Estimación de la profundidad máxima de detección de objetos ferromagnéticos de origen artificial en el espesor de un medio semiconductor.

Estimación de la profundidad máxima de detección de objetos ferromagnéticos de origen artificial origen en el espesor del entorno semiconductor..

Estimación de la profundidad máxima de detección de objetos ferromagnéticos de origen artificial en el espesor de un medio semiconductor.

SHCHERBAKOV Grigory Nikolaevich, Profesor, Doctor en Ciencias Técnicas
ANTSELEVICH Mikhail Aleksandrovich, Doctor en Ciencias Técnicas
UDINTSEV Dmitry Nikolaevich, Candidato en Ciencias Técnicas

ESTIMACIÓN DE LA PROFUNDIDAD LÍMITE DE DETECCIÓN DE OBJETOS FERROMAGNÉTICOS DE ORIGEN ARTIFICIAL EN EL ESPESOR DE UN MEDIO SEMICONDUCTOR  

Para detectar faltas de homogeneidad de campo local en medios de cobertura no ferromagnéticos (tierra, agua, nieve, etc.) causadas por objetos artificialesferromagnéticos.De origen, los dispositivos magnéticamente sensibles, como los gradiómetros fluxgate o los magnetómetros, son los más utilizados [1–5]. Una tarea similar surge cuando se buscan oleoductos y gasoductos de acero, equipos hundidos, armas pequeñas, armas de fuego y armas blancas, bombas y proyectiles de artillería sin explotar y la mayoría de las minas antitanque, antiaterrizaje y antipersonal de ingeniería. Estos objetos tienen su propio campo magnético o distorsionan el campo uniforme de la Tierra y, en ambos casos, la magnitud del campo magnético en el área del elemento sensible fluxgate cambia su magnitud y dirección. Esta es una señal de la presencia de un objeto ferromagnético. En relación al objeto deseado, estos dispositivos son pasivos, es decir, no tienen ningún efecto sobre el objeto.

La fuerza electromotriz (fem) a la salida del sistema sensible del gradiómetro [2] es proporcional a la diferencia en la intensidad del campo magnético en dos puntos en el espacio (Fig. 1), ubicados en un distancia l i>entre sí (base del gradiómetro). El principal parámetro de un magnetómetro es su sensibilidad. La sensibilidad se mide por la magnitud de la inducción magnética o la intensidad del campo magnético que el dispositivo es capaz de registrar. Otra característica no menos importante es la resolución, que determina la diferencia mínima en los parámetros del campo magnético que puede registrar el dispositivo. Los magnetómetros modernos tienen una resolución de 0,01 nT a 1 nT, según el principio de funcionamiento y la clase de problemas a resolver [1, 2, 6].

 
Fig. 1. Detección de heterogeneidades ferromagnéticas de pequeño tamaño de origen artificial en medios de cobertura no ferromagnéticos mediante gradiómetros fluxgate

En [3], se proporciona una dependencia que permite determinar aproximadamente el rango de detección de un objeto de búsqueda aproximado por una esfera ferromagnética mediante un gradiómetro fluxgate:

,(1)

donde es el radio de la esfera ferromagnética, m;

– constante magnética, 1,257×10-6 H/m;

– intensidad del campo magnético constante de la Tierra, A/m;

– Sensibilidad del gradiómetro en todo el campo, T/m.

Esta fórmula tiene una precisión satisfactoria para la práctica, a pesar de una serie de suposiciones y limitaciones aceptadas:

• el valor de la permeabilidad magnética del objeto de búsqueda no se tiene en cuenta como significativamente superior a la permeabilidad magnética del medio de cobertura externo ;
• la permeabilidad magnética relativa del medio de cobertura externo se toma igual a 1;
• la distancia entre las compuertas de flujo (longitud de la base) no se tiene en cuenta l.

Por tanto, la fórmula (1) no es aplicable para una evaluación exhaustiva de la influencia de las propiedades magnéticas del objeto de búsqueda y el medio de cobertura y la longitud de la base en el magnetómetro de rango máximo de detección.

A continuación se muestra la secuencia de obtención de la dependencia, que tiene en cuenta, además de los factores considerados en (1), las propiedades magnéticas del objeto de búsqueda, el medio de cobertura y la longitud de la base del magnetómetro.

La intensidad del campo magnético perturbado externo se describe mediante la expresión [7]:

(2)

dónde – la intensidad del campo magnético externo no perturbado, en nuestro caso igual a la intensidad del campo magnético constante de la Tierra , A/m ;

r es la distancia desde el centro de la esfera ferromagnética hasta el punto de observación.

Dada la igualdad, en la vasta en la mayoría de los casos, de las permeabilidades magnéticas del medio en el que se encuentra el instrumento de medida (aire, agua) y del medio que lo cubre (suelo, agua, nieve, etc.):

, (3)

condiciones de la interfaz:

, (4)

se puede representar como:

. (5)

La fuerza del campo magnético perturbado externo en el centro de la compuerta de flujo inferior:

, (6)

donde es la profundidad máxima de detección de un objeto de búsqueda aproximado por una esfera ferromagnética mediante un gradiómetro fluxgate.

La fuerza del campo magnético perturbado externo en el centro de la compuerta de flujo superior:

, (7)

La diferencia entre las intensidades del campo magnético perturbado externo en los centros del magnetómetro fluxgate:

,( 8)

La profundidad máxima de detección de objetos cumple la condición:

, (9)

El análisis mostró una convergencia satisfactoria de los resultados de cálculos teóricos de acuerdo con la fórmula (8) y realizó estudios experimentales a gran escala para evaluar la profundidad máxima de detección de esferas ferromagnéticas de varios radios (foto 1) con un dispositivo para determinar la ubicación de esferas ferromagnéticas OGF-Ltipo 83 015 (foto 2, fig. 2).

Foto 1. Esferas ferromagnéticas utilizadas en investigación experimental

Foto 2. Dispositivo de localización de ferroimanes OGF-L tipo 83 015

Fig. 2. Resultados de cálculos teóricos utilizando las fórmulas (1) 1, (8) – 2 y estudios experimentales a gran escala utilizando OGF-L tipo 83 015 – 3

En Fig. . La Figura 3 muestra las dependencias de la profundidad máxima de detección de una esfera ferromagnética mediante un magnetómetro diferencial con una resolución de intensidad de campo magnético de 0,01 A/m desde su radio. Dependencias de la longitud de base requerida l Magnetómetro diferencial para detectar una esfera ferromagnética de radio a una profundidad de 10 m en diferentes La resolución del dispositivo para la intensidad del campo magnético se presenta enFig. 4.

A partir de estas dependencias (Fig. 3, 4) está claro que la permeabilidad magnética relativa del objeto de búsqueda es más que = 10, en = 1, se puede considerar que excede significativamente la permeabilidad magnética del medio. El error al determinar la profundidad máxima del objeto de búsqueda no supera el 8%. La influencia más significativa sobre la profundidad de búsqueda es la longitud de la base del magnetómetro. Esto se explica por el hecho de que la medición en estos dispositivos es de naturaleza relativa, y aumentar la longitud de la base permite trasladar uno de los elementos sensibles del objeto de búsqueda a la zona de menor perturbación.

En la Fig. La Figura 5 muestra la dependencia del rango de detección máximo de una esfera ferromagnética de diferentes radios Magnetómetro diferencial con una resolución de intensidad de campo magnético de 0,01 A/m desde la distancia entre compuertas de flujo l. El análisis de este gráfico sugiere que la longitud máxima apropiada de la base del magnetómetro para una resolución determinada depende del tamaño del objeto de búsqueda.

Dependencia del máximo profundidad de detección esfera ferromagnética ( = 100) en la longitud de la base l y la resolución del magnetómetro diferencial en términos de intensidad del campo magnético, presentado enfig. 6muestra que es posible aumentar significativamente la profundidad de búsqueda al aumentar la resolución del dispositivo.

Fig. 3. Dependencias de la profundidad máxima de detección de una esfera ferromagnética ( = 100) mediante un magnetómetro diferencial con una resolución de intensidad de campo magnético de 0,01 A/m desde su radio

Arroz. 4. Dependencia de la longitud de base requerida l de un magnetómetro diferencial para detectar una esfera ferromagnética de radio a una profundidad de 10 m con la resolución del dispositivo en intensidad de campo magnético: 1 – 0,01 A/m; 2 0,001 A/m; 3 – 0,0001 A/m

Fig. 5. Profundidad de detección máxima ferromagnetic sher predelnoi_glubini_obnarujeniya_ferromag nitnix_obek_7 . gif» /> = 100) dependiendo de su radio y la distancia entre las compuertas de flujo l de un magnetómetro diferencial con una resolución de intensidad de campo magnético de 0,01 A/m

a)

b)
Arroz. 6. Dependencia de la profundidad máxima de detección esfera ferromagnética ( = 100) sobre la longitud de la base l y la resolución del magnetómetro diferencial en términos de intensidad del campo magnético en el radio de la esfera: = 0,5 m (a); = 0,1 m (b)

Así , la dependencia (8) permite:

1. Calcule la profundidad máxima de detección de objetos de búsqueda con dimensiones geométricas dadas mediante magnetómetros existentes.

2. Justificar las características de los magnetómetros desarrollados dependiendo de la profundidad requerida (especificada) de ocurrencia (búsqueda) y las dimensiones geométricas de los objetos.

3. Determine la permeabilidad magnética de objetos con dimensiones geométricas conocidas y distancia al objeto.

Análisis de dependencia (8) y gráficos (Fig. 3 — 6) nos permite sacar las siguientes conclusiones:

1. La influencia de la permeabilidad magnética relativa de los objetos de búsqueda cuando su valor es superior a 10 en la profundidad de detección es insignificante.

2. La longitud adecuada de la base depende y debe ser coherente con el tamaño esperado del objeto de búsqueda. Es recomendable tener una longitud de base que sea de 1,5 a 2 veces mayor que las dimensiones geométricas del objeto de búsqueda. Reducir la longitud conduce a una disminución significativa en la profundidad de búsqueda, aumentarla conduce a un ligero aumento.

3. La profundidad máxima de detección de los magnetómetros modernos para objetos de búsqueda típicos de pequeño tamaño (armas pequeñas y blancas, la mayoría de las minas antitanque, antiaterrizaje y antipersonal de ingeniería) no supera los 3 m.

Referencias:

1. Arbuzov S.O. Dispositivos de búsqueda sensibles al magnetismo.Equipos especiales, 2000, núm. 6.

2. Lyubimov V.V. Magnetómetros de diagnóstico para el monitoreo electromagnético en condiciones urbanas y métodos y medios modernos de visualización individual y masiva de sus resultados. Revisar. Preimpresión 6(1116).M.: IZMIRAN, 1998.

3. Shcherbakov G.N. Detección de objetos en entornos escondidos. Para ciencia forense, arqueología, construcción y antiterrorismo. M.: Arbat-Inform, 1998.

4. Prospección magnética. Manual de geofísica./Ed. V.E.Nikitsky, Yu.S.Glabovsky.-M.: Nedra, 1980.

5. Afanasyev Yu.V. Ferrosondas. L.: Energía, 1969.

6. Baranochnikov M.L. Micromagnetoelectrónica T.1.-M.: DMK Press, 2001.

7. Nikolsky V.V. Teoría del campo electromagnético. M.: Escuela Superior, 1961.