Tecniche di valutazione e di misurazione dei campi magnetici statici
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Corso di Formazione per la Valutazione dei Campi Elettromagnetici TECNICHE DI VALUTAZIONE E DI MISURAZIONE DELLE RADIAZIONI NON IONIZZANTI Armando Luches Dipartimento di Fisica Università del Salento 18 Maggio 2007 CAMPI MAGNETICI STATICI PER DESCRIVERE IL CAMPO MAGNETICO SI PUÒ RICORRERE A DUE DIVERSE GRANDEZZE FISICHE: L’INTENSITÀ DI CAMPO MAGNETICO H ESPRESSA IN AMPERE PER METRO (A/m) L’INDUZIONE MAGNETICA B, ESPRESSA IN TESLA (T). LE DUE QUANTITÀ SONO LEGATE TRA LORO NEL VUOTO E NELL’ARIA DALLA RELAZIONE B = μ0 H μ0 = 12,56 10-7 H/m È LA PERMEABILITÀ MAGNETICA DEL VUOTO. CAMPI MAGNETICI STATICI Valori tipici dei campi magnetici statici da misurare: ∼ 10-7 T ÷ ∼ 1 T • Campo magnetico terrestre: ∼ 20-70 μT • Campo magnetico vicino a linee elettriche: ∼ 10 μT STRUMENTI DI MISURA DEI CAMPI MAGNETICI STATICI I magnetometri possono essere divisi in due categorie: • magnetometri scalari, che misurano l’intensità totale del campo magnetico cui sono soggetti • magnetometri vettoriali, in grado di misurare le componenti del campo magnetico in una particolare direzione MISURA DEI CAMPI MAGNETICI STATICI STRUMENTI MAGGIORMENTE USATI: • • • • Magnetometri a nucleo saturabile a effetto Hall a risonanza magnetica nucleare a superconduttori (SQUIDSuperconducting Quantum Interference Devices) ) Magnetometri I magnetometri più semplici sono i flussometri. Si tratta di avvolgimenti di filo conduttore molto sottile realizzati su un supporto rigido. Magnetometri Secondo la legge di Faraday.Neumann-Lentz, ai capi del filo conduttore viene indotta una forza elettromotrice pari a -dΦ(B)/dt La variazione di flusso può essere realizzata a) Invertendo periodicamente il campo magnetico B b) Allontanando il flussometro fin dove B=0 c) Ruotando il flussometro attorno al suo asse Magnetometri a nucleo saturabile Il magnetometro a nucleo saturabile (fluxgate magnetometer) consiste di un piccolo nucleo di materiale magneticamente suscettible, circondato da due bobine Magnetometri a nucleo saturabile Una corrente alternata scorre in una spira, imponendo al nucleo un ciclo alternato di saturazione magnetica (cioè magnetizzazione smagnetizzazione – magnetizzazione inversa smagnetizzazione - magnetizzazione). Questo campo ciclico induce una corrente elettrica nella seconda bobina, e questa corrente di uscita è misurata da un amperometro. In assenza di campo magnetico esterno, le correnti d’ingresso e d’uscita saranno uguali. Magnetometri a nucleo saturabile Quando il nucleo è esposto ad un campo esterno, esso sarà più facilmente magnetizzato nello stesso verso del campo esterno e meno facilmente magnetizzato nel verso opposto. Questo produce uno sfasamento della corrente indotta rispetto alla corrente d’ingresso. Lo sfasamento dipenderà dall’intensità del campo magnetico esterno. Magnetometri a nucleo saturabile I magnetometri a nucleo saturabile sono usati comunemente nelle prospezioni archeologiche. Le versioni più sofisticate sono in grado di rivelare variazioni di campo magnetico dell’ordine di 0.1 nT (circa un milionesimo del campo magnetico terrestre). Magnetometri a effetto Hall Sono magnetometri il cui funzionamento è basato sull’effetto Hall. Magnetometri a effetto Hall Magnetometri a effetto Hall L'elemento sensibile è formato da una striscia di materiale (metallo o semiconduttore), di spessore trascurabile. In questo materiale viene fatta scorrere una corrente per mezzo di una batteria. Quando la lamina è posta perpendicolarmente ad un campo magnetico B, si instaura un campo elettrico E perpendicolare a B ed alla direzione del flusso di corrente. Il campo è generato da un accumulo di carica su una delle due superfici a causa della forza di Lorentz Magnetometri a effetto Hall Magnetometri a effetto Hall La differenza di potenziale Δϕ è detta tensione di Hall (di solito è indicata con VH). Essa è proporzionale al campo magnetico B. Lo strumento può essere tarato in modo che misurando il valore di VH il display dia direttamente il valore di B. Magnetometri a effetto Hall La linearità è discreta per bassi valori del campo (≈ 0.2 % per B < 0.5 T) e la sensibilità è dell’ordine di 0.1 V/T. Esistono in commercio anche sensori lineari completi di stabilizzatore della corrente di polarizzazione e di amplificatore della tensione di Hall già integrati nel chip con sensibilità dell’ordine di 10 V/T. I magnetometri ad effetto Hall sono i più usati per le misure di routine. MAGNETOMETRI A NMR Il più semplice è il magnetometro a precessione di protoni (proton precession magnetometer). I protoni hanno un momento magnetico (spin) MAGNETOMETRI A NMR Un induttore genera un forte campo magnetico attorno a un fluido ricco di idrogeno. Questo provoca l’allineamento dello spin dei protoni con il campo magnetico. Poi il campo viene annullato e, mentre i protoni si riallineano con il campo magnetico terrestre, hanno un moto di precessione con una specifica frequenza di Larmor. MAGNETOMETRI A NMR Il moto di precessione provoca un debole campo magnetico che è rivelato dallo stesso induttore. La relazione fra la frequenza della corrente indotta e l’intensità del campo magnetico è chiamata rapporto giromagnetico del protone, ed è pari a 0.042576 Hz/nT. Magnetometro a precessione di protoni MAGNETOMETRI SQUID I magnetometri SQUID si usano per misurare campi magnetici estremamente deboli. Sono magnetometri vettoriali molto sensibili, che richiedono raffreddamento a elio liquido (4.2 K) o azoto liquido (77 K). Consentono di misurare i campi magnetici prodotti dal cervello o dal cuore. MAGNETOMETRI SQUID Lo SQUID fu inventato nel 1964 da Robert Jaklevic, John Lambe, Arnold Silver, and James Mercereau dopo la scoperta dell’effetto Josephson (1962). MAGNETOMETRI SQUID L’elettrodo base degli SQUID è formato da uno strato sottile di niobio, realizzato per deposizione, e la barriera tunnel è formata dall’ossidazione di questo strato L’elettrodo superiore è formato da uno strato di lega di piombo, depositato sopra gli altri due a formare un sandwich. Per raggiungere la superconduttività, il tutto è immerso in elio liquido. Di recente sono stati sviluppati SQUID ad “alta temperatura”, formati da un substrato di YBCO (YBa2Cu3O7-x), raffreddato ad azoto liquido. Sono meno sensibili dei precedenti. MAGNETOMETRI SQUID Schema MAGNETOMETRI SQUID Elemento sensibile e magnetometri MAGNETOMETRI SQUID Il principio di funzionamento è basato alla quantizzazione del flusso. Gli stati possibili di flusso in un superconduttore sono multipli del quanto di flusso Φo = 2.067833636×10−15 T m2 (weber) 1 weber è la quantità di flusso che, variando in un secondo, produce nel circuito concatenato una f.e.m. pari ad 1 volt Il quanto di flusso magnetico è una costante, indipendentemente dal materiale, purchè sia superconduttore. MAGNETOMETRI SQUID Se un oggetto è formato interamente di materiale superconduttore, il flusso magnetico che lo attraversa è nullo, perchè le supercorrenti espellono i campi magnetici dall’interno del superconduttore (effetto Meissner). MAGNETOMETRI SQUID Se modelliamo il superconduttore a forma di anello, non ci sono supercorrenti al centro dell’anello, pertanto il campo magnetico può attraversarlo. Tuttavia, le supercorrenti ai bordi si aggiustano in modo che il flusso magnetico totale attraverso l’anello sia quantizzato (multiplo di Φ0). MAGNETOMETRI SQUID Se si mantiene una corrente costante di bias nello strumento, la tensione misurata oscilla con le variazioni di fase alle giunzioni Josephson. Le variazioni dipendono dalle variazioni del flusso magnetico. Contando le oscillazioni si può valutare la variazione di flusso e misurare campi di ∼ 10-15 T. MAGNETOMETRI SQUID ic: corrente critica alla quale compare una tensione MAGNETOMETRI SQUID Il magnetometro SQUID è lo strumento di misura più sensibile che esista. Esso può misurare flussi magnetici pari a un quanto (Φo). Un quanto di flusso magnetico può essere visualizzato come il flusso del campo magnetico terrestre (0.5 Gauss = 0.5 x 10-4 T) attraverso un globulo rosso del sangue (diametro ∼ 7 μm). L’energia associata con la più piccola variazione in un secondo è ∼ 10-32 J, equivalente al lavoro richiesto per sollevare di 1 mm un elettrone (m ∼ 10-30 kg) nel campo gravitazionale terrestre. MAGNETOMETRI SQUID I magnetometri SQUID possono misurare variazioni del campo magnetico nel corpo umano. Sensibilità dello SQUID: 1 fT (femtotesla: 10-15 T) Campo magnetico del cuore: 50 000 fT Campo magnetico del cervello: qualche fT. Con gli SQUID a YBCO, la sensibilità è ∼30 fT. MAGNETOMETRI SQUID SQUID TARATURA Qualunque sia il dispositivo usato per misurare un campo magnetico, esso necessita di un’apposita taratura. La risposta di ogni tipologia di sensore dipende da parametri difficilmente calcolabili dall’utente. I costruttori devono fornire i risultati delle prove di taratura (prove di accettazione). TARATURA Il sensore va tarato periodicamente per confronto con uno standard di riferimento. Esistono centri di taratura dove portare i magnetometri per controlli periodici con campioni nazionali o internazionali. Tra una taratura e la successiva va comunque valutata la funzionalità dello strumento. TARATURA In commercio esistono standard di riferimento per eseguire in laboratorio tarature a livelli relativamente elevati (0.005 ÷ 2 T). Sistemi di bobine possono essere usati per creare campi magnetici statici con valori inferiori, se si usano correnti continue. TARATURA E’ necessario tener conto del campo magnetico terrestre (∼ 50 μT) quando la sua intensità è significativa rispetto ai valori da misurare. Esistono magneti standard schermati per evitare perturbazioni da campi esterni. Il campo magnetico terrestre può anche essere soppresso usando bobine ausiliarie. Se si orienta l’asse del sistema di bobine di taratura in direzione Est – Ovest si diminuisce l’influenza del campo magnetico terrestre. Per la loro accuratezza, i misuratori a NMR o SQUID possono essere usati come strumenti di riferimento. MODALITA’ DI MISURA Ogni strumento ha specifiche bande di temperatura entro le quali dovrebbe funzionare con l’incertezza specificata dal costruttore (es.: 0 oC – 45 oC e 5%). Si devono evitare forti sbalzi di temperatura che possono provocare formazioni di condensa. Se si usano strumenti a batterie, bisogna verificarne spesso la carica. Bisigna far attenzione: se l’involucro delle pile è fatto di materiale ferromagnnetico, esso può influenzare la misura! Se si usano batterie ricaricabili, non si deve usare il magnetometro durante la ricarica. SORGENTI DI INCERTEZZA NELLE MISURE Se un magnetometro è tarato correttamente, il numero di meccanismi che può causare errori di misura è ridotto. Sonda e rivelatore devono avere una schermatura elettrica adeguata contro i campi elettrici a frequenza industriale ed a radiofrequenza. Se il campo magnetico non è uniforme, bisogna tener conto che quello che si misura NON è il campo al centro della sonda, ma la media sulla superficie della sonda. Il rumore elettrico nel circuito del rivelatore può introdurre errori notevoli nella valutazione di campi deboli. Variazioni di temperatura e di umidità possono essere fonte di errori. Norme tecniche di riferimento Guida per la misura e la valutazione dei campi elettrici e magnetici nell’intervallo di frequenza 0 Hz – 10 kHz, con riferimento all’esposizione umana. Norma italiana CEI: CEI 211-6 del 2001 Comitato Elettrotecnico Italiano
