Speaker
Description
В современной науке и технике проблема экранирования магнитного поля Земли остается актуальной задачей в различных сферах, таких как: разработка чувствительных измерительных устройств и систем навигации, производство медицинского оборудования, исследование материалов и разработка новых, а также исследования магниторецепции и влияния гипомагных условий на живые организмы. Также в последние годы особый интерес вызывают исследования, связанные с воздействием геомагнитного поля на жизнедеятельность человека, что актуально при планировании длительных экспериментов в условиях сниженного магнитного поля и расширении наших знаний о воздействии магнитных полей на биологические системы.
Для решения данной задачи существует несколько традиционных методов экранирования, включая использование сверхпроводящих материалов, установку пассивных экранов из материалов с высокой магнитной проницаемостью и активных систем, которые компенсируют магнитное поле с помощью внешних катушек [1]. Однако стоимость сверхпроводящих экранов может быть значительной. Для длительных экспериментов в геофизике, биологии и медицине часто применяются многослойные пассивные экраны. Примерами таких камер могут служить 8-слойная камера, созданная в Берлине, со степенью экранирования от 24·103 до 2·106 [2], 4-слойная камера из пермаллоя, известная как «камера космос» и обеспечивающая степень экранирования магнитного поля 105 [3], и 6-слойная камера из пермаллоя, которая обеспечивает степень экранирования 1630 раз [4]. Существуют также более простые решения, например 3-слойная камера из «мю-металла» с степенью экранирования 500 [5]. Интерес также представляет работа с применением тонких слоев аморфного железа. Например, двухслойная камера, созданная с использованием рулонных материалов, обеспечивает эффективность экранирования в 103 [6].
Все эти работы являются прекрасными примерами эффективного подавления магнитного поля Земли, однако задача более рационального использования материалов в обеспечение устойчивости и мобильности конструкции, а также ее стоимости, все еще актуальна. Из чего и вытекает цель данной работы – моделирование многопараметрической задачи топологической минимизации толщин используемых материалов (сталь, аморфное железо, пермаллой) при варьировании требуемых распределений гипомагнитных условий внутри рассматриваемого замкнутого гермообъема.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. При фиксированных граничных условиях, которые моделируют условия проведения эксперимента, составляется пространственное распределение индукции магнитного поля внутри рассматриваемого замкнутого гермообъема.
2. Выбор начальных приближений параметрических слоевых значений исследуемых величин из требуемых значений экранировки магнитного поля Земли.
3. Cоставление среднеквадратичной ошибки минимизации функционала между требуемыми значениями и их расчётными аналогами, построенными по рассматриваемому замкнутому гермообъему.
4. Минимизация выбранного функционала невязки производится стохастическим методом имитации отжига, а также при ограничениях накладываемых на экранируемый гермообъем в виде минимально требуемой степени экранировки в каждой точке экранируемого пространства.
Алгоритм имитации отжига эффективен в пространствах переменных с множеством локальных оптимумов, что делает его подходящим для данной задачи оптимизации
5. Если сравнение разницы по модулю исследуемых параметров критерия останова итерационного процесса сходимости, то глобальный оптимум достигнут и исследуемые величины достигли своих минимально возможных значений. Если условие останова не выполняется, процесс 1-5 повторяется.
Таким образом разработан общий подход к решению задачи по моделированию многопараметрической задачи топологической минимизации толщин используемых материалов (сталь, аморфное железо, пермаллой) при варьировании требуемых распределений гипомагнитных условий внутри рассматриваемого многослойного замкнутого гермообъема. На основе полученных результатов делаются выводы о возможности достижения различных степеней экранирования при оптимальных параметрах многослойной конструкции (минимальный вес и стоимость). Это исследование предлагает перспективы для дальнейших исследований в области оптимизации магнитных экранов, что играет значительную роль в разнообразных областях науки и техники, включая электронику, геологию, фундаментальную физику, медицину и биологию.
- Cao, Qinjie, et al. Optimization of a coil system for generating uniform magnetic fields inside a cubic magnetic shield. Energies 11.3 (2018): 608.
- Bork J. et al. The 8-layered magnetically shielded room of the PTB: Design and construction //Biomag2000, Proc. 12th Int. Conf. on Biomagnetism. – Espoo Finland, 2001. – С. 970-73.
- Kajiwara G. et al. High-performance magnetically shielded room //IEEE transactions on Magnetics. – 1996. – Т. 32. – №. 4. – С. 2582-2585.
- Cohen D. et al. New six-layer magnetically-shielded room for MEG //Proceedings of the 13th international conference on biomagnetism. – Jena, Germany : VDE Verlag, 2002. – Т. 10. – С. 919-921.
- Altarev I. et al. A magnetically shielded room with ultra low residual field and gradient //Review of scientific instruments. – 2014. – Т. 85. – №. 7.
- Гудошников С. А. и др. Экранирующая камера для ослабления магнитного поля Земли на основе рулонных магнитных материалов //Измерительная техника. – 2012. – №. 3. – С. 58-61.
