Градиометры

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]

Допустим, что градиометр состоит из К составляющих катушек, включенных последовательно. Тогда его магнитный поток будет равен сумме потоков составляющих катушек. С учетом (1.3) он выражается как [c.28]

Для точного измерения заданной компоненты вектора магнитной индукции все составляющие катушки градиометра должны быть сориентированы в пространстве так, чтобы их плоскости были перпендикулярны к направлению этой компоненты. Предположим, что магнитометр должен измерять компоненту магнитной индукции по оси г декартовой системы координат. При соответствующем распо- [c.28]

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]

Для соосного градиометра выражение для магнитного потока (1.9) записывается в виде [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]

В тех случаях, когда поле помехи в области измерения недостаточно однородно, т.е. имеет значительный градиент, можно скомпенсировать не только равномерную составляющую помехи, но и ее градиент, усложнив конструкцию градиометра. При этом измерительная катушка будет иметь структуру, соответствующую двум одинаковым, соединенным последовательно градиометрам первого порядка с противоположными направлениями намотки. Расстояние между центрами градиометров первого порядка служит базой полученного таким путем градиометра второго порядка. Применяя аналогичный подход, можно построить и градиометры более высоких порядков. [c.30]

На рис. 1.9 показана общая схема построения таких соосных симметричных градиометров первого, второго и третьего порядков. В прин- [c.30]

Рис. 1.9. Схема построения градиометров высших порядков из градиометров низших порядков. Под условными изображениями катушек (овалы) показаны стрелками направления потоков составляющих катушек при протекании тока в цепи трансформатора потока (di, d2 и 3 - базы градиометров первого, второго и третьего порядков соответственно) [194]

По определению градиометр порядка т нечувствителен ко всем производным ниже т-го порядка магнитной индукции вдоль своей оси, следовательно, для такого градиометра равны нулю соответствующие коэффициенты чувствительности [c.31]

Из этого уравнения получается система уравнений, определяющая соотношение между эффективными шющадями катушек, которое обеспечивает указанные свойства градиометра. Говоря конкретнее, следующая система уравнений определяет отношения эффективных площадей компенсирующих катушек к эффективной площади приемной катушки [c.33]

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]

Для рассмотренных выше симметричных соосных градиометров первого, второго и третьего порядков, учитывая соотношение между числами витков составляющих катушек, получим соответственно [c.34]

Можно показать, что для соосных симметричных градиометров первого, второго и третьего порядка добавление компенсирующих катушек уменьшает чувствительность примерно в 1,4 2,5 и 4,5 раза соответственно по сравнению с простым магнитометром. Это объясняется тем, что магнитный поток, создаваемый током в цепи трансформатора потока, должен распределяться между всеми катушка ми, в том числе и компенсирующими. Для ослабления указанного вредного эффекта желательно уменьшить индуктивность компенсирующих катушек при сохранении заданного произведения числа витков на площадь (что необходимо для обеспечения компенсации внешних нолей помехи). Это достигается благодаря асимметричной конструкции градиометра, в которой компенсирующие катушки имеют намного большую площадь, чем приемная, как показано на рис. 1.10. [c.35]

Рассмотрим один из способов согласования индуктивности в цепи трансформатора потока градиометра - изменение числа витков всех составляющих катушек градиометра в одно и то же число раз (с сохранением заданного соотношения между эффективными площадями отдельных катушек) [211]. [c.35]

Эта зависимость изображена на рте. 1.11. График показывает, что при отличии индуктивности градиометра от оптимальной в 2,5 раза обес- [c.35]

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]

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]

Порядок и общую структуру градиометра выбирают, исходя главным образом из условий окружающей среды в области измерения, а также известных априори свойств биоэлектрического генератора и конкретных характеристик поля, подлежащих измерению. Так, прос- [c.36]

Наряду с наиболее широко распространенными соосными симметричными градиометрами и градиометрами с увеличенным диаметром компенсирующих катушек для решения конкретных измерительных задач можно применять градиометры более специализированного типа, в частности вышеуказанные градиометры с асимметричной базой и градиометры с катушками Гельмгольца. Если нужно измерять компоненту магнитной индукции, направленную под заданным углом к общей оси магнитометра, то используют градиометр с наклонными катушками (рис. 1.10, з). Для измерения пространственной производной компоненты магнитной индукции по направлению, перпендикулярному к измеряемой компоненте, используют недиагональный градиометр первого порядка с катушками, лежащими в одной шюскости вблизи друг друга (рис. 1.10, и) он обладает особенно высокой чувствительностью к полю дипольного генератора тока, расположенного под градиометром параллельно границе между катушками. [c.37]

В современных градиометрах применяют катушки с разными формами сечения — не только круглые, но и прямоугольные, квадратные, овальные и др. Форма сечения обычно диктуется конструкционными и технологическими условиями, а также стремлением приблизить катушку к объекту исследования. Независимо от формы катушки наиболее существенным параметром ее является площадь витка. Примеры конструкций одноканальных и многоканальных градиометров приведены на рис. 1.12-1.14. [c.37]

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]

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]

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]

Таким образом, градиометр первого порядка дает нулевой суммарный ток в трансформаторе потока при равномерном распределении магнитного поля в направлении оси градаометра, и в то же время он воспринимает любое поле, значения которого у составляющих катушек градиометра различаются, или, говоря приближенно, поле, имеющее ненулевой градиент по этой оси. Генератор полезного сигнала обычно находится достаточно близко от приемной катушки - на расстоянии, малом по сравнению с базой градиометра. Поэтому его поле в области удаленной компенсирующей катушки будет пренебрежимо мало по сравнению с полем в области приемной катушки, так что градиометр будет фактически измерять не градиент, а полное значение исследуемого поля. [c.30]

Рассмотрим структуры градиометров с минимальным числом катушек, изображенные на рис. 1.10. Дпя градиометра первого порядка т = 1, К =2,и система уравнений (1.16) даетЛэг/>1э1 =-1 для градиометра второго порядка т = 2, К = 3, и получаем эгМэ =-2. Аэз/Аэ1 = 1 для градиометра третьего порядка т = 3, К = 4 и аналогично получаем Л эг/ э =-3,ЛэзМэ1 =3,Лэ4/Лэ1 =-1 (знак минус указывает, что данная составляющая катушка имеет противоположное направление намотки по отношению к приемной). Таким образом, при заданной эффективной площади приемной катушки можно легко рассчитать требуемые эффективные шющади компенсирующих катушек для градиометра любого порядка. [c.33]

К анализу пространственной структуры градиометра можно также подойти с позиций теории цифровых фильтров [73, с. 67]. Действительно, градиометрическая система выполняет операцию, эквивалентную высокочастотной пространственной фильтрации измеряемой магнитной индукции, т.е. подавление ее составляющих, медленно изменяющихся в пространстве. Необходимо обратить внимание на то, что градиометрическая система всегда вносит искажения в измеряемую компоненту магнитной индукции. Эти искажения нужно учитывать, [c.33]

Симметричные соосные градиометры широко распространены и находят пртменение при биомагнитных измерениях практически всех видов. Однако, отступив от этой общепринятой структуры, можно получить градиометры, обладающие специальными заданными свойствами по отношению к генераторам магнитного поля определенной конфигурации. Например, была предложена схема соосного градиометра с асимметрично расположенными катушками, который имеет относительно высокую чувствительность к генераторам в форме магнитного диполя, расположенным в области перед приемной катушкой, и наоборот, относительно низкую чувствительность в области, прилегающей к компенсирующим катушкам [130]. Асимметричный осевой градиометр специальной структуры, состоящий из катушек с разными радиусами, предлагали применять для идентификации источника магнитного поля в форме одиночного магнитного диполя [73, с. 61]. Использование структуры соосного симметричного градиометра в виде сочетания нескольких пар катушек Гельмгольца с разными диаметрами позволило получить градиометр с более равномерной и повышенной чувствительностью по сравнению с обычными градиометрами для магнитных диполей, расположенных на небольших расстояниях от приемной катушки [159, с. 153]. [c.34]

Выбор структуры и геометрических параметров градиометра. К важнейшим характеристикам устройства для биомагнитных измерений относятся структура и геометрические параметры градиометра, определяющие число, форму, размеры и взаимное расположение составляющих катушек. Конечная цель, преследуемая при выборе этих параметров, неоднозначна. Она зависит от конкретной задачи, решаемой в данном исследовании при помощи йюмагнитометрии. Обычно к магнитометрам предъявляют требования двух типов — требование максимальной чувствительности и (или) требование максимальной, точности. Под чувствительностью подразумевается способность прибора обнаружить магнитное поле исследуемого объекта в присутствии внешней магнитной помехи и собственных шумов магнитометра, под точностью - способность точно определять искомую компоненту магнитного поля в заданной точке измерения. Эти два требования часто вступают в противоречие между собой, так как изменение некоторых параметров оказывает противоположное влияние на чувствительность и точность. [c.36]

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]

Рассмотрим решение задачи оптимизации базы градиометров первого и второго порядков, используя гипотетический источшк магнитного поля в виде круглого контура с током и методику, изложенную в [211]. Контур имеет радиус Лк> в течет ток 7 . Градиометр расположен соосно с контуром на его оси г, причем расстояние от контура до ближайшей к нему (приемной) катушки равно г i (рис. 1.15). [c.38]

Рис. 1.18. Взаимное расположение градиометра и источника магнитого поля

При достаточно малой площади приемной катушки входной сигнал для градиометров первого и второго порядка согласно (1.7) пропор-щюнален соответственно величинам [c.40]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология