Státní etalon magnetické indukce

Název etalonu: Státní etalon magnetické indukce

Kódové označení: ECM 260-2/01-012

Rok vyhlášení: 2001

Pracoviště: odd. 8017 ČMI LPM Praha

Garant: Ing. Michal Ulvr, Ph.D.

Počet zajišťovaných CMC řádků: 4

Magnetická indukce je hlavní veličinou popisující magnetické pole. Magnetická indukce je vektorová veličina, její vektorový součin s elementem proudového vlákna se rovná síle působící na tento element. Je definována pomocí veličiny magnetického toku, který je plošným integrálem magnetické indukce. Jednotkou magnetické indukce je tesla (T).

Hlavní důraz se klade na metrologii magnetické indukce stacionárního magnetického pole ve vakuu, resp. ve vzduchu. Ve vakuu platí B = μ₀×H, kde B je magnetická indukce, H je intenzita magnetického pole, μ₀ = 1,256 637 062 12(19).10^-6 N×A^-2 [1] je permeabilita vakua neboli magnetická konstanta. Tento vztah platí dostatečně přesně i pro vzduch, při atmosférickém tlaku jsou rozdíly až u devátého desetinného místa. Proto etalony a metody měření magnetické indukce a intenzity magnetického pole ve vzduchu jsou prakticky záměnné. Pro zjednodušení je v tomto dokumentu uvažována pouze magnetická indukce ve shodě s praxí metrologických institucí a je tím míněno měření a etalonáž obou těchto veličin B a H.

Realizace jednotky magnetické indukce tesla (T) souvisí s realizací magnetického pole a na nejvyšší státní úrovni se uskutečňuje dvěma způsoby, cívkovými etalony a etalony – zařízeními využívajícími vhodnou metodu měření magnetické indukce, obvykle některou metodu nukleární magnetické rezonance.

Cívkovými etalony je realizována veličina magnetická indukce na elektrický proud T×A^-1 (konstanta cívky K_B) a ta je předávána dále, popřípadě porovnávána. Magnetická indukce je realizována průchodem proudu ve vinutí cívky B = K_B×I. Dovolený proud naším státním etalonem je do 0,5 A, krátkodobě do 1 A. Tak jím lze realizovat hodnoty magnetické indukce do 0,6 mT. Navázanými sekundárními cívkovými etalony magnetické indukce lze realizovat hodnoty až 100 mT.

V Českém metrologickém institutu (dříve ČSMÚ) byla vyrobena již před r. 1984 cívka s jednou vrstvou závitů navinutých ve čtyřech sekcích do vybroušené drážky na kostře z opakního křemene. Rozměry vinutí jsou voleny tak, aby homogenita magnetické indukce ve vnitřním prostoru byla co největší, jde o tzv. Barkerův solenoid. Tento etalon byl vícekrát mezinárodně porovnáván a byl po průběžném sledování a výzkumu vyhlášen v roce 1984 jako Čs. státní etalon magnetické indukce. Po dílčích postupných modernizacích etalonážního zařízení, po zlepšeních metodiky měření a po dalších porovnáních např. ve VNIIM St. Petersburg a po historicky prvním porovnávání magnetických veličin v Eurometu Project No. 446 (pilotní laboratoř PTB) byl vyhlášen tento etalon v roce 2001 českým státním etalonem magnetické indukce. Náš etalon se zúčastnil i následného klíčového porovnání magnetické indukce CCEM.M.-K1 rovněž s velmi dobrým výsledkem. 

Pro větší hodnoty magnetické indukce se obvykle používají metody nukleární magnetické rezonance (NMR). Etalonová metoda NMR spočívá v měření kmitočtu f_p  rezonance protonů v magnetickém poli s magnetickou indukcí B. Magnetická indukce B se vypočte ze vztahu:

kde konstanta proporcionality – gyromagnetický poměr protonů ve vodě γ´_p je jednou z důležitých základních fyzikálních konstant a její doporučená hodnota (CODATA 2014) je 2,675153171(33) .10⁸ s^-1×T^-1 (1,3. 10^-8).

Zařízení založené na metodě NMR vynucené precese – precese protonů (jader vodíku) nebo jiných atomových jader ve vzorku vody vkládané do stacionárního magnetického pole s magnetickou indukcí B je další částí státního etalonu pro hodnoty magnetické indukce 0,02 T až 2 T. U této metody se uskutečňuje polarizace jader pracovní látky, rezonanční efekt i indikace rezonance ve spojení s měřením kmitočtu v jednom a tom samém magnetickém poli.

Jedná se o elektromagnet Radiopan ER2505 zakoupený v roce 1989 spolu s NMR teslametrem vynucené precese MS2200. Zařízení obsahuje i napájecí zdroje zpětnovazebně řízené uvedeným teslametrem tak, že magnetické pole v elektromagnetu je stabilizováno. Všeobecnou podmínkou této metody je vysoká homogenita měřené magnetické indukce alespoň 1.10^-2 % na 1 cm.  V roce 2006 jsme získali NMR teslametr Š1-9 (Etalon, VNIIM St. Petersburg) a ještě v tomto roce byla po vyhodnocení schválena změna státního etalonu tak, že pro rozsah 0,02 T až 0,2 T je státním etalonem teslametr Š1-9  a pro rozsah 0,2 T až 2 T je státním etalonem teslametr MS2200. Nicméně oba NMR teslametry jsou schopny měřit v celém rozsahu 0,02 T až 2 T.

Mezera mezi rozsahy cívkového etalonu a metody NMR vynucené precese je pokryta další metodou NMR, metodou nutace. Ta využívá rezonanci protonů v tekoucí vodě a vzájemně prostorově oddělené magnetování protonů v silném pomocném poli, realizaci rezonančního efektu v měřeném poli a indikaci rezonance v dalším pomocném poli obvykle permanentního magnetu. Výhody této metody jsou podstatně větší citlivost, odstranění některých efektů posunu rezonanční frekvence a menší citlivost k nehomogenitě pole. Nevýhodou je větší komplikovanost metody a nekompaktnost zařízení. Měřicí zařízení jsme realizovali vlastními silami v letech 1982 až 1984. Součástí zařízení je podstatně předělaný NMR teslametr Š1-1, předělaný pro průtočnou sondu NMR. Součástí je okruh tekoucí vody s čerpadlem, indikační permanentní magnet 0,2 T, cívkové sondy rezonance s číslicovým programovatelným generátorem elektrického signálu do 500 kHz, průtočný polarizátor vody s elektromagnetem a čítač Hewlet Packard. Původní zařízení je podrobně popsáno v [2], uceleně bylo publikováno v [3]. V roce 2017 byla provedena modernizace a vylepšení této metody [4]. Jako státní etalon slouží v rozsahu 0,1 mT až 200 mT.

Mezinárodní porovnání těchto metod NMR v rozsahu 10 mT až 2 T nebyla zatím žádná v Evropě provedena a ani nejsou plánována. Prozatím postačuje spoléhat se na znalost konstanty γ´_p  a poměrně velmi přesné a běžně dostupné měření kmitočtu.

[1] E. Tiesinga, P. J. Mohr, D. B. Newell and B. N. Taylor: „CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2018“, 2019. [Online]. Available:
https://physics.nist.gov/cuu/pdf/wallet_2018.pdf

[2] J. Kupec: „Etalony a vybrané metody měření magnetické indukce“, Kandidátská dizertační práce, Praha, 1984.

[3] J. Kupec, “Measurements of magnetic flux density with NMR methods using flowing water,” in Proc. BEMC, Teddington, U.K., Nov. 1997, pp. 44-1–44-4.

[4] M. Ulvr, J. Kupec: „Improvements to the NMR method with flowing water at CMI“, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, vol. 67, No. 1, 2018, pp. 204-208.