Средства измерений 16 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 УДК 53.082.78; 669.018.5 ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ПЛЕНОЧНЫМИ ЭКРАНАМИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНИХ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Батищев А.Г.1, Власик К.Ф.1, Грабчиков С.С.2, Грачев В.М.1, Дмитренко В.В.1, Калашников Н. П.1, Муравьев-Смирнов С.С.1, Ньюнт П.В.1, Улин С.Е.1, Утешев З.М.1, Челедюк А.В.2 1Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, Российская Федерация 2НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, г. Минск, Республика Беларусь Изучена эффективность экранирования постоянного магнитного поля многослойными пленочными экранами системы NiFe/Cu, сформированными на цилиндрических корпусах фотоэлектронных умножителей, и проведено сопоставление с экраном на основе ме- таллургического материала – пермаллой марки 80НХС. Показано, что наиболее эффек- тивным является экран на основе многослойных пленочных структур, который обеспе- чивает значения эффективности экранирования 8–10 в магнитных полях с индукцией 0,1–1 мТл, и 80–100 – в магнитных полях с индукцией 2–4 мТл, что в 4–5 раз выше, чем для экрана из материала 80НХС. (E-mail: gss@iftt.bas-net.by) Ключевые слова: магнитный экран, эффективность экранирования, многослойный пленочный экран. Введение Научная аппаратура, устанавливаемая на борту космических аппаратов (КА), развива- ется в направлении внедрения современных цифровых технологий, повышения тактовых частот обработки информации, расширения спектра обрабатываемых сигналов. Одновре- менно минимизируются масса и габариты ап- паратуры, увеличивается плотность ее компо- новки в объеме КА. Все это усложняет обста- новку с точки зрения электромагнитной совме- стимости приборов и узлов бортовой радио- электронной аппаратуры. Кроме того, при ра- боте в околоземном космическом пространстве научная аппаратура подвергается интенсив- ному воздействию внешних постоянных маг- нитных и переменных электромагнитных по- лей. Известно [1], что максимальная индукция постоянного магнитного поля вдоль орбиты станции «МИР» достигает 0,06 мТл, а ее вариа- ции – 0,04 мТл. Такие поля могут оказывать влияние на фотоэлектронные умножители (ФЭУ), работающие в сцинтилляционных де- текторах и других приборах: ФЭУ особенно чувствительны к воздействию постоянного магнитного поля. Магнитное поле изменяет направление движения электронов внутри ФЭУ, тем самым снижает коэффициент усиле- ния и искажает полезный сигнал, что, в свою очередь, вносит погрешности в результаты из- мерений и вызывает ошибки в работе электро- ники. В связи с этим исследования по влиянию постоянного магнитного поля на функциониро- вание ФЭУ и разработке новых способов за- щиты от его воздействия являются актуаль- ными. Целью данной работы являлось создание многослойных пленочных экранов (МПЭ) для экранирования серийных ФЭУ с применением технологии электролитического осаждения и исследование эффективности их магнитного экранирования. Методика получения и исследования образ- цов многослойных пленочных экранов и фо- тоэлектронных умножителей Многослойные пленочные экраны, содер- жащие слои материалов с высокой магнитной проницаемостью на основе сплавов никель–же- лезо и слои меди, формировались в едином технологическом цикле методом электролити- ческого осаждения [2]. В качестве подложек Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 17 для МПЭ использовались алюминиевые кор- пуса цилиндрической формы. Внешний диа- метр цилиндра составлял 4 см, внутренний диаметр 3,7 см, длина 13 см. Были изготовлены образцы МПЭ с толщинами магнитных слоев 150, 45 и 10 мкм и количеством магнитных слоев 3, 10 и 45 соответственно (экраны № 1; № 2 и № 3). Таким образом, суммарная толщина магнитных слоев составляла 450 мкм. Толщина каждого медного слоя, разделяющего магнитные слои, была постоянной и составляла 5 мкм, а их количество – 2, 9 и 44, соответ- ственно для экранов № 1, № 2 и № 3. Количественная оценка эффективности экранирования (Э) МПЭ проводилась по ре- зультатам измерений отношения индукций (или напряженностей) постоянного магнитного поля в защищаемой области пространства при отсут- ствии экрана В0 (или H0), и при наличии его В (или H) [3]: Э = В0 /В =Н0 /Н. (1) Установка для исследования эффективно- сти экранирования состояла из пары катушек Гельмгольца с радиусом 20 см и числом витков 154, двух цифровых тесламетров и мульти- метра, двух датчиков Холла и универсального блока питания [4]. Катушки Гельмгольца со- здавали постоянное магнитное поле, в которое помещался испытываемый образец экрана. Не- однородность магнитного поля вдоль радиуса катушек (R) на расстоянии 10 см в обе стороны от центра катушки составляла не более 4–5 %, в зоне испытываемого образца (R = 2 см) – не более 2–3 %, в направлении, перпендикулярном радиусу катушек в зоне испытываемого об- разца, – не более 2–3 %. Датчики Холла были механически связаны между собой таким образом, что один из них находился внутри экрана, второй – снаружи него, на расстоянии 5 мм от внешней стенки экрана. Это позволяло одновременно переме- щать датчики вдоль оси экрана, исследуя пове- дение магнитного поля как снаружи, так и вне экрана. Для случаев параллельной и перпенди- кулярной ориентаций магнитного поля относи- тельно оси экрана были измерены В и В*, где В* – индукция магнитного поля на расстоянии 5 мм от внешней стенки экрана, в интервале значений В0 от 0 до 2,5 мТл с шагом 0,1 мТл. Для сравнения эффективности экранирования образцов МПЭ с традиционными материалами были проведены измерения величин Э цилин- дрического экрана из пермаллоя толщиной 500 мкм, изготовленного из промышленной фольги 80НХС толщиной 100 мкм. Влияние внешнего магнитного поля на вы- ходные характеристики ФЭУ-85 оценивалось по изменениям величин относительной ампли- туды выходного сигнала (U/U0) и распределе- нию набранных сигналов с ФЭУ по их ампли- туде (Краз) в следующих условиях: ФЭУ без экрана, с экранами из пермаллоя и МПЭ (экраны № 1−3). Под относительной амплиту- дой выходного сигнала понимается отношение амплитуды выходного импульса c ФЭУ при наличии магнитного поля к амплитуде выход- ного импульса при отсутствии магнитного поля. Под распределением сигналов с ФЭУ по амплитуде (амплитудное распределение им- пульсов) понимается отношение полной ши- рины распределения набранных за 20 мин вы- ходных импульсов на половине высоты макси- мума распределения к положению максимума пика распределения. Измерения проводились в магнитном поле и без поля. Измерение величин U/U0 и Краз проводились в продольных и попе- речных магнитных полях относительно оси ци- линдрического корпуса ФЭУ. Внешняя граница входного окна ФЭУ совпадала с торцом экрана. В качестве сигнала, подаваемого на вход ФЭУ- 85, использовался световой импульс от свето- диода BL-L48BC, возникающий при подаче на него импульса стандартной амплитуды 3 В и длительностью 10 нс. Экспериментальные результаты и их обсуж- дение Эффективность экранирования постоян- ного магнитного поля, направленного перпен- дикулярно оси экрана На рисунке 1 представлено распределение индукции постоянного магнитного поля от цен- тра экрана в направлении его продольной оси для различных типов экранов. Магнитное поле с индукцией величиной 2,4 мТл было направ- лено перпендикулярно оси экрана. Вертикаль- ной линией показано место, где заканчивается магнитный экран; центр экрана соответствует точке 0. Зависимости эффективности экраниро- вания от величины В0 для образцов экранов в центральной точке приведены на рисунке 2. Из данных, приведенных на рисунках 1−2, видно, Средства измерений 18 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 что наибольшей эффективностью экранирова- ния магнитного поля, направленного перпенди- кулярно оси испытываемых образцов, обладают МПЭ № 1−3. При этом с ростом количества слоев МПЭ наблюдается возрастание эффекта экранирования постоянных магнитных полей. Необходимо отметить, что экранирование осла- бевает вблизи края экранов, но эффект сохра- няется вне зоны экранов на расстоянии до 10 см от центра. Данный результат позволяет сделать практический вывод – для эффективной защи- ты край экрана должен выходить за край при- бора на расстояние 1–1,5 см (при сопоставимых размерах объектов). Сравнивая эффективность экранирования МПЭ и на основе пермаллоя видно, что у последнего значения Э примерно в 2−3 раза ниже и зона защиты внутри экрана менее протяженная. Данные, приведенные на рисунке 2, свиде- тельствуют о том, что эффективность экрани- рования магнитных экранов увеличивается также и с ростом значений В0. В области низ- ких магнитных полей (0,1–0,2 мТл) значения Э для МПЭ составляют 8–10, в области более вы- соких магнитных полей (1,5–2,5 мТл) – 80–100. Данный результат связан с тем, что магнитная проницаемость материалов магнитных слоев МПЭ увеличивается до определенных значений с ростом величины индукции магнитного поля В0 [3]. B, м Т л R, см Рисунок 1 – Распределение индукции постоянного магнитного поля внутри различных типов экранов от центра экрана в осевом направлении (В0 перпендикулярно оси экрана) Э B0, мТл Рисунок 2 – Эффективности экранирования различных типов экранов (в центре экрана) в зависимости от величины индукции внешнего магнитного поля (В0 перпендикулярно оси экрана) Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 19 Эффективность экранирования постоян- ного магнитного поля направленного вдоль оси экрана На рисунке 3 представлены зависимости индукции постоянного магнитного поля для различных типов экранов от расстояния в направлении от центра экрана. Магнитное поле с величиной индукции 2,4 мТл было направ- лено вдоль оси экрана. Из рисунка 3 видно, что образцы МПЭ № 1−3 обладают высокой эф- фективностью экранирования магнитного поля, направленного вдоль оси, на расстоянии до 4 см от центра экрана. Эффект экранирования ослабевает на расстоянии 4–5 см от центра экрана. В зоне края экрана, на расстоянии около 6 см от центра экрана, эффективность экранирования снижается и становится близкой к 1, на выходе из экрана и вне его наблюдается усиление индукции магнитного поля. Значения Э для экрана из пермаллоя примерно в 4–5 раз ниже, чем для МПЭ № 1−3. Из данных, при- веденных на рисунке 4, видно, что наиболее высокой эффективностью экранирования обла- дает МПЭ № 3. При этом эффективность экра- нирования для экрана № 3 с увеличением В0 от 0,1 до 0,8 мТл растет от 3 до 40, а затем с уве- личением В0 от 0,8 до 2,5 мТл изменяется от 40 до 30. Для образцов экранов № 1, 2 и пермаллоя в области магнитных полей от 0,1 до 0,8 мТл также наблюдается рост эффективности, одна- ко при дальнейшем увеличении В0 значения Э изменяются незначительно. Данный результат, по-видимому, связан с характером зависимости магнитной проницаемости материалов экранов от величины В0. B, м Т л R, см Рисунок 3 – Распределение индукции магнитного поля внутри различных типов экранов от их центра в осевом направлении (В0 параллельно оси экрана) Э B0, мТл Рисунок 4 – Эффективности экранирования различных типов экранов (в центре экрана) в зависимости от величины индукции внешнего магнитного поля (В0.параллельно оси экрана) Средства измерений 20 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 Сравнение данных по эффективности экра- нирования для случаев параллельной и пер- пендикулярной ориентации внешнего маг- нитного поля относительно оси экранов пока- зывает, что постоянное магнитное поле, нап- равленное перпендикулярно, экранируется в несколько раз выше, чем поле, направленное вдоль оси магнитного экрана. Необходимо также отметить, что при продольной (осевой) ориентации магнитного поля эффективная за- щита внутри экрана обеспечивается в менее протяженной зоне, а вне зоны экрана послед- ний работает как концентратор (усилитель) магнитного поля. Влияние постоянного магнитного поля на выходные характеристики ФЭУ-85 В начале исследований выходных характе- ристик серийных образцов ФЭУ-85 была изу- чена временная стабильность положений мак- симумов выходных импульсов. Установлено, что за первые 120 мин работы неэкранирован- ного ФЭУ-85 положение максимума распреде- ления выходных импульсов изменяется на ве- личину 1,7 канал/мин, а в последующее время – на величину 0,46 канал/мин (0,5 мВ/мин при амплитуде выходного сигнала с ФЭУ 1,6 В). При этом показано, что использование предва- рительного прогрева в течение 6 ч и длительно- сти измерений 15 мин обеспечивает погреш- ность измерений выходных характеристик ФЭУ-85 не более 0,5 %. В магнитных полях 0,2 и 1,0 мТл нестабильность сигнала ФЭУ-85 по- сле предварительного прогрева длительностью 6 ч составила 0,3 канал/мин. В этом случае по- грешность измерений не превышала 0,3 %. В связи с чем, все образцы ФЭУ-85 перед изме- рениями подвергались предварительному про- греву в течение 6 ч. Для исследования влияния магнитного поля на выходные характеристики ФЭУ-85 проводи- лись измерения относительной амплитуды вы- ходного сигнала и амплитудного распределения набранных импульсов с ФЭУ. Результаты из- мерений величины U/U0 неэкранированного ФЭУ-85 для случаев продольной и перпен- дикулярной ориентации внешнего магнитного поля представлены на рисунке 5. Ось Z совпадает с осью цилиндрического корпуса ФЭУ, оси Х и У перпендикулярны оси корпуса ФЭУ. Из приведенных данных видно, что в сла- бых магнитных полях с индукцией 0,1–0,5 мТл для случаев поперечной и продольной ориента- ций снижение относительной амплитуды вы- ходного сигнала составило 20 % и 1 % соот- ветственно. В магнитных полях величиной 2–3 мТл снижение относительной амплитуды вы- ходного сигнала составило 95 % (поперечная) и 60 % (продольная ориентация). На рисунке 6 представлены зависимости относительных амплитуд выходных сигналов ФЭУ-85 с экранами различных типов от вели- чины индукции магнитного поля. Из приведен- ных данных видно, что практически все иссле- дованные образцы МПЭ устраняют отрица- тельное влияние магнитного поля в области значений до 0,5 мТл на выходные характери- стики ФЭУ-85 – снижение U/U0 составляет ме- нее 1–2 %. Для магнитных полей в интервале значений 2–4 мТл в зависимости от типа МПЭ снижение U/U0 составило 10–40 %. Лучший эффект экранирования достигнут на образце № 3, для которого снижение относительной ам- плитуды выходного сигнала ФЭУ в поле 2 мТл не превысило 10 % (рисунок 6). Экран, изготовленный из пермаллоя, не обеспечил достаточно надежную защиту ФЭУ. Для него снижение U/U0 в магнитном поле величиной 0,1–0,5 мТл, ориентирован- ном перпендикулярно оси Z, составило 5–10 %, а в магнитном поле величиной 2–3 мТл – 50–80 %. Оценка эффекта экранирования на выход- ные характеристики ФЭУ-85 проводилась также с помощью измерений амплитудных распределений импульсов с ФЭУ. На рисунке 7 представлены зависимости Краз от индукции магнитного поля для ФЭУ-85 с различными магнитными экранами. Из приведенных дан- ных видно, что для неэкранированного ФЭУ-85 величина Краз уменьшается на 20 % в магнит- ных полях с индукцией до 1 мТл и снижается в 2,5–3 раза при увеличении индукции от 1 до 2,5 мТл. Амплитудное распределение импуль- сов ФЭУ-85 с экраном из пермаллоя практи- чески не изменяется для индукции магнитного поля вплоть до величины 2,5 мТл. Однако с увеличением индукции магнитного поля от 2,5 до 4 мТл оно ухудшается в 2,5 раза. Из ри- сунка 7 видно, что наиболее стабильные ре- зультаты по амплитудному распределению импульсов получены на ФЭУ-85 экранирован- ных с помощью МПЭ. В области магнитных полей с индукцией от 0,2 до 4 мТл значения Краз для образцов МПЭ № 2 и № 3 незначительно Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 21 изменяются – от 1,1 % до 1,3 %. Для МПЭ № 1 амплитудное распределение импульсов с ФЭУ- 85 практически не изменяется в магнитных полях с индукцией до 4 мТл. В таблице представлены результаты из- мерения выходных характеристик серийных образцов ФЭУ-85 без экрана и с различными типами экранов. U /U 0 B0, мТл Рисунок 5 – Зависимость относительной амплитуды выходного сигнала неэкранированного ФЭУ-85 от величины индукции магнитного поля, направленного перпендикулярно осям Х, Y и параллельно оси Z U /U 0 B0, мТл Рисунок 6 – Зависимость относительной амплитуды выходного сигнала от величины индукции внешнего магнитного поля, ориентированного перпендикулярно оси Z, для серийных образцов ФЭУ-85 с экранами различных типов Средства измерений 22 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 К ра з, % B0, мТл Рисунок 7 – Зависимость амплитудного распределения импульсов от величины индукции магнитного поля для ФЭУ-85 без экрана и с экранами из пермаллоя и МПЭ № 1– 3 Таблица Выходные характеристики серийных образцов ФЭУ-85 без экрана и с различными типами экранов Тип экрана/ выходные харак- теристики ФЭУ-85 U/U0; В < 0,5 мТл; % U/U0; В = 2,5 мТл; % Краз; В = 0,5–1 мТл; % Краз; В = 2,5–4 мТл; % Без экрана 20 > 95 1–20 250–300 80НХС 10 40 1–3 50–250 МПЭ № 1 ~ 1 10 < 1 ~ 1 МПЭ № 2 ~ 1 10 ~ 1 6–10 МПЭ № 3 ~ 1 15 ~ 1 8–12 Заключение 1. Методом электролитического осаждения в едином технологическом цикле получены многослойные электромагнитные экраны, со- стоящие из слоев магнитомягкого материала и слоев электропроводящего материала, на кор- пусах приборов и аппаратов различной формы и назначения. Количество и толщина отдель- ных слоев может варьироваться в широких пределах, общая толщина экранов может до- стигать нескольких миллиметров. 2. Многослойные пленочные экраны, со- стоящие из 3, 10, 45 слоев магнитного матери- ала на основе сплава никель-железо и 2, 9, 44 слоев меди, общей толщиной магнитных слоев 450 мкм, обеспечивают значения эффектив- ности экранирования 8–10 в магнитных полях с индукцией 0,1–1 мТл; и значения эффектив- ности экранирования 80–100 в магнитных по- Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 23 лях с индукцией 2–4 мТл, что в 4–5 раз выше, чем для экрана, изготовленного из пермаллоя толщиной 500 мкм марки 80НХС. 3. Для неэкранированных ФЭУ-85 в маг- нитных полях с поперечной ориентацией и ин- дукцией 0,5 и 2,5 мТл изменение относитель- ной амплитуды выходного сигнала составляет 20 % и более 95 % соответственно, а энергети- ческое разрешение в магнитных полях с индук- цией 1,0 и 2,5 мТл снижается на 20 и 250 % соответственно. Использование экранов из пермаллоя не обеспечивает достаточной за- щиты ФЭУ-85: при значениях В0 = 0,5 и 2,5 мТл величина U/U0 изменяется на 10 и 40 %, соответственно, а значения Краз при В0 = 1,0 и 2,5 мТл изменяются на 3 и 50 % соответ- ственно. Наиболее эффективными для защиты ФЭУ-85 являются экраны на основе МПЭ: в слабых магнитных полях значения U/U0 и Краз изменяются менее чем на 1 %; в полях 2,5 мТл изменения величин U/U0 и Краз не превышают 15 % и 8 %, соответственно. 4. Экраны на основе многослойных пле- ночных структур практически полностью устраняют влияние слабых магнитных полей с индукцией до 0,5 мТл на рабочие характери- стики ФЭУ, что позволяет успешно использо- вать их в бортовой научной аппаратуре косми- ческих аппаратов и наземных экспериментах, особенно на современных ускорителях заря- женных частиц. Работа выполнена при поддержке НТП Союзного государства «Разработка нанотехно- логий создания материалов, устройств и систем космической техники и их адаптации к другим отраслям техники и массовому производству» («Нанотехнология СГ»). Список использованных источников 1. Klimov, S.I. Interball-1 and MIR orbital station co- ordinated magnetic field and energetic particles me- asurements / S.I. Klimov, V.A. Grushin [et al.] // Advances in Space Research. – Volume 30, Issue 7. – 2002. – P. 1847–1853. 2. Грабчиков, С.С. Многослойный электромаг- нитный экран / С.С. Грабчиков, Л.Б. Сосновская, Т.Е. Шарапа // Патент РБ № 11843 от. 01.28.2009. 3. Шапиро, Д.Л. Основы теории электромаг- нитного экранирования / Д.Л. Шапиро. − Л. : Энергия, 1975. − 112 с. 4. Муравьев-Смирнов, С.С. Многослойные маг- нитные экраны на основе пленочных нано- структур / С.С. Муравьев-Смирнов, А.Г. Ба- тищев, К.Ф. Власик [и др.] // Машино- строение и инженерное образование. – 2011. – № 4. – С. 24−29. Batischev A.G., Vlasik K.F., Grabchikov S.S., Grachev V.M., Dmitrenko V.V.,Kalashnikov N.P., Muravyev-Smirnov S.S., Ulin S.E., Uteshev Z.M., Cheledyuk A.V. Application of multilayer film configuration to protect photomultiplier against external static magnetic fields The effectiveness of the screening constant magnetic field is multi-layered film screens system of NiFe/Cu, formed on the cylindrical housing of photomultiplier tubes, and compared with screen-based steel material – brand 80NHS permalloy. It is shown that the most effective is the screen on the basis of the multi- layered film screens, which provide shielding effectiveness value 8–10 in magnetic fields with induction of 0,1–1 mT, and 80–100 – in magnetic fields with induction of 2–4 mT , which is 4–5 times higher than for the screen of the material 80NHS. (E-mail: gss@iftt.bas-net.by). Key words: magnetic shield, the effectiveness of screening, multi-layer film screen. Поступила в редакцию 13.02.2012.