Hệ từ trường xung tại Viện Khoa học Vật liệu được thiết kế lắp ráp tại Việt Nam theo công nghệ nạp phóng điện trên bộ tụ và điều khiển đo đạc bằng kỹ thuật điện tử ghép nối vi tính. Nó có thể thực hiện các chức năng sau:
1. Đo các đường cong từ trễ (sự phụ thuộc của từ độ vào từ trường xung)
Hình 24. Sự phụ thuộc của hệ số khử
2. Đo từ trường dị hướng HA bằng phương pháp SPD,
3. Nạp các mẫu vật liệu từ có kích thước ngang cực đại tương đương với đường kính hình trụ gần bằng 50 mm.
Hình 25.Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ từ trường xung TQV-101.
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống đo lường và điều khiển là khối nạp- phóng điện. Nó có nhiệm vụ kiểm tra điện thế trên bộ tụ điện và điều khiển các công tắc điện tử cấp điện nạp cho bộ tụ điện đến khi đạt thế mong muốn, rồi điều khiển chuyển mạch điện tử công suất rất lớn cho phép phóng điện qua cuộn nam châm. Các yêu câu đối với hệđo và điều khiển tựđộng là.
- Các quá trình nêu trên phải điều khiển được một cách tựđộng, hoặc bằng tay để có một xung dòng điện mong muốn cho một lần đo là một chu kỳ sin hay bán chu kỳ sin.
- Hệ phải được hoạt động với độ ổn định cao, dù giá trị thếđiều khiển trên bộ tụ không cần quá chính xác (ở thế cực đại 2500 V sai số cỡ 5% là đủ). Đây là chức năng đảm bảo an toàn cho người và thiết bị hoạt động ở thế cao. Hình 25 là sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển nạp - phóng điện của một nguồn phát từ trường xung. Biến trởđiều chỉnh đặt thếđặt trước giá trịđiện áp cần nạp cho bộ tụ điện. Con chạy biến trở có điện áp tỷ lệ với thế cần đặt. Mạch so sánh thế S một đầu được nối với con chạy biến trở đầu kia được cấp thế từ lối ra của mạch phân áp. Mạch so sánh thế S có điện áp tỷ lệ với điện áp trên bộ tụ (ví dụ US = 1/5000 Utụ). Khi bắt đầu nạp, bộ điều khiển chỉ định mạch so sánh thế hoạt động, cùng lúc mở tiếp điểm thường đóng của rơ-le RL. Vì ban đầu điện áp trên bộ tụ bằng 0 nên điện áp ra tại mạch phân áp nhỏ hơn điện áp đặt, do đó bộ so sánh sẽ
phát xung mở Triac K1 cấp điện áp 220 V từ mạng điện thành phố vào sơ cấp biến áp tăng thế Tr. Điện áp ra bên thứ cấp được chỉnh lưu bởi diode D1 sẽ nạp cho bộ tụ qua trở RS. Thế trên bộ tụđược nạp từ từ lên, làm cho thế lối ra mạch phân áp được tăng theo. Đến khi thế này bằng hoặc lớn hơn thếđặt thì mạch so sánh lật trạng thái và cấm triac, ngừng cấp điện cho biến thế Tr, kết thúc quá trình nạp điện cho bộ tụ. nếu theo thời gian thế trên bộ tụ giảm xuống sẽ làm cho thế ra mạch phân áp giảm xuống đến mức nhỏ hơn thế đặt thì lại làm cho mạch so sánh lật lại tràng thái mở Triac và nạp lại cho tụ. Mạch so sánh S được thiết kế là một trigơ Smith cho phép một khoảng trễ thế quanh giá trị đặtcác mẫu vật liệu khi đặt chúng trong từ trường trong lòng ống dây. Để khởi pháp quá trình phóng điện bộ điều khiển phát một
Hình 26. Các khối cho người sử dụng.
xung mồi cho Thyristor công suất lớn K2 mở rất nhanh cho phép tụ phóng một xung dòng điện lớn qua cuộn nam châm L tạo ra một nửa chu kỳ dương của dòng điện hình sin và tạo trong lòng ống dây một từ trường xung cao. Mẫu đo được đặt tại tâm của cuộn nam châm cùng với hệ cuộn dây cảm biến pick-up. Nếu tiếp điểm
quá trình phóng, bộ điều khiển đặt lại toàn bộ hệ thống về trạng thái ban đầu, tiếp điểm của rơ-le RL được đóng cho phép bộ tụ phóng hết các điện tích còn dư trên nó qua trở công suất lớn RP. Tín hiệu lối ra tỷ lệ với vi phân của từđộ và vi phân của từ trường sẽ được thu thập, xử lý hoặc lưu trữ cho các mục đích cụ thể như đã nói ở trên. Cũng có thể dùng 1 bán chu kỳ sin của dòng điện phóng để nạp từ cho . Toàn bộ hệ thống được điều khiển và đo đạc bằng kỹ thuật điện tử và ghép nối vi tính. Do tính chất đa chức năng của hệ nên cần hiểu sơđồ chi tiết của các khối cần cho người sử dụng hình 26.
Kết luận
1. Hệ đo từ trường xung là thiết bị rất hữu ích cho công tác nghiên cứu khoa học nói chung và cho các nghiên cứu về vật liệu từ cứng nền đất hiếm nói riêng, đồng thời công nghiệp sản xuất vật liệu từ cứng nền đất hiếm cũng rất cần những thiết bị cho biết được những thông tin về tính chất của vật liệu này. Nhất là trong điều kiện nước ta chưa có các nguồn từ trường tĩnh đủ cao.
2. Các xung từ trường có độ lớn trên 10 T có dạng một bán chu kỳ sin hoặc một chu kỳ sin, có độ rộng cỡ từ 3,9 ms đến 32 ms (thời gian tồn tại ngắn). Nhưng các xung từ trường này vẫn đủ cho phép tiến hành nhiều phép đo trên các vật liệu từ hiện đại.
3. Hệđo từ trường xung có hệđiều khiển nạp và phóng điện cho một bộ tụđiện lớn có điện dung 24 mF/3500 V. Với thế cực đại được nạp là 2500 V, hệđiều khiển nguồn năng lượng 75 kJ phóng điện qua các cuộn dây nam châm với dòng cực đại lên tới 45000 A trong thời gian 3,9 ms. Hệđược phát triển trên cơ sở phần cứng điện tử và chương trình ghép nối phần mềm máy vi tính gồm các mạch điều khiển tự động và chấp hành công suất lớn có chỉ tiêu kỹ thuật cao. Hệ cũng đã đảm bảo được các chức năng báo động và an toàn cho thiết bị và người sử dụng.
• Các phép đo từđộ theo từ trường và theo nhiệt độ trên các mẫu khối, mẫu bột định hướng và mẫu bột rời.
• Các phép xác định từ trường dị hướng theo phương pháp SPD cho các mẫu đơn và đa tinh thể.
• Các phép đo đường cong từ trễ trên các nam châm mạnh. Qua đó đánh giá được các thông số Mr, Br, MHc, BHc, và tích (BH)max của một số nam châm trong công nghiệp và phòng thí nghiệm.
• Hệ có thể nạp từ cho nam châm với cường độ lên tới trên 8 T và cho giá trị lực kháng từ, tích (BH)max cao hơn so với các nguồn nạp bình thường.
Tuy hệđo có rất nhiều ưu điểm nhưng vẫn còn có chỗ cần hoàn chỉnh như: • Để tăng cường độ từ trường lên 30 T cần bổ xung bình chứa Nitơ lỏng
cho cuộn nam châm để nhiệt độ đầu cuộn dây hạ xuống 77 K cho phép tăng được dòng điện phóng.
• Cần mở rộng hệđo cho phép đo các thông số từ khác nhưđo độ cảm từ, nghiên cứu chuyển động của vách đômen trong từ trường ngoài… đo các thông số phi từ như: đo điện trở, đo từ giảo và các tính chất quang phụ thuộc từ trường ngoài của các loại vật liệu.
Tài liệu tham khảo
1. Nguyễn Phú Thùy và Trần Quang Vinh, (Nghệ An, 1996), "Từ tính của vật liệu trong từ trường cao", Báo cáo tại hội nghị Vật lý Lý thuyết Việt Nam lần
thứ 20.
2. Buschow K.H.J, de Boer F.R. (2004). Physics of Magnetism and Magnetic Materials. Kluwer Academic / Plenum Publishers. ISBN 0-306-48408-0. Kluwer Academic / Plenum Publishers. ISBN 0-306-48408-0.