STABILIZATION SYSTEM OF GEOMAGNETIC FIELD IN A SPECIFIED VOLUME

¹Прищепов С.К. ¹, Миловзоров Г.В², Власкин К.И. ³, Ямилева З.М. ⁴

¹Кандидат технических наук, доцент, Уфимский государственный авиационный технический университет; ²доктор технических наук, профессор, Удмуртский государственный университет, ³Младший научный сотрудник, Уфимский государственный авиационный технический университет; ⁴ соискатель ученой степени кандидата наук, Уфимский государственный авиационный технический университет

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЗАДАННОМ ОБЪЕМЕ

Аннотация

Определены причины возникновения, формы проявления и результаты воздействия на биологические объекты магнитных аномалий, нарушающих нормальное магнитное поле Земли – один из основополагающих компонентов естественной среды обитания живой природы. Рассмотрены методы и системы защиты биологических объектов от магнитных аномалий, приведены особенности работы, достоинства, недостатки данных систем. Представлена система компенсации магнитных аномалий в заданном объеме с сохранением в нем нормального магнитного поля Земли, соизмеримом с антропометрическими данными, то есть достаточном для долговременного и комфортного размещения в нем пациента в период восстановления здоровья.

Ключевые слова: нормальное магнитное поле Земли; магнитная аномалия; система компенсация магнитных возмущений; трехкомпонентный феррозондовый магнитометр; кольца Гельмгольца.

Prishepov S.K. ¹, Milovzorov G.V. ², Vlaskin K.I. ³, Jamileva Z.M. ⁴

¹ PhD in technical sciences, associate professor, Ufa State University; Ufa State Aviation Technical University; ²Doctor of engineering science, professor, Udmurt State University; ³ junior research associate, Ufa State Aviation Technical University;  ⁴ candidate for a degree PhD in technical sciences, Ufa State Aviation Technical University

STABILIZATION SYSTEM OF GEOMAGNETIC FIELD IN A SPECIFIED VOLUME

Abstract

Defined causes, manifestation of emergence forms and the effects on biological objects of magnetic anomalies that disrupt the normal Earth's magnetic field - a fundamental component of the natural habitat of wildlife. The methods and systems for protection of biological objects from the magnetic anomalies are features of work, advantages, disadvantages of these systems are considered. System of compensation of magnetic anomalies in a specified volume is represented. The system allows to preserve the normal Earth's magnetic field, that is relevant for long-term and a comfortable stay in it during the patient's rehabilitation.

Keywords: normal Earth's magnetic field; magnetic anomaly; magnetic disturbances compensation system; three axial magnetometer; Helmholtz coils.

Геомагнитное поле является одним из основных факторов окружающей среды, влияющих на состояние живого организма. Наиболее естественной для биологических объектов (БО) является среда обитания в условиях нормального магнитного поля Земли (НМПЗ), так как оно представляет собой историческую и физическую константу по направлению действия и уровню (50 мкТл). Поэтому БО являются своего рода сенсорами, реагирующими на малейшие аномальные отклонения окружающего их магнитного фона от естественного – НМПЗ.

В общем случае магнитное поле оказывает многоуровневое воздействие на БО: микроструктуры биохимических веществ; функционирование отдельных органов, их систем; состояние организма в целом. Магнитные возмущения, возникающие в результате действия техногенных, геофизических и космических факторов искажают естественный для БО магнитный фон. Магнитные аномалии (МА) могут быть постоянными, апериодическими, знакопеременными, их величина, как правило, составляет 10 – 600 нТл, а направление действия – случайно. По сравнению с НМПЗ магнитные аномалии незначительны по уровню, однако именно они, нарушая естественный магнитный фон БО, оказывают существенное влияние на состояние и многие его физические, химические, физиологические процессы.

Исследования показали, что организм человека, как БО высшей формы развития, отличается повышенной чувствительностью к воздействию МА. Определено влияние МА на скорость коллоидно-химических и окислительно-восстановительных реакций, тонус вегетативной нервной системы, изменение состава плазмы, которые, в свою очередь, приводят к нарушениям деятельности сердечно-сосудистой, дыхательной, центральной нервной системы человека. Кроме того, достоверно доказано, что больной и практически здоровый организмы по-разному реагируют на магнитные бури, что объясняется различием их резервных возможностей, которые позволяют либо не позволяют адаптироваться к изменениям магнитного фона. Наиболее уязвимым объектом (ОВ) воздействия МА является  ослабленный или больной организм [1]. Положение усугубляется при вынужденном нахождении человека в неподвижном состоянии, например – в условиях длительного постельного режима, так как в этом случае однонаправленность воздействия МА приводит к накоплению негативных реакций организма. Вместе с тем, постельный режим – единственно приемлемая форма комфортного и долговременного расположения пациента с ослабленным здоровьем и ограниченной подвижностью. Поэтому в данном случае объем НМПЗ для размещения БО должен быть не менее 2х1,5х1,5 м³ [2].

Таким образом, существует проблема защиты БО в частности, человеческого организма от влияния МА при одновременном сохранении для него естественного магнитного фона – НМПЗ.

Известен ряд методов защиты биологических объектов от МА. Одним из них является прямое экранирование, которое заключается в размещении БО в объеме, ограниченном конструкциями из ферромагнитного материала [1]. Недостатком такого метода является полная изоляция от НМПЗ, что является наиболее существенной аномалией, приводящей к нарушению жизненно важных функций БО. Доказано, что человеческий организм, длительное время находящийся вне геомагнитного поля (например, в рейдах подводных лодок), подвержен нарушениям физиологических, биохимических свойств и функций внутренних органов: наблюдается атипический рост клеток и тканей, наступает критическое ухудшение здоровья.

Более совершенный способ устранения магнитных аномалий – компенсация их магнитным полем, противоположным вектору МА при помощи системы колец Гельмгольца (КГ), которая представляет собой три пары плоских индуктивностей, оси которых перпендикулярны друг другу. Известные устройства, выполненные по традиционной схеме, создают рабочие объемы: основной (компенсации) и дополнительный (измерения) посредством основных и дополнительных КГ. Каждая катушка основного рабочего объема соединена с соответствующей катушкой дополнительного объема. Магнитометр в системе выполнен феррозондовым трехкомпонентным и размещен в дополнительном объеме измерения с ориентацией каждой из трех его осей чувствительности вдоль соответствующей оси пары КГ. Феррозонды (ФЗ) формируют управляющие воздействия на собственные пары КГ. Таким образом, суммарное воздействие трех пар КГ компенсирует МА как по уровню, так и по направлению [3].

Недостатком такого устройства является размещение магнитометра в дополнительном объеме измерения, что приводит к недостоверности информационных сигналов ФЗ о величине и направлении МА в объеме рабочем, следовательно, ограничивает возможность полного компенсирования в нем магнитных возмущений. Кроме того, объем нормализованного магнитного поля Земли не может быть большим, так как при увеличении размеров КГ дополнительный объем удаляется от центра объема НМПЗ, что увеличивает разность между воздействиями МА в рабочем объеме и в объеме размещения ФЗ. Ограничение рабочего объема сужает область применения данной системы компенсации. Так, например, она не может быть использована по своему прямому назначению – для защиты ослабленного или больного человеческого организма, так как малый объем НМПЗ позволяет разместить в нем пациента лишь в положении сидя. В таком положении обеспечение жизненно важных функций и комфорта пациента на протяжении многодневного периода реабилитации, а тем более реанимации, не представляется возможным.

Предлагаемая авторами система стабилизации магнитного поля (СМП) обеспечивает более высокую точность измерения магнитных возмущений с последующей их компенсацией в рабочем объеме. Согласно рис.1 система содержит три пары КГ с взаимоортогональными осями: X1-X2; Y1-Y2; Z1-Z2. Феррозонды трехкомпонентного магнитометра выполнены стержневыми дифференциальными с соосно расположенными полуэлементами: Ф_x; Ф_y; Ф_z. Выход каждого феррозонда присоединен к включенным последовательно преобразователю информационного сигнала и соответствующей паре КГ. Три пары КГ образуют трехосную ортогональную систему, центр которой совпадает с точкой пересечения осей чувствительности ФЗ и является центром рабочего объема РО системы СМП. Таким образом, по рис.1 пациент стационарно расположен в центре РО, то есть в области наибольших достоверности контроля МА и однородности НМПЗ.

Рис. 1. Система стабилизации магнитного поля в рабочем объеме.

В предлагаемой системе существенно увеличен РО для размещения БО, что обеспечивается установкой КГ по образующим стен реабилитационного помещения, а также структурой дифференциальных стержневых феррозондов, полуэлементы которых разнесены по осям относительно центра системы настолько, что расстояние между ними соизмеримо с антропометрическими данными и достаточно для комфортного расположения человека в объеме созданного НМПЗ [4].

На рис.2 изображена схема одного из каналов системы СМП, в которой дифференциальный стержневой ФЗ, в соответствии с рис.1, состоит из полуэлементов П1 и П2,  разнесенных таким образом, что объект ОВ воздействия МА находится в центре объема НМПЗ, то есть в зоне наибольшей однородности магнитного поля. ЭВМ, усилитель мощности УМ, ФЗ, избирательный фильтр ИФ, масштабный усилитель МУ и синхронный детектор СД образуют измерительно-преобразовательный модуль системы. Данный модуль осуществляет преобразование в управляющий сигнал КГ одной из трех ортогональных составляющих внешнего для системы СМП магнитного поля. В данном модуле ИФ работает по второй гармонике феррозондового преобразователя, что обеспечивает повышенную 1÷5 нТл чувствительность магнитометра к МА. МУ усиливает информационный сигнал до уровня уверенного срабатывания СД. Применение СД обеспечивает возможность изменения знака вектора магнитной компенсации каждой пары КГ. С выхода СД сигналы поступают в блок усилителей БУ, где доводятся до уровня, необходимого для создания компенсирующего магнитного поля. Усиленные электрические сигналы поступают на пары КГ. Схема сравнения СС обеспечивает срабатывание аварийной сигнализации АС и реле Р, прекращающего работу КГ при отсутствии компенсации или ошибочных режимах системы в течение заданного интервала времени. Сигналы, подводимые к КГ, обрабатываются также аналого-цифровым преобразователем АЦП, информация с которого поступает в ЭВМ.

Рис. 2. Схема канала преобразования системы СМП.

Таким образом, предложенная система СМП обеспечивает наибольшую эффективность подавления МА вследствие достоверного контроля и воздействия на нее комплексом КГ в едином объеме.

ВЫВОДЫ.

Основными позитивными свойствами системы СМП являются:

1. Увеличение рабочего объема НМПЗ, необходимого для комфортного долгосрочного расположения человека в период восстановления здоровья.
2. Наибольшая однородность НМПЗ в центре рабочего объема, то есть в области расположения пациента.
3. Эффективность подавления МА вследствие достоверного её контроля и воздействия КГ в едином объеме.
4. Работоспособность системы вне зависимости от её географического расположения, а также от величины, направления и характера МА.