1. Постановка задачи

Для получения больших (2-20 Тесла) постоянных магнитных полей используются соленоиды из сверхпроводящего провода, находящиеся в жидком гелии при температуре 4.2К (-269С). Магнитное поле определяется током, пропускаемым через соленоид. Гелий испаряется по ходу работы, его уровень необходимо контролировать и время от времени восстанавливать. В случае, если магнит укомплектован сверхпроводящим ключем, позволяющим работать в режиме замороженного поля, необходимо управление ключем. Три задачи - управление вводом тока, контроль уровня гелия, управление ключем, при помощи соответствующих приборов, как правило, выполняет оператор. Силы человека тратятся на обслуживание соленоида, а не на научную или практическую задачу, что снижает производительность труда. Сверхпроводящий магнит - дорогой прибор, и в большинстве лабораторий используются относительно старые магниты с ручным управлением.

Целью данной работы было изготовление простого недорого устройства с компьютерным интерфейсом, выполняющего следующие функции:

- развертка тока (-5А...+5А) через магнит по наперед заданной программе с проверкой корректности ввода и выполнимости программы

- индикация уровня жидкого гелия в криостате и звуковая сигнализация в случае необходимости пополнения

- управление сверхпроводящим ключом

- запись параметров соленоида в компьютерный лабораторный журнал (log файл)

- обслуживание внештатных ситуаций (переход магнита в нормальное состояние, вывод тока, испарение гелия) с звуковой индикацией

2. Предприятие, на котором внедрено решение

Прибор прошел испытания и используется в лаборатории сильно коррелированных электронных систем в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН(ФИАН).

3. Описание решения

Внутренняя часть прибора показана на фотографии (Рис. 1).

Рис.1 Фотография прибора

Рис 2. Принципиальная схема электрических соединений в приборе

Рис. 3 Схема электрических соединений в криостате

Схема прибора показана на рисунке 2. Основу прибора составляет USB DAQ 6008. Аналоговый выход АО0 DAQ используется для задания величины тока через сверхпроводящий соленоид при помощи преобразователя напряжения в ток, выход АО1 -для задания тока через уровнемер. Аналоговые входы используются в сочетании с соответствующими входными каскадами для измерения: тока через шунт(А12), падения напряжения на уровнемере(АЮ), падения напряжения на соленоиде(А13) и напряжения на ключе(АИ). Цифровые входы-выходы используются для: включения системы (DIO11), коммутирования полярности тока (DIO2), включения и выключения ключа (DIO0), проверки готовности прибора к работе (DIO10). Схема электричеких соединений в криостате также приводится для справки. Програмное обеспечение написано на LabVIEW 8.O. Пользователю предоставляется возможность ввести программу разворота тока и частоту опроса уровнемера жидкого гелия. При выполнении программы в цикле определяется время до следующего шага ЦАП, если это время отрицательное, то шаг совершается. Также осуществляется контроль уровня гелия и обработка внештатных ситуаций - обрыв кабеля, переход магнита в нормальное состояние, испарение большей части гелия. Внешний вид ПО показан на рисунке.

Рис 4. Скриншот программного обеспечения

Таким образом, был создан управляемый от компьютера источник тока с следующими параметрами: Диапазон токов-5А...+5А, Максимальная скорость разворота тока 0.1 А/с Точность контроля тока 1 мА Пульсации(гтэ) 0.1 мА.

Максимальное падение напряжения на клеммах 5В. Возможность задания произвольной программы разворота тока Также прибор осуществляет контроль уровня гелия при помощи уровнемера из сверхпроводящей струны. Ток через струну задается в диапазоне 0..100 мА. Допустимое падение напряжения на струне - до 30 В. Прибор осуществляет управление сверхпроводящим ключом с управляющим током до 100 мА. Программное обеспечение позволяет вести обработку внештатных ситуаций со звуковой и визуальной сигнализацией и предоставляет удобный в использовании графический интерфейс. Все изменения состояния соленоида заносятся в log файл.

4. Перспективы внедрения и развития решения

Удобство в использовании и простота прибора очевидны, хотя рабочий ток изготовленного прототипа мал.

В нашей лаборатории планируется изготовить ещё не менее 2 подобных приборов для контроля имеющихся криомагнитных систем с гораздо большими токами. Изготовление прибора на продажу возможно после того, как будет изготовлен и испытан аналогичный прибор с рабочим током >100А.

Используемое оборудование и программное обеспечение National Instruments Nl LabVIEW 8.0, Nl USB DAQ 6008