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Design und Aufbau einer homogenen und kompensierten Momentenmessspule

07.12.2006

Durch die Optimierung der geometrischen Parameter ist es gelungen, eine Momentenmessspule aufzubauen, die eine bessere Homogenität als die bisher übliche Helmholtzanordnung besitzt und die gleichzeitig unempfindlich gegen äußere Felder ist. Dadurch wird es möglich, Messungen kleiner magnetischer Momente außerhalb von teuren magnetischen Abschirmkabinen durchzuführen.
In der Industrie und in Messlaboratorien ist eines der üblichen Verfahren zur Charakterisierung von Dauermagneten die Messung in einer Momentenmessspule. Diese besteht gewöhnlich aus zwei ringförmigen Wicklungspaketen in Helmholtz-Anordnung, d.h. zwei im Abstand ihres Radius koaxial montierten Spulen. Die Messungen in diesen Systemen werden sehr empfindlich von externen Streufeldern beeinflusst. Sie können daher nur in teuren und Platz raubenden Abschirmkabinen oder in großem Abstand zu jeglichen magnetischen Störquellen eingesetzt werden. Zusätzlich weisen sie einen relativ kleinen homogenen Feldbereich auf, wodurch die Probengröße sehr beschränkt ist.
Als Alternative zu dieser Anordnung wurde ein neuartiges Spulensystem entwickelt, das zusätzliche Kompensationswicklungen enthält. Die Kompensation wird realisiert durch zwei Wicklungspakete, die gegenüber den Hauptspulen entgegengesetzt gewickelt sind. Der homogene Empfindlichkeitsbereich wird durch zwei zusätzliche Hauptspulen deutlich vergrößert. Die Optimierung der geometrischen Parameter ermöglichte eine Reduktion des Einflusses externer Streufelder um den Faktor 10 im Vergleich zu einer vergleichbar großen konventionellen Helmholtzspule, gemessen für eine Streufeldquelle im Abstand des dreifachen Spulendurchmessers. Auch der Durchmesser des homogenen Bereiches konnte deutlich vergrößert werden. Dadurch können entweder größere Proben untersucht oder die Messunsicherheit auf Grund ungenauer Positionierung der Probe reduziert werden. Da die Anordnung nur geringe geometrische Toleranzen zulässt, wurde zur thermischen und mechanischen Stabilisierung des Spulensystems ein spezieller Präzisionsspulenkörper aus einer mechanisch bearbeitbaren Keramik hergestellt.
Der Einsatz dieses neuen Spulensystems ermöglicht es auch kleineren Forschungsinstitutionen oder kleineren Unternehmen, präzise Messungen des magnetischen Moments durchzuführen. Durch die Unempfindlichkeit gegen externe Felder wird die Handhabung auch in engen Räumen deutlich erleichtert.