرکز پوستههای نازک یک ماده با نفوذپذیری بالا برای منحرفکردن خطوط میدان مغناطیسی در اطراف منطقه موردنظر استفاده میکنند. در نتیجه، ناحیه درون سیستم سپر دارای یک میدان مغناطیسی موضعی تضعیف شده است [3].
سپر مغناطیسی غیرفعال برای حذف میدانهای مغناطیسی از ناحیهای محدود مناسب است. برخلاف سپرهای فعال، این روش از موادی استفاده میکند که دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالایی هستند و بنابراین خطوط شار مغناطیسی را به اطراف حجم محصور هدایت میکنند. مواد مختلف خواص متفاوتی دارند و برای مهار میدان مغناطیسی از مکانیسمهای محافظ متفاوتی استفاده میکنند: مواد با ضریب نفوذپذیری بالا میدانهای مغناطیسی ایستا یا با فرکانس پایین را با مکانیزم مهار شار حذف کرده درحالیکه مواد با رسانندگی بسیار بالا میدانهای مغناطیسی با فرکانس بالا را با روش جریان گردابی خنثی میکنند [4].
اعوجاجهای میدان مغناطیسی به پارامترهای فیزیکی ماده، هندسه سپر و فرکانس منبع مغناطیسی بستگی دارد. برای یک ماده خطی، همگن، همسانگرد و غیر پراکنده، مکانیسم بهسادگی با استفاده از معادلات ماکسول درک میشود که چگالی شار را به میدان مغناطیسی مرتبط میکند. این شرط که مولفه مماسی و مولفه نرمال در سطح مشترکی از مواد با متفاوت پیوسته باقی بمانند، نشان میدهد که خطوط میدان تقریباً مماس به سطح مشترک خم میشوند. اگرچه صحبت از مکانیسم عملکرد سپر مغناطیسی غیرفعال ساده می باشد، ولی یک مطالعه جامع برای طراحی و بهینه سازی تمام پارامترهای سپر مورد نیاز است.
شکل (3) یک سپر مغناطیسی غیرفعال را در یک پروژه ی ژیروسکوپ اتمی نشان می دهد. در اینجا، سلول های بخار در مرکز یک سپر مغناطیسی با یک سیم پیچ سه محوری یکپارچه برای تولید میدان مغناطیسی قرار گرفتند. یک پمپ و یک پرتو لیزر پروب به ترتیب به صورت نوری پلاریزه شده و امتداد اسپین را میخوانند. پردازش الکترونیکی داده و کنترل بازخورد، نرخ چرخش سیگنال نوری را تعیین کرده و زمینه های اعمال شده را کنترل می کند.
شکل (3): راه اندازی آزمایشگاهی یک ژیروسکوپ اتمی که در تحقیقات شرکتی بوش توسعه یافته است.
در پروژه macQsimal، تیم تحقیقاتی Bosch یک تنظیم نوری بزرگ برای آزمایشهای اثبات اصل ساختند و یک نمایشگر فشرده مناسب برای اندازهگیری سرعت چرخش طراحی کردند [5].
میدانیم اصطلاح محافظت[5] به معنای نگهداری و دورکردن یک شیء از منبع آسیب میباشد، ولی با بیان نحوة رفتار میدان مغناطیسی در اطراف یک سپر مغناطیسی معمولی بهتر میتوان مکانیسمهای عملکرد یک سپر مغناطیسی را درک کرد. مواد تشکیلدهندة بدنة سپر رفتار میدان مغناطیسی را در اطراف خودش چنان تغییر میدهد که میدان مغناطیسی در ناحیة موردنظر کاهش مییابد. ازآنجاکه تنها راه برای تغییر و بازسازی خطوط میدان مغناطیسی، افزودن منابع یا چشمه تولید میدان جدید است (با فرض اینکه منابع اصلی اصلاح نشده باشند)، سپر نیز میتواند بهعنوان نوعی خنثیکننده میدان تلقی شود. میدانهای جدید از منابع القایی در سپر با میدانهای موجود بهگونهای ترکیب میشوند تا یک ساختار میدان کلی جدید ایجاد کنند.
دو نوع مکانیسم برای شیوة عملکرد سپرهای مغناطیسی معمولی وجود دارد: مکانیسم مهار شار[6] و مکانیسم جریان القایی[7].
الف
ب
شکل (4): کاهش یک میدان مغناطیسی یکنواخت در داخل (الف) یک سیلندر فرومغناطیسی به روش مهار شار، (ب) یک سیلندر رسانا بروش جریان القایی.
عمل حفاظت در مواد فرومغناطیسی به دلیل مغناطیده شدن ماده فرومغناطیس است؛ یعنی همترازی حوزههای مغناطیسی کوچکی که مجموعة آنها بهعنوان یک منبع میدان مغناطیسی عمل میکنند. مغناطش بهعنوان یک منبع جدید عمل میکند و میدان خود را ایجاد میکند که بهصورت برداری با میدانهای موجود اضافه یا کم میشود. مکانیزم مهار شار وابسته به فرکانس نیست و بهاینترتیب، یک سپر فرومغناطیسی نهتنها میدانهای فرکانس قوی را کاهش میدهد، بلکه میدان مغناطیسی ایستا مانند میدان زمین را نیز کاهش میدهد.
برای یک سپر فرومغناطیسی با ضخامت ثابت، مهار شار با افزایش اندازه کاهش مییابد. اگر قطر سیلندر نشاندادهشده در شکل 4 الف افزایش یابد درحالیکه ضخامت ثابت نگه داشته شده، عمل حفاظت داخل سیلندر ضعیفتر میشود. از منظر مدار مغناطیسی، افزایش قطر سپر باعث طولانیتر شدن مسیر شار و در نتیجه افزایش مقاومت مسیر انتقال شار مغناطیسی میشود.
سپرهای فرومغناطیسی چندلایه با نفوذپذیری بالا که بین لایههای آن هواست برای حفاظتهای با کارایی بالا از محفظههای کوچک مرسوم هستند، مثل حفاظت از قطعات خاص در فرایندهای آزمایشگاهی. بااینحال، این ساختار اغلب برای محافظت از نواحی بزرگ از میدانهای مغناطیسی با فرکانس بالا غیرعملی است [6].
مکانیسم دوم سپر مغناطیسی، مکانیسم جریان القایی است. جریانهای القایی (یا جریانهای گردابی[8]) از تغییرات شار با زمان هنگام عبور میدان مغناطیسی از مواد رسانای الکتریکی ناشی میشوند. این شار در حال تغییر از طریق سپر باعث ایجاد جریانهای گردشی در داخل و روی سطح رسانا میشود که این جریانهای گردشی میدانهای مغناطیسی در جهت مخالف تولید میکنند؛ بنابراین، عمل حفاظت بهصورت جریان القایی نیز میتواند بهعنوان نوعی عمل خنثیکننده میدان مغناطیسی در نظر گرفته شود. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، به نظر می رسد حفاظت از طریق مهار شار خطوط شار را به داخل سپر می کشد در حالی که حفاظت از طریق جریان القایی به نظر می رسد که خطوط شار را از سپر پس می زند یا دور می کند. در شکل 4 ب، یک سیلندر رسانا فضای داخل خود را از میدان مغناطیسی افقی یکنواخت توسط جریان های القایی محافظت میکند.
عمل محافظت با مواد رسانا با افزایش فرکانس بهبود مییابد؛ زیرا جریانهای القایی متناسب با تغییرات شار مغناطیسی با زمان هستند و بنابراین محافظت با فرکانس بالا راحتتر انجام میشود. همچنین برای اکثر هندسههای سپر، حفاظت به شیوة جریان القایی با افزایش اندازه سپر بهبود مییابد. بهعنوانمثال، عمل حفاظتی ارائه شده توسط سیلندر رسانای شکل 4 ب با افزایش شعاع در حالی که ضخامت آن ثابت نگه داشته شده افزایش پیدا می کند [6].
هنگامی که سپرهای رسانا نسبتاً ضخیم هستند (در حد یک یا چند سانتیمتر برای فرکانس برق)، میدانهای مغناطیسی و جریانهای القایی در سپر از سطح آن بهصورت نمایی از سطح سپر با طول مشخصهای به نام عمق پوست[9] کاهش پیدا میکنند [6]. عمق پوست عبارت است از فاصله زیر سطح رسانا که در آن چگالی جریان به مقدار آن در سطح کاهش می یابد. برای یک رسانا با رسانندگی رسانایی الکتریکی و نفوذپذیری که در میدان مغناطیسی متناوبی با فرکانس است. معمولاً ضخامت رساناها چندین برابر (شاید حداقل سه برابر) عمق پوست فرض میشود. معادله عمق پوستی نشان میدهد که جریانهای القایی نهتنها به رسانایی، بلکه به نفوذپذیری نیز بستگی دارند [7].
در اینجا انواع سپرهای مغناطیسی اعم از سپرهای فعال و غیرفعال معرفی شده، نحوة عملکرد آنها شرح داده شده و نمونهها و مثالهایی از هرکدام نیز بیان شد. در بسیاری از پروژهها از سپرهای فعال و غیرفعال بهصورت همزمان برای تضعیف میدان مغناطیسی استفاده میشود. مانند یک سپر مغناطیسی استوانهای که در داخل آن یک سیمپیچ هلمهولتز تعبیه شده است. در بخش بعدی مکانیزم عملکردی سپرهای مغناطیسی معمولی را بیان کردیم و دیدیم که مکانیزم مهار شار توسط مواد فرومغناطیسی و مکانیسم جریان القایی توسط مواد رسانا استفاده میشود. بهترین استراتژی برای تضعیف میدان مغناطیسی استفاده از دو مکانیزم مهار شار و جریان القایی بهصورت همزمان میباشد.
| [1] | Yasuo Okazaki, Shunji Yanase, Noriko Sugimoto, Active magnetic shielding with magneto-impedance sensor, International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, vol. 13, no. 1-4, pp. 437-440, 2002. DOI: 10.3233/JAE-2002-352. |
| [2] | https://www.vibeng.com/blogs-and-case-studies/dc-ac-magnetic-field-challenges-and-solutions-for-high-resolution-transmission-electron-microscopes/. |
| [3] | C. P. Bidinosti and J. W. Martin, Passive Magnetic Shielding in Gradient Fields, AIP ADVANCES 4, 047135 (2014), DOI: 10.1063/1.4873714. |
| [4] | A. Farolfi, D. Trypogeorgos, G. Colzi, E. Fava, G. Lamporesi and G. Ferrari, Design and characterization of a compact magnetic shield for ultracold atomic gas experiments, Rev. Sci. Instrum. 90, 115114 (2019), https://doi.org/10.1063/1.5119915.. |
| [5] | https://www.macqsimal.eu/macqsimal/miniaturized-atomic-gyroscopes/. |
| [6] | D. W. Fugate, T. R. Whittemore, W. E. Feero and W. L. Jacobs, Magnetic Field Shielding Design Guide, Penncylvania: Electric Research & Management, Inc., 1997. |
| [7] | H. Narayanan, B. Viswanathan, K. R. Krishnamurthy and H. Nair, Hydrogen from photo-electrocatalytic water splitting, Academic Press, 2019. |
| [8] | https://systronemv.com/en/shielding-systems/active-magnetic-field-cancellation/. |
| [9] | J. Sun, Y. Lu, L. Zhang, Y. Le and X. Zhao, A Method to Measure Permeability of Permalloy in Extremely Weak Magnetic Field Based on Rayleigh Model, Materials 15(20), 7353, 2022. |
[1] Field diversion
[2] Active magnetic shield
[3] Passive magnetic shield
[4] Transmission electron microscopes (TEM)
[5] Shielding
[6] Flux-shunting
[7] Induced current
[8] Eddy-currents
[9] Skin depth
