Experimental study of a high permeability magnetic shield in a dilution refrigerator measurement system

No Thumbnail Available
Files
Vesala_Kasper_2024.pdf (37.01 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Date
2024-01-18
Department
Major/Subject
Teknillinen fysiikka
Mcode
SCI3028
Degree programme
Teknistieteellinen kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
48
Series
Abstract
Dilution refrigeration measurement (DR) systems are the current standard tool for performing measurements below the liquefying curve of 4He. For various measurements at ultra low temperatures, external magnetic fields are a distraction preferably to be minimized. A technically convenient method for magnetic shielding across wide temperature ranges are high permeability alloys. With the feature of high permeability, they can be used to direct magnetic fields away from the experimental region, a behaviour that can be mostly treated with classical electromagnetic theory. In this thesis, we study a cylindrical magnetic shield made of A4K nickel alloy in a standard Bluefors dilution refrigerator measurement system from the point of view of user applications requiring magnetic shielding. Thus, the objectives are to 1) estimate the shielding effectiveness against geomagnetic fields and ambient AC-fields at various temperatures 2) evaluate the overall usability of the sample in a DR-system. As computational complexity of real electromagnetic problems is considerable, we try to understand the situation mostly with simple, idealized models. For the experiments, a manual, mobile sensor mount is devised into the cryostat and equipped with a cryogenic fluxgate-magnetometer, which allows measurements of magnetic field inside the shielded space. Measurements are made under the geomagnetic field and artificial magnetic fields with 0 Hz and 50 Hz frequencies applied onto the shield. We demonstrate that the magnetometer can be operated in a dilution refrigerator measurement system with a spatial probe. Shielding properties of the sample seem to be better than what would be expected on a theoretical basis, which could prompt a more detailed study. We observe permanent magnetization of the shield and discuss demagnetization procedures, which should be accounted for in shielding applications. Data resulting from the AC-experiments show deficiencies in the models discussed. Significant temperature dependency of the shielding is observed. On the basis of the learnings from this study, more research iterations should be done in order to explain deviations observed and to minimize both environment- and instrument-based error.

Heliumin isotooppeja 4He ja 3He hyödyntävät laimennusjäähdytysmittausjärjestelmät ovat nykyinen standardiväline mittauksiin, joita suoritetaan Helium-4:n nesteytymiskäyrän alapuolella. Useissa ultramatalissa lämpötiloissa suoritettavissa mittauksissa ulkoiset magneettikentät ovat häiriötekijöitä, joiden vähentäminen on toivottavaa. Käytännöllinen tapa tähän on korkeapermeabiliteettisten materiaalien käyttö, joilla osa magneettivuosta voidaan ohjata pois kokeellisista tiloista. Tätä ilmiötä voidaan makrotasolla hyvin ymmärtää klassisen sähkömagneettisen kenttäteorian keinoin. Tässä työssä tutkin Bluefors Oy:n mallin LD400 laimennusjäähdytinmittausjärjestelmään asennettavaa sylinterin muotoista A4K-nikkeliseoksesta valmistettua magneettisuojaa. Työn tavoitteet ovat 1) suojaustehokkuuden arvioiminen staattista maan kenttää sekä ympäristöperäistä vaihtovirtahäiriötä vastaan eri lämpötiloissa ja 2) suojan käytettävyyden arvioiminen laimennusjäähdyttimessä. Koska reaalimaailman sähkömagneettisten ongelmien laskennallinen monimutkaisuus on huomattavaa, yritetään tilannetta ymmärtää muutamilla yksinkertaisilla ideaalimalleilla. Mittausten suorittamista varten kehitetään kryostaattiin asennettava liikuteltava manipulaattori, joka varustetaan fluxgate-periaatetta hyödyntävällä magneettisensorilla. Näin voidaan mitata magneettikenttää suojan sisällä. Mittaukset suoritetaan maan magneettikentän vaikutuksessa sekä kohdistamalla suojaan keinoteikoisia kenttiä taajuuksilla, joiden suuruudet ovat 0 Hz ja 50 Hz. Osoitan, että magneettisensoria voidaan käyttää spatiaaliseen mittaukseen systeemin sisällä. Magneettisuojan suojauskyky näyttäisi ylittävän teoreettiset ennusteet. Näytteessä havaitaan merkittävä jäännösmagnetoituma, mikä on syytä huomioida suojauskäytön yhteydessä. Vaihtovirtakokeista saatavat tulokset vaikuttavat osoittavan käytettyjä malleja riittämättömiksi. Huomattavaa lämpötilariippuvuutta suojausteholle havaitaan. Tämän työn tulosten perusteella uusia mittauksia olisi tehtävä parannetuin mittausjärjestelyin, jotta voitaisiin saada lisää selvyyttä havaituista poikkeamista sekä minimoida ympäristö- ja laitelähtöinen virhe.
Description
Supervisor
Martikainen, Jani-Petri
Thesis advisor
Järvinen, Jarno
Keywords
magnetic shielding, dilution refrigerator, nickel alloy, fluxgate, amumetal 4K, A4K
Other note
Citation