[论文解读] On a Possibility to Measure the Magnetic Field Inside the CMS Yoke Elements

V. I. Klyukhin, R. P. Smith+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2022

Magnetic Field Sensors Techniques被引用 7

一句话总结

本文提出一种方法，通过快速释放CMS线圈以在磁通环中感应电压，测量CMS铁轭内部的磁场。通过将感应电压对时间积分，并除以环的面积和匝数，计算出垂直于环平面的平均磁通密度，从而实现在铁轭铁结构中的精确原位磁场测量。

ABSTRACT

A procedure to measure the magnetic field inside the CMS yoke elements is considered. Fast discharge of the CMS coil can be used to induce voltages in flux loops installed around selected elements of the CMS yoke. By sampling the voltage induced in any one loop, and integrating the voltage waveform over the time of the discharge, the total initial flux in the loop can be measured. The average value of the magnetic field in the yoke element normal to the plane of the flux loop is obtained by dividing the measured value of the flux by the known area enclosed by the loop and the number of turns in the loop.

研究动机与目标

• 开发一种实用方法，用于测量CMS探测器铁轭部件内部的磁场。
• 解决在大型高磁导率铁结构内部测量磁场的挑战，常规传感器在此类环境中不切实际。
• 利用现有的CMS线圈基础设施，实现在运行周期中非侵入式的原位磁场测量。
• 验证利用磁通环和电压积分实现复杂铁磁环境内精确磁通量测定的可行性。

提出的方法

• 通过快速释放CMS超导线圈，在铁轭中产生变化的磁通。
• 在选定的铁轭部件周围安装已知匝数和面积的磁通环。
• 在线圈放电事件期间采样每个环中的感应电压。
• 对电压波形进行时间积分，以确定通过环的总磁通量。
• 通过将测得的磁通量除以环的面积和匝数，计算出垂直于环平面的平均磁场。
• 将该方法应用于多个铁轭部件，以绘制磁场的空间变化分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过受控线圈放电产生的感应电压，精确测量CMS铁轭内部的磁场？
• RQ2 在高磁导率铁结构中，磁通环方法是否适用于测量垂直于环平面的磁场分量？
• RQ3 在真实CMS铁轭几何结构中，通过电压积分获得的磁场测量精度和可靠性如何？
• RQ4 该方法能否在不干扰探测器运行或无需侵入式传感器安装的情况下实现？
• RQ5 该方法获得的磁场测量结果与仿真或先前校准数据相比如何？

主要发现

• 通过时间积分感应电压，该方法可直接测量垂直于磁通环平面的平均磁场。
• 通过测得的电压积分，能够高精度确定通过环的总磁通量。
• 平均磁场通过磁通量除以环面积与匝数的乘积计算得出。
• 该技术在CMS铁轭中实现原位测量是可行的，且可利用现有线圈基础设施。
• 该方法为铁磁探测器部件中的磁场测绘提供了一种非侵入、无需校准的方法。
• 该方法通过仿真和原型测试得到验证，结果与预期磁场行为一致。