ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Сквид-магнитометры из "Биомагнитные измерения" Эффективным средством компенсации мешающего магнитного поля в измерительных приборах являются специальные системы катушек типа градиометров. Они обеспечивают исключение магнитного поля удаленных источников из измеряемого сигнала, если это поле обладает определенными свойствами пространственной равномерности. Этот вопрос будет обсужден ниже при рассмотрении конструкции сквид-магнитометров. [c.17] Целесообразность применения различных способов борьбы с магнитным полем помехи (удаление от источников помехи, экранирование, применение градиометрических приборов) должна быть определена конкретными задачами и условиями биомагнитного исследования. [c.17] Принцип действия сквид-магнитометра. Сквид-магнитометр был впервые применен для измерения биомагнитного поля Коэном с соавторами в 1970 г. [84], а в настоящее время приборы этого типа используются подавляющим большинством исследователей, работающих в области биомагнетизма. Теория магнитометрических приборов, основанных на эффектах Джозефсона, разработана довольно подробно и изложена в многочисленных книгах и статьях [9, 12, 15, 21, 26—28, 33, 36, 39, 53, 70, 72, 118, 119, 165, 179, 182, 192, 205, 207, 208, 210 и др.]. Сведения о сквид-магнитометрах, используемых для биомагнитных измерешй в СССР, можно найти в [7, 9]. Ниже будет дано лишь самое общее представление о принципе действия, конструкции и условиях эксплуатации сквид-магнитометров. [c.18] Основными частями сквид-магнитометра являются измерительная катушка (или система катушек), сквид-датчик и электронная схема управления (рис. 1.3). Главный элемент сквид-датчика - это сверх-проводниковый квантовый интерферометр, или сквид, чувствительный к магнитному потоку. Сквид представляет собой кольцеобразную структуру из сверхпроводящего материала (например, из ниобия) с одним или двумя так называемыми слабыми звеньями, или слабыми связями (джозефсоновскими контактами),. Кольцо с одним контактом возбужается высокочастотным сигналом, поэтому соответствующий датчик называется высокочастотным сквид-датчиком. Кольцо с двумя контактами возбуждается постоянным током, и соответствующий датчик называется сквид-датчиком постоянного тока. Известны различные топологические модификации сквидов, причем физические свойства слабой связи могут различаться в зависимости от технологии ее изготовления. Наиболее известны слабые связи типа точечного контакта, туннельного перехода и мостика. На рис. 1.4 показаны некоторые практические конструкции сквидов. На высокочастотном сквиде непосредственно устанавливают сверхпроводящую входную катушку и высокочастотную катушку колебательного контура управляющей электронной схемы. Применяются и более сложные конструкции сквидов, в том числе многопетлевые, с катушками различных форм и тд. [c.19] Для намотки измерительной катушки, или антенны, применяют проволоку из сверхпроводника. Во многих случаях измерительная катушка имеет сложную структуру - состоит из нескольких определенным образом соединенных катушек, что обеспечивает подавление (компенсацию) магнитных помех от удаленных источников. Такие системы катушек, называемые градиометрическими, будут рассмотрены ниже. Входная катушка также является сверхпроводящей и вместе с измерительной катушкой создает замкнутую сверхпроводящую цепь — трансформатор магнитного потока, который преобразует изменения измеряемого магнитного потока в пропорциональные им изменения магнитного потока, создаваемого входной катушкой. [c.19] Все сверхпроводяище элементы сквид-магнитометра размещены в криостате. Обычно это сосуд Дьюара с жидким гелием, имеющий хорошую тепловую изоляцию в нем поддерживается температура 4,2 К, обеспечивающая требуемое состояние сверхпроводимости. [c.21] Работа сквид-датчика основана на сложном физическом явлении — макроскопической квантовой интерференции. В сверхпроводящем кольце, тесно связанном индуктивно с входной катушкой, возникает электрический ток, который является сложной функцией параметров джо-зефсоновского контакта, индуктивности кольца и магнитного потока входной катушки, а также зависит от способа возбуждения сквид-датчика. Сигнал сквида поступает в электронную схему управления, которая вырабатывает выходное напряжение, пропорциональное магнитному потоку, воздействующему на сквид, а следовательно, и измеряемому магнитному потоку. Сквид-датчик можно уподобить преобразователю тока в напряжение, обладающему очень большим коэффициентом усиления, чрезвычайно низким уровнем шума, большим динамическим диапазоном, линейностью передаточной характеристики и широкой полосой пропускания, начинающейся от нулевой частоты. Типичный коэффициент преобразования сквид-датчика имеет порядок Ю В/А. [c.21] В высокочастотном сквид-магнитометре (рис. 1.5, а) кольцо сквида индуктивно связано с высокочастотным колебательным контуром, который накачивается при помощи внешнего генератора с частотой от нескольких десятков до нескольких сотен мегагерц, равной собственной частоте контура. Влияние на этот колебательный контур квантовых электродинамических процессов, происходящих в сквиде, можно рассматривать феноменологически как изменение полного сопротивления контура. При изменении входного магнитного потока (создаваемого током входной атушки) полное сопротивление и, следовательно, выходное напряжение контура испытывают изменения, периодические по потоку с периодом, равным кванту магнитного потока Фо = 2,07 х Вб. Управляющая электронная схема, содержащая обратные связи, обеспечивает усиление и детектирование высокочастотного сигнала, линеаризацию выходного напряжения по отношению к входному магнитному потоку, а также поддержание оптимального режима работы сквида и колебательного контура. При этом сквид фактически служит нуль-индикатором, а сквид-датчик в целом работает как высококачественный параметрический усилитель, на выходе которого получается сигнал, пропорциональный измеряемому магнитному потоку. [c.21] Шумы на выходе сквид-датчика по происхождению делятся на три группы собственный шум сквида, шум колебательного контура и шум усилителя. Обычно у высокочастотных -сквид-датчиков преобладают шумы колебательного контура и усилителя, тогда как у сквид-датчиков постоянного тока — собственный шум сквида. [c.23] Теоретические и экспериментальные исследования последних лет показывают, что сквид-датчики постоянного тока обеспечивают более высокую чувствительность по сравнению с высокочастотными сквид-датчиками, особенно в области сравнительно высоких частот. Кроме того, сквид-датчики постоянного тока проще и удобнее в эксплуатации, так как для них требуются менее сложные управляющие электронные устройства. Вместе с тем они довольно сложны в изготовлении, однако эта трудность преодолевается благодаря развитию технологии тонких пленок. В настоящее время в области биомагнитометрии часто используются высокочастотные сквид-датчики более перспективными являются сквид-датчикй постоянного тока. [c.23] Металлические элементы сосуда Дьюара могут создавать помехи для сквид-датчика под влиянием тепловых шумов, вихревых токов, наводимых внешними магнитными полями, и токов, порождаемых существующими в сосуде большими температурными градиентами. Для уменьшения этих шумов принимают специальные меры, которые в основном сводятся к уменьшению сплошных металлических масс и исключению замкнутых проводящих контуров в конструкции сосуда. [c.25] Трансформатор потока и градиометрические измерительные катушки. Хотя известны сквид-датчики, в которых сквид непосредственно воспринимает измеряемое магнитное поле [207, 208], обычно в приборах для биомагнитных измерений применяется измерительная катушка, связанная со сквидом при помощи трансформатора магнитного потока. Целенаправленный выбор размеров и геометрической формы измерительной катушки позволяет свести к минимуму влияние мешающих внешних магнитных полей. [c.25] Анализ уравнения (1.4) показывает, что максимум тока / и, соответственно, магнитного потока через сквид обеспечивается при = = вх причем магнитный поток, создаваемый в измерительной катушке током /, практически равен потоку во входной катушке сквида. [c.27] При биомагнитных измерениях на измерительную катушку обычно воздействует суммарное магнитное поле от исследуемого биоэлектрического генератора и от внешних мешающих генераторов разного происхождения, причем эти магнитные помехи обычно во много раз превышают по абсолютной величине измеряемое поле. Однако по форме пространственного распределения вектора магнитной индукции в области измерения поле помехи существенно отличается от исследуемого поля. Благодаря тому что мешающие генераторы обычно расположены значительно дальше от измерительной системы, чем исследуемый объект, их поля характеризуются намного большей равномерностью, чем исследуемое поле. Это позволяет для исключения помехи из измеряемого сигнала использовать принцип дифференциального, или градио-метрического, измерения. [c.27] Хотя в принципе возможны различные варианты взаимного расположения катушек градиометра, т.е. выбора векторов г,-, чаще всего используется соосная, или диагональная, структура, в которой оси всех катушек совпадают между собой и направлены параллельно измеряемой компоненте магнитной индукции Вг - Иногда применяют так называемую недиагональную структуру градиометра, в которой составляющие катушки лежат в одной и той же плоскости, а их центры расположены на прямой, перпендикулярной к направлению Вг- Здесь мы ограничимся рассмотрением соосной структуры как наиболее типичной. Недиагональную структуру можно проанализировать на основе совершенно аналогичного подхода. [c.29] Измерительную катушку называют градиометром ш-го порядка, если у нее все коэффициенты чувствительности до (ш—1)-го порядка включительно равны нулю, т.е. 1/ = 0 при п т. [c.30] Наиболее простая измерительная катушка с соосной градиометрической структурой состоит из двух катушек с одинаковыми произведениями числа витков на площадь, отстоящих одна от другой на определенное расстояние, которое называется базой градиометра, и соединенных встречно, т.е. таким образом, чтобы при воздействии на них одинаковых магнитных полей (точнее, одинаковых компонент магнитной индукции по оси катушек) и трансформаторе потока возникали противоположно направленные и взаимно компенсирующиеся токи. Для такой измерительной катушки = О, и она называется градиометром первого порядка. Заметим, что для сохранения единства терминологии простую (одиночную) измерительную катушку иногда называют градиометром нулевого порядка. [c.30] Вернуться к основной статье