HOMIE (Homogeneous Fields in Experiments)

Aus Sekels Magnetic Shielding
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Viele wissenschaftliche Experimente benötigen räumlich sehr homogene Magnetfelder oder definierte Feldgradienten. Solche Versuchsaufbauten werden z. B. zur Charakterisierung hochpräziser magnetischer Sensoren oder in anderen Bereichen der Atom- und Kernphysik, der Neuro- oder Nanowissenschaften verwendet.

Oftmals werden quasistatische Magnetfeldvektoren mit Beträgen im Bereich unterhalb von mT benötigt, die mit hoher räumlicher Homogenität in zwei oder drei Raumrichtungen frei einstellbar sind. Um in diesem Feldbereich wohldefinierte Magnetfelder erzeugen zu können, müssen sowohl das Erdfeld als auch Laborfelder wirksam abgeschirmt werden.

Basierend auf den Erfahrungen mit magnetischen Abschirmungen und der Auslegung magnetischer Systeme haben wir einen geschirmten Aufbau entwickelt, der sehr homogene dreidimensionale Magnetfelder erzeugt, auf Wunsch auch mit definiertem Feldgradient. Der HOMIE ist sehr kompakt aufgebaut und hat seine Praxistauglichkeit im Forschungsumfeld schon unter Beweis gestellt.

Niederfrequente und magnetische Gleichfelder lassen sich nur durch Flussumleitung abschirmen, bevorzugt durch geschlossene Gehäuse aus mehreren Lagen aus einem hochpermeablen Abschirmwerkstoff, z. B. MUMETALL®. Definierte Magnetfelder innerhalb des abgeschirmten Volumens können entweder durch Dauermagnete oder durch elektrische Ströme erzeugt werden.

HOMIE basiert auf elektrischen Strömen, um Felder ohne mechanische Veränderungen einstellen zu können. Da die Abschirmmaterialien auch mit den im Innenraum erzeugten Feldern wechselwirken, wird ein Konzept benötigt, bei dem die Abschirmung die Feldhomogenität unterstützt und sie nicht, wie z. B. bei den „auf dem Papier“ optimierten Luftspulensystemen verzerrt. Viele konventionelle Aufbauten für ähnliche Zwecke verwenden Helmholtz-Spulen, deren theoretische Feldhomogenität jedoch auf die zweite Ordnung beschränkt ist und außerdem durch Abschirmmaterialien in ihrer Umgebung beeinträchtigt wird.

Das HOMIE-System basiert auf einem völlig anderen Ansatz, der das Abschirmmaterial sogar nutzt, um die Feldhomogenität zu verbessern. Prinzipiell (begrenzt durch den betriebenen konstruktiven Aufwand) kann sein gesamter Innenraum mit einem absolut homogenen Magnetfeld ausgefüllt sein. Es bietet daher einen besonders großen für Experimente nutzbaren Volumenanteil und ist im Gegensatz z. B. zu Solenoidsystemen von außen leicht zugänglich. Beeinträchtigungen der Feldhomogenität durch auf Kundenwunsch eingeplante Durchführungen können durch ein speziell angepasstes Stromumleitungsverfahren minimiert werden. Außerdem kann der gesamte Innenraum frei von elektrisch leitfähigen Materialien gehalten werden, was wichtig ist, wenn höherfrequente Experimente unter kontrollierten quasistatischen Magnetfeldern durchgeführt werden sollen.

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Vorteile des HOMIE-Systems:

  • Dreidimensionale Magnetfelder im Bereich < mT
  • Erzeugung definierter Feldgradienten
  • Schirmfaktor ca. 10.000 (entsprechend 80 dB) gegen externe Felder
  • Feldhomogenität besser als bei Helmholtz-Systemen
  • Homogenitätsbereich größer als bei aktiver Kompensation
  • Leicht zugänglicher Innenraum
  • Kundenspezifische Anpassungen möglich (1D/2D/3D-Felderzeugung, variable Größe, …)
  • Auf Wunsch: Entmagnetisierung der Abschirmmaterialien
  • Bereits in mehreren Forschungslaboren im Einsatz

Der HOMIE-Aufbau

Die gezeigte HOMIE Abschirmung besteht aus fünf Lagen MUMETALL® (die äußeren Lagen sind nicht abgebildet), einem magnetisch äußerst hochpermeablen Material mit niedriger Koerzitivfeldstärke, das für Abschirmanwendungen höchster Anforderungen verwendet wird. Dies minimiert äußere Streufelder und Effekte remanenter Magnetisierung auf ein Minimum.

Das homogene Magnetfeld wird durch ein System stromdurchflossener Drähte erzeugt, das an den inneren Lagen der Abschirmung angebracht ist. So wirkt die Abschirmung gleichzeitig zur Unterdrückung äußerer Felder und zur Feldhomogenisierung.

Die Steuereinheit wird separat aufgestellt und besteht aus Stromversorgungen und einer PC-gestützten Ansteuerung. Sie ist auf stabile Stromflüsse und ein absolutes Minimum zeitlicher Fluktuationen hin optimiert.

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