Сквиды

Рис. 1.5. Структурные схемы высокочастотного сквид-магнитометра (а) и сквид-магнитометра постоянного тока (б) [39]

Рис. 1.4. Некоторые типы сквидов [39 72, с. 69]

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]

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]

Криогенное оборудование. Важная роль, которую играют низкотемпературные условия при биомагнитных измерениях, объясняется прежде всего тем, что чувствительность датчиков любых типов, включая и магнитные, в принципе ограничена равновесными термодинамическими флуктуациями (иначе говоря, тепловыми флуктуациями, или шумом Найквиста) эти флуктуации могут быть уменьшены посредством охлаждения датчика. Кроме того, сквид-датчики, использующие явление сверхпроводимости, могут функционировать лишь ниже определенного температурного уровня - температуры перехода в сверхпроводящее состояние, или критической температуры (для ниобия она равна 9,2 К). Для поддержания таких условий используются специальные устройства — криостаты. Наиболее широко распространены криостаты с жидким гелием, который при атмосферном давлении имеет температуру кипения около 4,2 К. Для хранения жидкого гелия и применения его в качестве хладагента служат специальные вакуумно-изолирован- [c.23]

Рис. 1.11. Зависимость отношения токов несогласованного и оптимально согласованного трансформаторов потока от отношения индуктивностей градиометра и входной катушки сквида (от степени согласования индуктивностей) [211]

Рис. 1.6. Частотные зависимости входной энергетической чувствительности некоторых сквид-датчиков [39]

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]

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 использовании градиометров более актуальной становится проблема оптимального согласования сложной измерительной катушки и входной катушки сквида, так как магнитный поток в трансформаторе потока теперь распределяется между всеми катушками, включая совокупность компенсирующих катушек. Для учета этого фактора удобно рассмотреть эквивалентную измерительную катушку, которая воспринимает тот же магнитный поток, что и градиометр в целом, и имеет индуктивность, равную суммарной индуктивности составляющих катушек. Если составляющие катушки имеют плотную намотку, а взаимное влияние между ними пренебрежимо мало, то согласно (1.6) суммарная индуктивность К [c.34]

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]

При выборе структуры и параметров градиометра необходимо учитывать следующие объективные условия свойства конкретного объекта исследования, точнее, местоположение и конфигурацию биоэлектрического генератора, порождающего исследуемое поле характер внешнего магнитного поля помехи уровень собственного шума сквид-датчика конструктивные ограничения, характерные для работы со сквид-магнитометром. [c.36]

Основными геометрическими параметрами градиометра являются размеры катушек и значение базы. Рассмотрим вопросы оптимального выбора этих параметров на примере соосного симметричного градиометра с круглыми катушками. Сначала предположим, что цель состоит в достижении возможно более высокой чувствительности, т.е. отношения полезного сигнала к помехе. В этом случае размеры приемной катушки желательно увеличивать, так как при увеличении ее площади снижается уровень собственного шума сквид-магнитометра, приведенного к Приемной катушке. Ограничения на размеры катуШки налагаются главным образом размерами криостата в области градиометра. [c.38]

Таким образом, теоретически при рассматриваемых условиях наибольшее отношение сигнала к помехе достигается при 7 = 0. Однако приблизиться к этому пределу невозможно из-за конструкционных трудностей изготовления катушек с очень малой базой и нецелесообразно в связи с тем, что в реальных условиях кроме внешних помех существует собственный шум сквид-датчика, и прт слишком короткой базе полезный сигнал может уменьшиться настолько, что отношение сигнала к помехе ухудшится иэ-за собственного шума сквид-датчика. Чтобы оценить, насколько в каждом конкретном случае можно приблизиться к теоретически оптимальному отношению сигнала к помехе, найдем коэффициент оптимальности [c.43]

Анализ этого уравнения, который является довольно сложным и здесь не приведен, показьшает, что условие максимизации отношения сигнала к помехе практически совпадает с условием равенства среднеквадратичных значений внешней помехи и собственного шума сквид- [c.44]

Исследованы продукты термического взаимодействия фуллерена С с трнсацетипацетонатом железа (Ш). Установлено, что полученные вещества обладают магнитными свойствами, зависящими от исходного соотнощения реагентов и температурного режима. Анализ полученных веществ проводился методами РФА, МР, Мессбауэра, магнитные характеристики получены на вибращюном магнетометре и сквиде. Согласно данным этих методов можно считать, что магнитные свойства продуктов синтеза обусловлены микрокристаллическими и аморфными частицами магнетита, связанными с фуллерном. Изучение и синтез таких веществ представляет научный и практический интерес для современного материаловедения. [c.163]

Исследования в области биомагнетизма и биомагнитометрии развивались неравномерно и зависели прежде всего от доступной измерительной техники. Подлинный качественный скачок в этой области Произошел в начале прошлого десятилетия, когда появилась возможность использовать для измерения слабых магнитных полей прибор нового типа, основанный на квантовых явлениях в сверхпроводнике — сквид-магнитометр. Этот прибор в сочетании с целым рядом методических и технических усовершенствований измерительной процедуры вскоре позволил получить записи индукции магнитного поля биологических объектов, практически не уступающие по качеству записям био-элект 1ческих потенциалов. С этого времени биомагнетизм развивается очень быстрыми темпами, охватывая все новые объекты, осваивая эффективные способы интерпретации данных, становясь признанным методом исследования научных проблем электрофизиологии и приближаясь к решению конкретных задач медицинской диагностики [9]. [c.4]

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]

Сосуд с жиЭким гелием Рис. 1.3. Структурная схема сквид-магнитометра [159, с. 123] [c.19]

В сквид-магнитометре постоянного тока (рис. 1.5, б) кольцо сквида имеет два джозефсоновских контакта с одинаковь1ми характеристиками, причем на кольцо подается постоянный ток, протекающий параллельно через оба слабых звена. В этом случае изменения входного магнитного потока через кольцо при определенном уровне постоянного тока, индуктивности кольца и определенных параметрах джозеф- [c.21]

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]

Существуют разные способы оценки суммарного влияния всех указанных выше шумов на чувствительность сквид-датчика. Практически наиболее удобная характеристика - зто входная знергетическая чувствительность, которая определяется как средняя спектральная штот-ность энергии, подаваемой на входную катушку сквида, при которой напряжение на выходе сквид-датчика имеет спектральную штотность мощности, равную спектральной плотности мощности суммарного шума. Входная энергетическая чувствительность зависит от частоты и выражается в единицах джоуль на герц. Входные энергетические чувствительности в функции частоты для сквид-датчиков некоторых типов представлены на рис. 1.6. Благодаря технологическим усовершенствованиям входная энергетическая чувствительность сквид-датчиков сейчас уже достигает значений около 10 Дж/Гц, т.е. фактически приближается к квантовому пределу. [c.23]

Рис. 1.10. Схемы градиометрических измерительных катушек, применяемых в сквид-магнитометрах для биомагнитных измерений (стрелками указано относительное направление токов в составляющих катушках) [39, 73]

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]

I - зонд магнитометра 2 - клапан для откачки 3 - верхняя крышка 4 -резиновая герметичная прокладка 5 - отражательные экраны б - горловина 7 - наружный корпус 8 - экранировка, охлаждаемая парами гелия 9 - супери-золяция 10 - жидкий гелий в резервуаре II - сквид-датчик 12 - вакуумное пространство 13 - нижний фланец 14 - хвостовик 15 - измерительная катушка (размеры указаны в миллиметрах) [c.24]

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]

Трансформатор потока представляет собой замкнутую сверхпроводящую цепь, состоящую из измерительной катушки и входной катушки, индуктивно связанной со сквидом. В общем случае измерительная катушка может иметь довольно сложную, так называемую градиометри-ческую структуру, в которую входит основная, или приемная, катуш- [c.25]

При исследовании биомагнитных полей нередко возникает необходимость одновременного измерения магнитного поля по нескольким каналам. Такие измерения нужны, в частности, при изучении распределения на заданной поверхности компоненты магнитной индукции поля сердца или мозга, а также при определении пространственного вектора магнитной индукции в векторной магнитокардиографии. Соответственно для многоканальных сквид-магнитометров требуются специальные конструкции градиометров [73, 105, 128, 137, 159, 177]. К векторным градиометрам предъявляются дополнительные ipe6oBia-ния — все три взаимно перпендикулярные компоненты магнитной индукции необходимо измерять в одной и той же точке пространства, причем должно быть исключено взаимное влияние между составляющими катушками разных каналов. Конструирование таких градиометров осложняется необходимостью компактного размещения нескольких измерительных катушек внутри криостата.. [c.37]

При анализе реального сквид-магнитометра необходимо учитывать собственный шум сквид-датчика. Допустим, что при изменении базы градиометра его индуктивность не изменяется и остается постоянным коэффищ1ент преобразования магнитного подока на входе градиометра во входной поток сквида. Обозначим через и 8с среднеквадра- [c.44]

Итак, для оптимизации базы градиометра вьццеописанными методом нужно знать уровни полезного сигнала и внешней помехи в области измерения, а также уровень собственного шума сквид-датчика и основные характеристики источника полезного сигнала. Задается достаточно большое исходное значение базы, затем при помощи формул (1.51) или (1.52) и (1.34) определяется ее оптимальное значение. По (1.53) или (1.55) можно найти отношение сигнала к помехе. Наконец, при помощи графиков на рис. 1.17 можно оценить, в какой степени используется теоретическая возможность повьпиения отношения сигнала к помехе при оптимизации конкретного сквид-магнитометра с заданным собственным шумом. Рассмотренные соотношения между полезным сигналом и помехами иллюстрируются на рис. 1.18. [c.45]

Чаще всего применяют балансировочные пластинки (триммеры), закрепляемые в фиксированном положении при первоначальной грубой балансировке или перемещаемые при помощи регулируемых штоков, которыми можно манипулировать во время работы сквид-магнитометра для более тонкой его настройки. Схема такого устройства для балансировки градиометра второго порядка показана на рис. ]. 24. Три маленькие сверхпроводящие пластинки, плоскости которых перпендикулярны осям прямоугольной системы координат, могут устанавливаться в нужное положение относительно плоскостей катушек градиометра. Пластинки, параллельные оси катушек, расположены у кромки одной из катушек и могут сдвигаться вверх или вниз, чго приводит к ожлонению соответствующих поперечных компонент магнитной индукции, заставляя ее проходить через катушку сверху или снизу. Этим корректируется погрешность в расположении плоскости катушки по отношению к оси градиометра. Для корректировки различия в площадях катушек нужно поместить третью пластинку (перпендикулярную оси градиометра) в соответствующее положение между приемной и средней катушками. Тем самым уменьшается чувствительная площадь ближайшей катушки. Таким образом регулируется эффективное значение произведения числа витков на площадь катушки и достигается нечувствительность градиометра к равномерному осевому полю. Балансировка градиометра второго порядка по отношению к осевому градиенту поля осуществляется изменением баэы для одной из пар состав- [c.51]

Магнитометр ЗКМ-2 [22,186, 190, 192, 193]. Сквид-магнитометр 8КМ-2 разработан и изготовлен в Институте измерения и измерительной техники Центра электрофизических исследований Словащсой Академии наук (Братислава, ЧССР) и предназначен для измерения очень слабых магнитных полей, в том числе магнитных полей, порождаемых биологическими объектами. [c.53]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология