ПРИЕМНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СКВИД-МАГНИТОМЕТРА
SQUID MAGNETOMETER RECEIVING ELEMENT

Изобретение относится к магнитометрии биологических объектов и может быть использовано в медицине и биологии, а также в других областях науки и техники.
Известно, что регистрация собственных магнитных полей живого организма позволяет провести широкий комплекс кардиографических или энцефалографических биофизических исследований. Для этих целей описано использование многоканальных измерительных систем, реализуемых как набор одноканальных приемных элементов в индивидуальных криостатах или размещаемых в одном стеклотекстолитовом криостате (см. ж. «Радиотехника», №8, 1991 г., с.75-77). В последнем случае возможно уменьшить размер регулярной сетки картирования магнитного поля сердца над грудной клеткой пациента, снизить потребление хладоагента, повысить воспроизводимость измерений, а благодаря использованию электронной компенсации помех проводить регистрацию в неэкранированном пространстве.
В изобретении JP 10155758 (A), TSUKADA и др., 16.06.1998 г., описано устройство для магнитных измерений, в котором приемная донная часть криостата некруглая и имеет усечение для головы, обеспечивающее удобство пациенту, однако измерения проводятся в экранированной камере. В другом изобретении описаны криостат и биомагнитная измерительная система, имеющая высокий уровень защиты от электромагнитных высокочастотных помех путем введения в вакуумный объем радиационных экранов, которые дополнительно заземлены (СА 2721407 (A1), ERNE SERGIO NICOLA и др., 22.10.2009). Для измерения магнитных полей мозга пациента, находящегося в положении сидя, при проведении магнитоэнцефалографических исследований описана организация экранирования и подача хладоагента в криостат (JP 2010035595 (A), TSUNEMATSU SHOJI, 18.02.2010 г.). Для облегчения настройки положения приемного элемента СКВИД-магнитометра относительно тела пациента может быть использована трехкоординатная подвеска с манипулятором (US 2008086049 (A1), SEKI YUSUKE и др., 10.04.2008), а также два установленных зеркально приемных элемента. Для проведения сканирования, в дополнение к решетке приемных элементов со СКВИД, предлагается использование подвижного ложемента для пациента (US 2008161190 (A1), KIM IN SEON и др., 03.07.2008).
Описаны аналогичные устройства, содержащие размещенные в одном криостате регулярную сетку градиентометров, подключенных к сверхпроводниковым квантовым интерференционным датчикам (СКВИД) постоянного тока, причем градиентометры установлены в приемной (донной) части криостата (US 6650107 (В2), Bakharev, 18.11.2003). В магнитокардиографическом 6-канальном приемном элементе, сформированном на немагнитной подвеске и размещенном в криостате, имеющем также референсный датчик, за счет сканирования обеспечивается регистрация 36 точек измерений (CN 101194832 (A), KAI TU и др., 11.06.2008). В заявке JP 2009291375 (А), MIKAMI YUKIO, 17.12.2009, описан криостат для биомагнитных измерений с использованием СКВИДов, которые находятся при температуре жидкого гелия и связаны сверхпроводящими проводниками с градинтометрами, размещенными на отдельной не связанной со СКВИДами подвеске, что усложняет конструкцию.
Наиболее близким по технической сущности является приемный элемент СКВИД-магнитометра, содержащий немагнитный вакуумный криостат (сосуд Дьюара) с плоской донной частью и фланцем на горловине, скрепленным с подвеской. Устройство включает размещенные в донной части криостата и установленные на подвеске совокупность градиентометров, подключенных к сверхпроводниковым квантовым интерференционным датчикам (СКВИД) постоянного тока, связанным с системой регистрации (US 4700135 (A), HOENIG ECKHARDT, опубл. 13.10.1987).
Однако такой конструкции свойственны недостатки, а именно различная длина, а соответственно и индуктивность проводников, связывающих градиентометры со СКВИДами, что затрудняет калибровку чувствительности каждого элемента приемной матрицы. Кроме того, подключение градиентометров к СКВИДу рекомендовано через пружинный зажим, который находится при криогенных температурах, что не исключает потери сверхпроводникового контакта между градиентометром и входной катушкой СКВИДа.
Патентуемое изобретение направлено на упрощение конструкции, повышение универсальности при использовании одного типоразмера криостата для решетки с разным числом градиентометров.
Приемный элемент СКВИД-магнитометра содержит немагнитный вакуумный криостат с плоской донной частью и фланцем на горловине, скрепленным с подвеской, размещенную в донной части криостата и установленную на подвеске совокупность градиентометров, подключенных к сверхпроводниковым квантовым интерференционным датчикам (СКВИД) постоянного тока, связанным с системой регистрации.
Патентуемое устройство характеризуется тем, что каждый градиентометр выполнен в виде аксиального симметричного градиентометра второго порядка и представляет собой единый со СКВИДом модуль, образованный на цилиндрическом каркасе. Приемные витки градиентометра размещены на внешней поверхности каркаса со стороны донной части криостата, а СКВИД - на противоположной концевой части в капсуле из сверхпроводникового материала, образующей сверхпроводниковый магнитный экран. Подвеска представляет собой конструкцию из стеклотекстолита, имеющую по меньшей мере три полки, параллельные донной части криостата и скрепленные штангами, а упомянутые модули закреплены в сквозных отверстиях полок.
Элемент может характеризоваться и тем, что криостат имеет внутреннюю и наружную вакуумноплотные оболочки из стеклотекстолита, в пространстве между которыми размещены тепловые экраны и многослойная термоизоляция, при этом на донной поверхности внутренней оболочки выполнены лунки для фиксации в них оконечностей каркасов модулей.
Элемент может характеризоваться также тем, что модули размещены по регулярной сетке на подвеске и их число составляет 2, 3, 4, 6, 9, 18, 36.
Элемент может характеризоваться, кроме того, тем, что цилиндрический каркас в зоне размещения витков градиентометров имеет вставку из пиролитического графита, при этом витки размещены на поверхности вставки.
Элемент может характеризоваться и тем, что витки градиентометров выполнены из провода сплава Nb-Ti, имеют диаметр d=18-22 мм при базе L=2,5-3,5 d, при этом длина проводов витой пары от ближайшей витки до клемм СКВИДА составляет 2L.
Технический результат - обеспечение удобства сборки и юстировки конструкции, а также повышение надежности и универсальности путем размещения заданного числа градиентометров. Дополнительный технический результат состоит в подборе материала каркаса единичного градиентометра, обеспечивающего фильтрацию высокочастотных помех.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где на:
фиг.1 показана конструкция приемного элемента СКВИД-магнитометра в разрезе;
фиг.2 - то же, что на фиг.1, разрез по А-А;
фиг.3 - модуль градиентометра в разрезе;
фиг.4 - вид на конструкцию подвески.
Приемный элемент СКВИД-магнитометра (см. фиг.1, 2) содержит немагнитный вакуумный криостат 1 с плоской донной частью 2 и фланцем 3 на горловине 4, скрепленным с подвеской 5.
В подвеске 5 установлены измерительные модули 6, их выходные клеммы подключены к электрическим разъемам 7, установленным на фланце 3, для присоединения к системе регистрации.
Криостат 1 имеет внутреннюю 11 и наружную 12 стеклотекстолитовые вакуумноплотные оболочки, в пространстве 13 между которыми размещены тепловые экраны 14 и многослойная термоизоляция 15. На донной поверхности 16 внутренней оболочки 11 выполнены лунки 17 для фиксации в них оконечностей каркасов модулей 6.
Подвеска 5 представляет собой конструкцию из стеклотекстолита, имеющую по меньшей мере три полки 511-513, параллельные донной части 2 криостата 1 и скрепленные штангами 52, а модули 6 закреплены в сквозных отверстиях 53 полок 511-513. Такая конструкция позволяет наращивать число модулей, т.е. изменять разрешающую способность приемного элемента СКВИД-магнитометра в рамках типоразмерного ряда.
Каждый модуль 6 (фиг.3) выполнен в виде аксиального симметричного градиентометра 61 второго порядка, подключенного к СКВИДу 62, и представляет собой механически жесткую конструкцию, образованную на стеклотекстолитовом каркасе 63.
Градиентометр 61 второго порядка, схема которого известна из уровня техники, имеет витки приемных трансформаторов потока: одиночный виток 611, сдвоенный виток 612 и одиночный виток 613, разнесенные в пространстве на длине L. Концы витков градиентометра 61 в виде витой пары 614 пропускаются через отверстие 631 и присоединяются непосредственно к СКВИДу 62. В зоне размещения витков 611-613 на каркасе 63 имеется выточка, в которую помещена цилиндрическая вставка 64 из пиролитического графита. В углублениях на поверхности вставки 64 и размещены витки градиентометра 61.
Витки 611-613 градиентометра выполнены из провода сплава Nb-Ti, имеют диаметр d=l8-22 мм при базе L=2,5-3,5 d. Длина проводов витой пары 614 от ближайшей витки 613 до клемм СКВИДа 62 составляет 2L. Этим самым обеспечивается оптимальность согласования индуктивностей приемных трансформаторов магнитного потока и входных катушек используемых СКВИДов.
Крепление модуля 6 в отверстиях 53 полок 51 осуществляется посредством фланца 64 с отверстиями 65 под винт. Каждый СКВИД 62 защищен сверхпроводящим магнитным экраном, конструктивно выполненным в виде цилиндрической ампулы 66 из ниобия. В торцевой части ампулы размещен выходной разъем 67, через который проводами 68 СКВИД подключается к разъему 7. Провода 68 пропущены через трубки 681 из нержавеющей стали.
Модули 6 размещены по регулярной сетке на подвеске 5, и их число может составлять 2, 3, 4, 6, 9, 18, 36 и более.
Изготовление и сборку патентуемого устройства осуществляют следующим образом (см. фиг.4). На цилиндрических графитовых вставках 64 в канавки на их поверхности укладываются витки 611-613 провода из сплава Nb-Ti согласно схеме намотки градиентометра второго порядка. Выходные проводники свиваются в витую пару 614 для исключения их влияния на измерительные свойства. Затем графитовая вставка 64 с изготовленным градиентометром 61 устанавливается на каркас 63. Провод через отверстие 631 пропускается в верхнюю часть измерительного модуля к ампуле 66 СКВИДа 62 и соединяется с его входной катушкой. Таким способом формируется трансформатор потока, передающий измеренный приемными витками 611-613 градиентометра магнитный поток входного поля в СКВИД 62. Выходные сигналы через разъем 67 передаются на внешнюю электронику.
Измерительные модули 6 устанавливаются в отверстиях 53 пластины 511, которая в целом определяет конфигурацию сетки измерений системы СКВИД-магнитометра, и закрепляются в ней винтами посредством фланцев 64. Для придания жесткости всей конструкции на градиометры снизу надеваются две дополнительные пластины 512, 513, скрепленные штангами 52. Соответственным образом конфигурацию отверстий 53 пластин 511-513 должны повторять и лунки 17 на донной поверхности.
Стеклопластиковый криостат и элементы подвески могут быть изготовлены по известной технологии (RU 2312017 C2, Масленников и др., 10.12.2007). Особенности построения системы регистрации сигналов описаны в ст. Ю.В.Масленникова «Магнитокардиографические диагностические комплексы на основе СКВИДов серии «МАГ-СКАН», ж. «Радиотехника и электроника», 2011, том 56, №5, с.1-9.