DE2446986C3 - Magnetische Abschirmvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Abschirm vorrichtung mit Linearabmessungen größer als 1 m und mit wenigstens einer Abschirmschicht aus einem hochpermeablen magnetischen Werkstoff.

Abgeschirmte Großräunie werden in zunehmendem Maße benötigt, um einerseits in störfeldfreier Umgebung mit hochempfindlichen Geräten arbeiten zu können, beispielsweise mit elektromedizinischen Geräten zur Aufnahme von Gehirnströmen oder mit hochauflösenden Elektronenmikroskopen, und um andererseits in Magnetfeldern bestimmter Richtung und Stärke Messungen und Eichungen durchführen zu können, beispielsweise an Magnetometern für Raumfluganwendungen. Ohne eine wirkungsvolle magnetische Abschirmung beeinträchtigen nämlich Slörfelder die Meßgenauigkeit oder sie machen schwierige Messungen oder genaue Beobachtungen überhaupt unmöglich.

Bei den störenden Feldern kann es sich sowohl um statische Felder, wie beispielsweise das magnetische Erdfeld, als auch um Wechseifelder unterschiedlicher Stärke handeln. Besonders kritisch sind im allgemeinen jene magnetischen Störungen, die im Bereich der Netzfrequenz und deren Oberschwingungen auftreten.

Um diese elektromagnetischen Störfelder niedriger und mittlerer Frequenz von empfindlichen Geräten fernzuhalten, genügt es nicht, Drahtgeflechte oder Bleche aus elektrisch leitenden Materialien zur Abschirmung zu verwenden, da diese gegen magnetische Störungen erst bei relativ hohen Frequenzen (größer 20 kHz) wirksam werden und bei tiefen Frequenzen nur auf die elektrische Komponente ansprechen. Um eine hinreichende Schwächung der magnetischen Komponente des Störfeldes zu erreichen, ist es erforderlich, magnetische Werkstoffe hoher Permeabilität zu verwenden.

Aus der Veröffentlichung von B. V. Connor in »ESRO Space Doc. No. 66-11285«, Seiten 163 bis 187 (JPL Technical Memorandum No. 33-216) ist bereits bekannt, Großräume dadurch gegen magnetische ~> Störfelder abzuschirmen, daß die Wandllächen aus einzelnen Blechen eines hochpermeablen Materials zusammengesetzt werden. Aus dieser Literaturstelle geht hervor, daß zunächst auf eine mit Sperrholz verschalte Holzzelle vorfabrizierte, schlußgeglühlte

ίο Bleche einer weichmagnetischen Nickel-Eisen-Legierung geklebt werden. Da bei aneinandergesetzten Blechelementen nachteiligerweise Lücken in der Abschirmhülle verbleiben, die die Abschirmwirkang erheblich reduzieren, ist weiter vorgesehen, die

r> Zwischenräume mit Streifen des gleichen Materials abzudecken.

Bei zusammengesetzten Schirmungselementen ist die erreichbare Abschirmwirkung in starkem Maße von der Art und Größe der Verbindungsfugen abhängig. Diese Fugen wirken nämlich als Inhomogenitäten und setzen infolge der Scherung des Magnetkreises die wirksame Permeabilität der Abschirmhülle wesentlich herab, was zu einer starken Verminderung des Abschirmeffektes führt.

2ϊ Auch das Aufkleben der Abschirmbleche auf Sperrholz führt zu Verspannungen im hochempfindlichen Magnetmaterial und erniedrigt so dessen Permeabilitätswerte.
Es ist ferner bekannt, weitgehend magnetfeldfreie

3<> Räume dadurch herzustellen, daß man in jeder Richtung der drei Raumkoordinaten Spulensysteme anordnet, um damit Magnetfelder zu erzeugen, die den auftretenden Störfeldern entgegengerichtet sind und diese zu Null kompensieren. Von den Signalen entsprechend angeordneter Sonden im Störfeld werden Ströme abgeleitet, die den Kompensationsspulen zufließen. Jede Änderung des Störfeldes äußert sich in einer Änderung des Gegenfeldes, das vom Spulensystem aufgebaut wird (DE-OS 21 46 071). Mit einem weiteren Spulensystein ist

·»" es zudem möglich, homogene Magnetfelder innerhalb des abgeschirmten Raumes zu erzeugen (Techn. Mitt. AEG-TELEFUNKENbO [1970], Seiten 90 und 91). Es ist jedoch schwierig, unerwünschte Rückwirkungen der einzelnen Spulensysteme auf die Sonden zu vermeiden;

4"> außerdem sind erhebliche Aufwendungen erforderlich, um die notwendige Konstanz der Regelkreise zu erreichen. In ungünstigen Fällen kann sogar durch Rückkcpplungseffekte ein Aufschaukeln der Störung bewirkt werden (z. B. Überschwingverhalten bei Im-

■'() pulsstörungen).

Eine exakte Ausregelung von unregelmäßig auftretenden Störungen ist auf diesem Wege kaum möglich.

Ferner wurde in allen bisherigen Vorschlägen zur Erzeugung definierter Felder davon ausgegangen, daß

~>~> die betreffenden Spulen bzw. Spulensysteme einen ausreichenden Abstand von den Wänden des Abschirmraumes aufweisen, um den Feldverlauf des Spulensystems nicht zu verändern.
Andererseits kann man jedoch eine Homogenisierung

€»n des Feldes durch sinnvolle Anwendung entsprechender weichmagnetischer Rückschlüsse bewirken. Bisher sind solche Verfahren aber nur für den Fall kreiszylinderförmiger Anordnungen bekannt, z. B. aus dem Fachbuch von E. Du rand, »Magnetostatique«, Paris 1968, Seite

to 544.

Geht man davon aus, daß z. B. innerhalb eines Helmholtzspulensystems nur ein kleiner Volumenanteil die Homogenitätsbedingungen erfüllt und außerdem

dieses Spulensystem wiederum in großem Abstand von dem Abschirmgehäuse gehalten werden muß, um Rückwirkungen zu vermeiden, so kommt man zu sehr großen Abschirmräumen bei einem relativ kleinen homogenen Nutzraum.

So wird in der bereits zitierten Veröffentlichung »Magnetfeldsimulationsanlagen für Satelliten« (Techn. Mitt. AEG-TELEFUNKEN 60 [1970], Seiten 90 und 91) für den Fall eines Braunbek-Quadratspulensystems darauf hingewiesen, daß man einen Spulendurchmesser von etwa 15 m benötigt, um eine Homogenilätszone von 3 m Durchmesser zu erhalten; es kann also nur der fünfte Teil der Lineardimension der Spule wirksam als homogener Feldbereich genutzt werden.

Arbeitet man hingegen nicht mit der Kompensationsmethode, sondern mit einer Abschirmhülle aus hochpermeablem Material, dann sollte die Abmessung dieser Hülle nach den bisherigen Vorstellungen noch groß gegen die Spulenabmessung sein.

Da der Aufwand für die Abschirmvorrichtung mit der dritten Potenz der Linearabmessung wächst, sind derartige Projekte bisher technisch nicht realisiert worden. Zusätzlich ist hierbei noch zu berücksichtigen, daß mit der Vergrößerung der Lineardimension der Abschirmvorrichtung auch die Materialdicke des verwendeten Materials entsprechend erhöht werden muß, um einen ausreichenden Abschirmfaktor zu erhalten.

Die Wirksamkeit einer magnetischen Abschirmvorrichtung hängt von der Permeabilität des verwendeten Werkstoffes ab. Es liegt daher nahe, hochpermeable Legierungen für Abschirmzwecke einzusetzen. Diese Legierungen erhalten ihre günstigen magnetischen Eigenschaften jedoch erst nach einer Glühbehandlung bei relativ hohen Temperaturen. Eine nachfolgende Bearbeitung ist weitgehend zu vermeiden, da sie die magnetischen Kennwerte beeinträchtigt; man glüht demzufolge kleinere Abschirmvorrichtungen in der Regel im Ganzen.

Dieses Verfahren ist bei großen Abschirmvorrichtungen nicht mehr anwendbar, da entsprechende Ofeneinheiten nicht zur Verfügung stehen. Zusätzlich würde aus Stabilitätsgründen die Glühung großer Hohlkörper zu erheblichen Schwierigkeiten führen.

Unter Vermeidung der aufgezeichneten Nachteile bisheriger Lösungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Abschirmvorrichtung mit Linearabmessungen größer als 1 m und mit wenigstens einer Abschirmschicht aus einem hochpermeablen magnetischen Werkstoff anzugeben, die eine verbesserte Abschirmwirkung aufweist. In dieser Abschirmvorrichtung sollen sich mittels einer zusätzlichen Vorrichtung relativ große homogene Magnetfelder vorgegebener Richtung und Stärke erzeugen lassen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unmittelbar auf der aus möglichst langen Bändern bestehenden ersten Abschirmschicht eine weitere Schicht mit kreuzweise zu den Bändern der ersten Abschirmschicht verlaufenden möglichst langen Bändern verlegt ist.

Die erfindungsgemäße Abschirmvorrichtung weist insbesondere dann eine günstige Abschirmwirkung auf, wenn der magnetische Werkstoff aus einer Nickel-Eisen-Legierung besteht, die 70 bis 82 Gew.-% Nickel, 0 bis 11 Gew.-% Kupfer, 0 bis 6 Gew.-% Molybdän, 0 bis 6 Gew.-% Chrom, Rest Eisen enthält, wobei der Eisengehalt mindestens 9 Gew.-% beträgt.

Zur weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, auf die Innenseiten der Abschirmwände ein oder mehrere Wicklungssysteme aus parallel verlaufenden Drähten oder Bändern gleichmäßig zu verlegen, um ein homogenes Magnetfeld vorgegebener Richtung und Größe erzeugen zu können. Im Falle mehrerer Wicklungssysteme sind diese so anzuordnen, daß ihre Spulenachsen senkrecht zueinander stehen.

Der Aufbau der Abschirmhülle aus zwei kreuzweise

und unmittelbar aufeinander verlegten Teilschichten hat den Vorteil daß durch die hiermit erzielte maximale Überlappung ein günstiger Verlauf des magnetischen

Flusses längs der einzelnen Bahnen erreicht und damit die hohe Permeabilität weichmagnetischer Werkstoffe wirksam ausgenutzt wird. Da sich jedes Magnetfeld in

der Schichtebene in zwei senkrecht zueinander stehende Komponenten aufspalten läßt, läuft der magnetische Fluß stets in günstigen Richtungen mit einem Minimum an Luftspalten, so daß in allen Richtungen des abgeschirmten Raumes hohe Abschirmfaktoren erreicht werden.

Bei besonders hohen Anforderungen an die Abschirmwirkung kann man Mehrfachabschirmungen verwenden, deren einzelne Abschirmschichten z. B. aus je zwei kreuzweise verlegten Teilschichtsystemen aufgebaut sind.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darn, daß innerhalb des gesamten Abschirmraumes homogene magnetische Felder vorgegebener Richtung und Größe erzeugt werden können, indem man die Abschirmwände mit rechtwinklig gekreuzten Stromleitersystemen aus parallelen Drähten oder Bändern belegt. Durch den günstigen magnetischen Rückschluß über die Abschirmwände besitzt das Gesamtsystem eine Feldverteilung mit hoher Homogenität.

Die Wirksamkeit einer derartigen erfindungegemäßen Spulenbelegung zur Herstellung eines homogenen Magnetfeldes in einem kubischen oder quaderförmigen Abschirmraum beruht auf folgenden theoretischen Überlegungen:

Potentialfelder sind durch ihre Werte auf einer Berandung vollständig gegeben. Gelingt es nun, auf den Seitenflächen des Abschirmraumes die Potential- bzw. Feldverteilung entsprechend des eines unendlich ausgedehnten homogenen Feldes zu schaffen, so muß auch im Innern des Raumes ein homogenes Feld vorliegen.

Belegt man zunächst nur die zu einer der Kanten des betrachteten Raumes (Richtung a) parallelen Seilen von der Innenseite der Abschirmwände her gleichmäßig mit einem Stromleitersystem aus parallelen Drähten, so kann durch einen entsprechenden Strom durch diese Spulenbelegung (Spulenachse parallel zu a)e\n konstanter Gradient des magnetischen Potentials im Innenraum des Spulensystems längs der vier zugehörigen Seitenflächen erzeugt werden, wenn man von den geringfügigen Feldabweichungen absieht, die durch die Leiterverteilung bedingt sind.

Auf die beiden begrenzenden Flächen senkrecht zu a

treffen die Feldlinien senkrecht auf, wenn die Permeabi-

bo lität des Wandmaterials genügend hoch und die Wandstärke der Abschirmung so ausreichend bemessen ist, daß der Gesamtfluß aus dem Innenraum bei der betreffenden durch den Strom eingestellten Feldstärke voll und ohne Sättigungseffekt aufgenommen werden

t>5 kann.

Unter diesen Bedingungen können die Abschirmwände s ikrecht zu a als Flächen konstanten magnetischen Potentials aufgefaßt werden. Das Magnetische Feld H,

im Innern der Abschirmung ergibt sich dann unmittelbar aus der Stromdichte /der Spulenbelegung.

Berücksichtigt man den endlichen Permeabilitätswert weichmagnetischen Materials, so iind kleine Abweichungen möglich. Auch die Hystereseeigenschaften können bei größeren Aussteuerungen geringfügig wirksam werden. In Anbetiacht der für diesen Magnetkreis wirksamen starken Scherung mit einer Luftstrecke über die gesamte Raumabmessung, können diese Effekte indessen bei Werkstoffen mit genügend geringen Koerzitivfeldstärken (hohe Aussteuerung) bzw. kleinen Rayleigh-Konstanten (kleine Aussteuerung) vernachlässigt werden. Durch eine geeignete Wechselfeld-Idealisierung können auch diese im allgemeinen veruachlässigbaren Effekte eliminiert werden.

Erweitert man nun dieses System auf die drei zueinander senkrecht stehenden Richtungen des Abschirmraumes mit entsprechenden, dreifach ineinander geschachtelten homogen auf den Innenwänden verlegten Spulensystemen, so lassen sich homogene Magnetfelder beliebiger Orientierung im Inneren des Abschinnraumes erzeugen.

Der Innenraum kann dabei nahezu vollständig genutzt werden, da Abweichungen erst in unmittelbarer Nähe der Begrenzungsflächen infolge der Windungsunterteilung wirksam werden, die im Prinzip beliebig fein gewählt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.

Zum Aufbau einer quaderförmigen Abschirmvorrichtung der Abmessung 3500 mm χ 2500 mm :·.· 2500 mm wurde zunächst ein Traggerüst errichtet, das als Stahlrippenbau mit Doppel-T-Trägern ausgeführt war. Zur besseren Formgenauigkeit und Formbeständigkeit wurden alle Träger miteinander verschraubt. Um weitgehendst plane Wandflächen zu erhalten, wurde dann das Stahlgerüst innenseitig mit möglichst ebenen Tiefziehblechen verkleidet. Alle Abschirmbleche aus einer Nickel-Eisen-Molybdän-Kupfer-Legierung mit 76 Gew.-% Nickel, 3 Gew.-% Molybdän, 4,5 Gew.-% Kupfer, Rest Eisen wurden in den Abmessungen 2500 mm χ 380 mm χ 2 mm vorgefertigt und in einem Glühofen schlußgeglüht. Die Abschirmblechc wurden zunächst auf die Seitenflächen der Abschirmvorrichtung in waagerechter Richtung verlegt. Dann erfolgte die Verlegung der senkrecht hierzu verlaufenden Bleche. In gleicher Weise wurden danach die Decke und der Boden des abzuschirmenden Raumes kreuzweise mit Blechen belegt. Zur Herstellung <ies magnetischen Schlusses an den Kanten des Raumes wurden 380 mm breite Bleche der Länge nach rechtwinklig abgekantet, so daß Winkelstücke mit einer Schenkelbreite von 190 mm entstanden. Die schlußgeglühten Winkelstücke wurden längs der Innenkanten verlegt, um auch an den Kanten des Raumes eine vollständige Überlappung zu erzielen.

Die endgültige Befestigung an den Tiefziehblechen und die enge Verbindung beider Teilschichtsysteme erfolgte in allen Kreuzungsfeldern durch Hohlblindnieten, die eine schonende Verbindung der hochpermeablen Abschirmbleche gestatteten.

Die erzielte Abschirmwirkung wurde mit Hilfe des Abschirmfaktors 5 bestimmt, der das Verhältnis des äußeren Feldes H-, (Störfeld) zu dem Feld H, innerhalb der Abschirmvorrichtung angibt.

Zur Ermittlung des magnetostatischen Abschirmfaktors wurde das Gleichfeld außerhalb und das verbleibende Restfeld innerhalb der Abschirmvorrichtung mil einem Feldstärkenmesser bestimmt.

Eine Aussage über den WechselfeldabsL'hirmfaktor ist nur unter der Annahme einer hinreichenden Konstanz der Störfelder während der Messung innerhalb und außerhalb der Abschirmvorrichtung möglich. Gemessen wurde die am stärksten beobachtbare 50-Hz-Koinponente des Störfeldes mit einem frequenzgesteuerten phasenempfindlichen Verstärker.

Die Ergebnisse für den Mittelbereich der Abschirmvorrirhtung sind für beide Messungen in der nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt.

)n Art der
Störung

Meßort

Feldstärke

Abschirmfaktor S

Gleichfeld
Wechselfeld

außerhalb 260 mA/cm 93
innerhalb 2,8 mA/cm

außerhalb
innerhalb

16,1 μ
0,11

140

Aus den Gleichfeldmessungen ist ersichtlich, daß die Feldstärke im Inneren der Abschirmvorrichtung auf etwa 1% reduziert wurde. Die Wechselieldstörungen erniedrigten sich auf 0,7% ihres Außenwertes.

Der höhere Abschirmfaktor bei Wechselfeldstörun gen ist zu erwarten, da bei der verwendeten Blechdicke von 2 mm und der hohen Materialpermeabilität ein zusätzlicher Wirbelstrom-Abschirmeffckt auftritt.

Die erhaltenen Abschirmfaktoren belegen, daß sich mittels der Erfindung abgeschirmte Großräume zur Verfügung stellen lassen, wie sie für hochempfindliche Messungen, beispielsweise zur Aufnahme von Gehirnströmen mit einem Elektro-Enzephalograinin, bcnötigi werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Magnetische Abschirmvorrichtung mit Linear abmessungen größer als 1 m und mit wenigstens einer Abschirmschicht aus einem hochpermeablen magnetischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar auf der aus möglichst langen Bändern bestehenden ersten Abschirmschicht eine weitere Schicht mit kreuzweise zu den Bändern der ersten Abschirmschicht verlaufenden möglichst langen Bändern verlegt ist

2. Magnetische Abschirmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Werkstoff aus einer Nickel-Eisen-Legierung besteht, die 70 bis 82 Gew.-°/o Nickel, 0 bis 11 Gew.-°/o Kupfer, 0 bis 6 Gew.-% Molybdän, 0 bis 6 Gew.-% Chrom, Rest Eisen enthält, wobei der Eisengehalt mindestens 9 Gew.-% beträgt.

3. Magnetische Abschirmvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes vorgegebener Richtung und Größe auf die Innenseiten der Abschirmwände ein oder mehrere Wicklungssysteme aus parallel verlaufenden Drähten oder Bändern gleichmäßig verlegt sind, wobei im Falle mehrerer Wicklungssysteme deren Spulenachsen senkrecht zueinander stehen.