МАГНИТОМЕТР-ГРАДИЕНТОМЕТР НА ОСНОВЕ СКВИДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ
MAGNETOMETRE-GRADIOMETRE BASED ON DC SQUIDS FROM HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTORS

Изобретение относится к квантовым сверхпроводниковым магнитометрам на основе сверхпроводниковых квантовых интерференционных детекторов (СКВИДов) и может быть использовано для создания и практического применения различных магнитометрических приборов в таких областях, как биомедицина, промышленность, научное приборостроение.
Наиболее перспективными для практического применения СКВИД-магнитометров являются измерительные системы для исследования магнитных полей, генерируемых различными органами человека, в первую очередь магнитных полей сердца, а также системы неразрушающего контроля, использующие СКВИД-магнитометры для обнаружения скрытых дефектов в различных конструкциях. Для проведения тонких магнитных измерений с помощью СКВИД-магнитометров в условиях неэкранированного пространства применяются различные градиентометрические схемы их включения. Такие схемы позволяют на порядки снизить уровень внешних электромагнитных помех и обеспечить требуемый динамический диапазон (не превышающий 140 дБ) для устойчивой работы магнитометров.
Существует проблема, затрудняющая переход от систем гелиевого уровня охлаждения к магнитометрическим системам на основе высокотемпературных (ВТСП) СКВИДов. Традиционные СКВИД-магнитометры гелиевого уровня охлаждения, работающие в условиях неэкранированного пространства, как правило, используют градиентометрические конструкции трансформаторов магнитного потока, изготавливаемые из тонкого ниобиевого провода. Наиболее эффективную работу в условиях помех демонстрируют градиентометры второго или более высокого порядка. Окончания такого трансформатора потока обычно соединяют с входной катушкой СКВИД-датчика посредством пайки или плотного механического контакта, обеспечивая при этом сверхпроводящие соединения, необходимые для правильной работы трансформатора потока.
При использовании высокотемпературных сверхпроводников подобную технологию применить нельзя, поскольку они представляют собой керамику, которая не паяется. Механический контакт двух высокотемпературных сверхпроводников также не обеспечивает сверхпроводникового соединения. В такой ситуации создать градиентометр второго порядка возможно только электронным образом на основе комбинации выходных сигналов трех магнитометров, расположенных либо на одной оси (в случае аксиального градиентометра), либо в одной плоскости (в случае планарного градиентометра).
0
0
-15
Технические трудности по созданию «электронных» градиентометров связаны с обеспечением устойчивой работы сверхвысокочувствительных магнитометров в условиях электромагнитных помех. Каждый из магнитометров с одной стороны должен иметь очень высокую чувствительность (порядка 1 наноТеста/ Ф, где Ф - квант магнитного потока, равный 2,07×10 Вб), и с другой стороны, иметь динамический диапазон порядка 140 дБ для устойчивой работы в условиях высокой плотности электромагнитных помех в окружающем пространстве. Эти обстоятельства накладывают очень жесткие технические требования как на топологию и конструкцию ВТСП-СКВИД-датчика, так и на блок обработки сигнала СКВИД-магнитометра.
Идея создания электронных градиентометров на базе нескольких магнитометров общеизвестна, как и известны различные технические решения, в которых рассмотрены принципы создания градиентометров на основе нескольких СКВИД-магнитометров из ВТСП-материалов.
В частности, схема градиентометра первого порядка, реализованная на базе двух СКВИДов, предложена в изобретении (RU1535285, Байков и др., 10.07.2000). Схема включает сверхпроводниковый магнитометрический прибор, содержащий сверхпроводниковый трансформатор магнитного потока, связанный со СКВИДом, и блок обработки сигнала со СКВИДа, в которой с целью увеличения мгновенного динамического диапазона, трансформатор магнитного потока связан с дополнительным СКВИДом, выход блока обработки сигнала которого через преобразователь соединен с катушкой, индуктивно связанной с контуром квантования основного СКВИДа в противофазе с трансформатором потока, причем коэффициент трансформации трансформатора магнитного потока в дополнительный СКВИД меньше, чем в основной.
В изобретении (US 6339328 KEENE et al., 10.01.2002) описан электронный градиентометр первого порядка, состоящий из двух магнитометров, имеющих общую обратную связь по магнитному полю, совпадающему по направлению с компонентой измеряемого магнитного поля. В качестве датчиков магнитного поля могут использоваться не только СКВИДы, но и датчики Холла, феррозондовые магнитометры и магниторезистивные датчики. Конструкция может иметь до восьми датчиков, измеряющих магнитное поле в ортогональных направлениях, чтобы в результате получить пять независимых компонент тензора градиента магнитного поля.
В изобретении (US 6462540, KANDORI et al., 08.10.2002) предложена схема электронных градиентометров второго порядка для биомагнитных применений. Конструкция имеет массив аксиальных градиентометров первого порядка, размещенных в узлах сетки измерений в нижней части криостата, т.е. наиболее близко к источнику полезного сигнала (к грудной клетке испытуемого, размещаемого непосредственно под криостатом). Над этим массивом на определенном удалении располагается второй массив градиентометров первого порядка, который использовался только для изменения шума. Путем электронного вычитания сигналов первого и второго массивов выделяется полезный биомагнитный сигнал с гораздо более высоким отношением «сигнал-шум». Однако упомянутые магнитометры-градиентометры имеют тот недостаток, что могут быть использованы только в магнитоэкранированной камере, что существенно ограничивает области их практического применения.
Наиболее близким аналогом к патентуемому является магнитометр-градиентометр на основе трех СКВИД-магнитометров, два из которых имеют высокую чувствительность и разность сигналов с которых дает величину градиента магнитного поля первого порядка, а третий магнитометр (референтный) имеет существенно более низкую чувствительность, но сигнал с его выхода поступает в катушки обратной связи высокочувствительных магнитометров и компенсирует в них сигнал однородного магнитного поля (ЕР 0481211, KOCH ROGER, oп. 22.04.1992). Подача сигнала с референтного магнитометра в цепи обратной связи высокочувствительных магнитометров компенсирует мощные сигналы помех прямо на их входах, что существенно повышает устойчивость работы магнитометров и снижает требования на динамический диапазон СКВИД-электроники и скорость слежения цепи обратной связи.
К недостаткам данного технического решения следует отнести тот факт, что описан только сам принцип построения «электронного» градиентометра без учета возможности регистрации магнитных сигналов в открытом пространстве, т.е. без использования внешних экранирующих приспособлений. Кроме того, не предполагается учет взаимной ориентации магнитометров в пространстве. В то же время, обеспечение максимальной соосности является принципиальным при формировании «электронных» градиентометров из нескольких магнитометров.
Патентуемый магнитометр-градиентометр содержит три магнитометра на основе СКВИДов постоянного тока из высокотемпературных сверхпроводников, выходы которых подключены к блоку обработки сигналов, который характеризуется тем, что блок выполнен с возможностью реализации градиентометра второго порядка, при этом дополнительно содержит блок формирования сигналов обратной связи для каждого из магнитометров, реализующий управляемое смешение сигналов с коэффициентами в диапазоне от 0 до 1, подключенный к выходам магнитометров, причем магнитометры имеют одинаковую чувствительность.
Магнитометр-градиентометр может характеризоваться тем, что блок электронного градиентометра содержит первый, второй, третий и четвертый сумматоры, первый, второй и третий аттенюаторы и мультиплексор, выход которого является выходом блока, причем первый, второй и третий входы блока и выходы каждого сумматора подключены к входам мультиплексора, управляемого от компьютера. Первый вход подключен к входу первого аттенюатора, второй вход - к инвертирующему входу первого сумматора и входу второго аттенюатора, а третий вход подключен к инвертирующим входам второго и третьего сумматоров. При этом выход первого аттенюатора подключен к неинветирующим входам первого и третьего сумматоров, выход второго аттенюатора - к неинвертирующему входу второго сумматора, выход которого подключен к инвертирующему входу четвертого сумматора, а выход первого сумматора через третий аттенюатор - к неинветирующему входу четвертого сумматора.
Магнитометр-градиентометр может характеризоваться тем, что СКВИДы установлены в измерительном зонде соосно и параллельно друг другу на подвижных площадках, с возможностью механической юстировки их взаимной ориентации.
Технический результат изобретения - возможность регистрации магнитных сигналов с чувствительностью на уровне 50-100 фТл в открытом пространстве, т.е. без использования внешних экранирующих приспособлений, путем смешения сигналов магнитометров и учета взаимной ориентации магнитометров в пространстве.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где на:
фиг.1 представлена блок-схема патентуемого магнитометра-градиентометра;
фиг.2 - блок-схема электронного градиентометра;
фиг.3 - схема размещения датчиков в чувствительном элементе.
Измерительный зонд 1 имеет три канала, каждый из которых содержит идентичные по конструкции и параметрам датчики 10, 12, 14 на основе высокотемпературных двухконтактных сверхпроводящих квантовых интерферометров, которые помещены в криостате на измерительной вставке (не показана). Измерительная вставка выполнена из пластика «Vixtrem», имеющего низкий коэффициент температурного расширения. Датчики 10, 12, 14 установлены соосно и параллельно друг другу. При этом у датчиков 10 и 12 площадки 3, на которые прикреплены СКВИДы 2, имеют возможность поворота на небольшой угол вокруг осей X и Y непосредственно в процессе измерений с помощью механических средств 4 (см. фиг.1, 3)(ось Z совпадает с продольной осью измерительного зонда 1). Каждый из датчиков 10, 12, 14 подключен к блокам 101, 121, 141 модуляционной СКВИД-электроники с обратной связью по магнитному потоку в петле СКВИДа. Выходы блоков 101, 121, 141 подключены к входам блока 20 электронного градиентометра, причем два из которых 121 и 141 подключены к входам блока 30 формирования сигналов обратной связи для каждого из магнитометров 10, 12, 14. Соответственно выходы блока 30 подключены непосредственно к катушкам обратной связи каждого из датчика 10, 12, 14.
Управление блоками 20 и 30, то есть электронная коммутация каналов осуществляется от персонального компьютера 50, туда же через аналого-цифровой преобразователь (не показан) поступает информация о результатах измерений.
На фиг.2 представлена схема блока 20 электронного градиентометра. Блок содержит сумматоры 202,204,206,207, аттенюаторы 201, 203, 205 и мультиплексор 208, выход которого является выходом блока 20.
Входы А, В, С блока, соответственно показанным на фиг.1, и выходы каждого сумматора 202, 204, 206, 207 подключены к входам мультиплексора 208, управляемого от компьютера 50. Вход А подключен к входу аттенюатора 201, вход В - к инвертирующему входу сумматора 202 и входу аттенюатора 205. Вход С подключен к инвертирующим входам сумматоров 206, 207.
Выход аттенюатора 201 подключен к неинвертирующим входам сумматоров 202 и 207. Выход аттенюатора 205 подключен к неинвертирующему входу сумматора 206. Выход сумматора 202 подключен к входу аттенюатора 203, выход которого подключен к неинвертирующему входу сумматора 204, к инвертирующему входу которого подключен выход сумматора 206.
Блок 30 формирования сигналов, подаваемых в катушки обратной связи СКВИДов каждого из датчиков 10, 12, 14, реализует управляемое смешение выходных сигналов с коэффициентами в диапазоне от 0 до 1 на уровне самих датчиков. Он содержит ряд электронных ключей и аттенюаторов, управляемых компьютером. В качестве датчиков 10, 12, 14 могут быть использованы высокотемпературные двухконтактные квантовые интерферометры известной конструкции (Faley M.I., Рорре U., Urban К., Paulson К. and Fagaly К. // A New Generation of the HTS Multilayer DC-SQUID Magnetometers and Gradiometers, Journal of Physics: Conference Series, 43 (2006) 1199-1202). Сумматоры могут быть выполнены на основе операционных усилителей.
Устройство работает следующим образом.
Проводится механическая подстройка пространственной ориентации датчиков магнитометров. Используются катушки Гельмгольца для создания однородного магнитного поля, направленного вдоль оси измерительного зонда 1, на котором размещены магнитометры. Вращая плоскости СКВИДов 2 посредством подвижных площадок 3 с помощью механических средств 4, можно добиться более точной соосности всех трех магнитометров, что примерно на порядок уменьшает ошибку «электронного» выполнения операции по формированию градиентометра второго порядка «А-2В+С», где: А, В, С - сигналы каналов магнитометра.
Электронная схема блока 20 реализует аналоговое вычитание и сложение сигналов, поступающих с трех магнитометров, с управляемыми коэффициентами. Помимо этого, предусмотрен вывод всех исходных сигналов в аналоговом виде на осциллограф. Посредством мультиплексора 208 имеется возможность направить сигнал с одного канала в другой для того, чтобы производить сложение и вычитание сигнала с одного магнитометра и сигнала с другого непосредственно на уровне катушки обратной связи СКВИД-магнитометра.
Магнитометр-градиентометр патентуемой конструкции позволяет реализовать, как минимум, три режима работы:
I - режим работы трех независимых магнитометров, приемные витки которых расположены на одной оси - с получением сигналов А, В и С;
II - режим работы двух независимых «электронных» градиентометров первого порядка - с получением разности сигналов (А-В, В-С), а также их суммы (А+С);
III - режим работы «электронного» градиентометра второго порядка - с получением сигнала градиента второго порядка (А-2В+С).
Техническое решение, реализованное в конструкции магнитометра-градиентометра, обеспечивает расширение возможностей и позволяет регистрировать магнитные сигналы с чувствительностью на уровне 50-100 фТл в открытом пространстве, что делает предложенный многоканальный магнитометр универсальным инструментом с точки зрения его практических применений.