Малогабаритный тонкопленочный градиентометр

Техническое решение относится к измерительной технике, а именно, предназначено для измерения градиентов слабых магнитных полей в широкой полосе частот.
Известна конструкция градиентометра [патент США №6339328, опубликован 01.15.2002, МПК G01R 33/02], состоящего, по крайней мере, из двух датчиков магнитного поля (магнитометров), подключенных к разностному блоку, при этом как минимум у двух магнитометров направления максимальной чувствительности ориентированы соосно. В качестве датчиков магнитного поля могут быть использованы СКВИД-магнитометры, датчики Холла, феррозондовые магнитометры или магниторезистивные магнитометры. В цифровом виде реализованы алгоритмы адаптивной балансировки выходных сигналов магнитометров. Для измерения трех компонентов градиента магнитного поля градиентометр может содержать восемь магнитометров и набор из трех пар общих ортогональных колец Гельмгольца, включенных в цепь обратной связи, по одной паре колец на каждое направление х, у, z. Градиентометр также может использоваться для измерения компонентов градиента магнитного поля второго и более высокого порядка.
Известна конструкция градиентометра, имеющего в составе дополнительный магнитометр, предназначенный для реализации схемы вычитания постоянной составляющей магнитного поля из других магнитометров [патент США №5122744, опубликован 16.06.1992, МПК G01R 33/035]. Такой градиентометр имеет, по крайней мере, три векторных (трехкомпонентных) СКВИД-магнитометра. Градиентометр дополнительно включает опорный магнитометр, сигнал которого предназначен для компенсации постоянной составляющей магнитного поля, осуществляемой цепями обратной связи с компенсационными катушками. Такие конструкции могут измерять и градиенты более высокого порядка.
Недостатком известных конструкций является отсутствие возможности обеспечить одновременно высокую чувствительность градиентометра и широкую полосу частот с помощью предлагаемых магнитных датчиков. Как известно, при использовании в качестве чувствительных элементов градиентометра высокочувствительных СКВИД-магнитометров или феррозондовых магнитометров возможно достижение высокой чувствительности устройства только в ограниченном диапазоне частот - как правило, верхняя граничная частота не более 10 кГц. Кроме того, известным недостатком СКВИД-магнитометров является необходимость их охлаждения до криогенных температур, что значительно затрудняет их практическое использование. Широкая полоса частот реализуется при использовании в качестве чувствительных элементов градиентометра датчиков Холла или магниторезистивных магнитометров, однако чувствительность таких устройств низкая.
Известна конструкция трехкомпонентного градиентометра, работающего при комнатной температуре [1]. Устройство содержит трехкомпонентные феррозондовые магнитометры, не требующие охлаждения до криогенных температур. В конструкции реализована цепь обратной связи с компенсационными катушками и дополнительным магнитометром, сигнал которого используется для вычитания постоянной составляющей магнитного поля. Описанный градиентометр взят за прототип заявленного технического решения.
Недостатком прототипа является его относительно низкая чувствительность, обусловленная высоким уровнем шумов используемых в его конструкции феррозондовых магнитометров. Кроме того, феррозондовые магнитометры имеют узкую полосу рабочих частот, как правило, верхняя граничная частота которых не более 10 кГц.
Заявляемое техническое решение устраняет отмеченные недостатки путем расширения полосы рабочих частот и повышения его чувствительности за счет использования высокочувствительных высокочастотных магнитных датчиков (магнитометров) на основе микрополоскового резонатора с тонкими магнитными пленками [2], также достоинствами данной конструкции являются низкая стоимость, высокая технологичность и малые габариты и масса.
Поставленная задача решается за счет того, что в заявляемом малогабаритном тонкопленочном градиентометре содержится разностный блок и два или более одно- двух- или трехкомпонентных магнитометра, разнесенных на некоторое расстояние в пространстве, направления максимальной чувствительности как минимум двух из них направлены соосно. В качестве магнитометров градиентометра используются датчики слабых магнитных полей на основе микрополоскового резонатора с тонкими магнитными пленками [2].
Конструкция устройства поясняется чертежом (фиг. 1). Тонкопленочный градиентометр содержит: основание (1); чувствительные элементы двух магнитометров - тонкие магнитные пленки (2), размещаемые в микрополосковых резонаторах на печатной плате (3); СВЧ-генераторы (4) сигналов накачки резонаторов; системы из постоянных магнитов (5), формирующие постоянные магнитные поля смещения; компенсационные схемы измерения, включающие компенсационные катушки (6); разностный блок градиентометра (7). Сигналы с выходов магнитометров поступают на разностный блок. Выходной сигнал разностного блока является выходным сигналом градиентометра.
Устройство работает следующим образом. Малогабаритный тонкопленочный градиентометр помещается в область с градиентом магнитного поля. Выходные сигналы магнитометров градиентометра поступают на разностный блок, который вычисляет значение разности напряженности магнитного поля, измеренного в точках размещения магнитометров. Так как магнитометры градиентометра размещены на некотором расстоянии в пространстве с различной величиной напряженности магнитного поля, на выходе разностного блока присутствует разностный сигнал. Отношение разностного сигнала к расстоянию между магнитометрами (базе градиентометра) является искомой величиной градиента магнитного поля. В случае, когда градиентометр помещается в область однородного магнитного поля, выходные сигналы магнитометров равны и взаимно компенсируются на разностном блоке, т.е. градиент магнитного поля отсутствует. Малогабаритный тонкопленочный градиентометр имеет высокую чувствительность и может измерять сигналы в широкой полосе частот, в соответствие с чувствительностью и полосой частот магнитометров на основе микрополоскового резонатора с тонкими магнитными пленками.
Список источников
1. Koch, R.Н. Room temperature three sensor magnetic field gradiometer / R.H. Koch, G.A. Keefe, G. Allen // Review of Scientific Instruments, - 1996. - Vol. 67. - №1. - P. 230-235.
2. Беляев Б.А., Бабицкий A.H., Лексиков А.А., Сержантов A.M. / Патент РФ №2536083, опубл. 20.12.2014, бюл. №35.