Диссертация (1024691), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Еслиисточник полезного сигнала находится достаточно близко от приемной катушки— на расстоянии, малом по сравнению с базой градиентометра, его магнитноеполе в области удаленной компенсирующей катушки будет пренебрежимо малопо сравнению с полем в области приемной катушки, так что градиентометр будетфактически измерять не градиент, а полное значение исследуемого поля.В тех случаях, когда поле помехи в области измерения сильно неоднородно, т.е.имеет значительные градиенты, можно скомпенсировать не только однороднуюсоставляющую помехи, но и ее градиент. Для этого конструкция градиентометраформируется таким образом, при котором приемная катушка имеет структуру,соответствующуюдвумодинаковым,соединеннымпоследовательноградиентометрам первого порядка с противоположными направлениями намоткивитков.
Расстояние между центрами градиентометров первого порядка являетсябазой полученного таким образом градиентометра второго порядка. Применяяданный подход, можно конструировать градиентометры и более высокихпорядков.Наиболеераспространенныесхемыосесимметричныхградиентометров, применяемые в биомагнитных измерениях, приведены нарисунке 3.2.Выбор типа приемных катушек трансформаторов магнитного потока во многомопределяется тем, какой биомагнитный сигнал предполагается зарегистрировать.Наиболее распространенной моделью в электрофизиологии живых организмовявляется модель токового диполя, который представляет собой упрощениесложной структуры ионных токов на клеточном уровне. С другой стороны,посколькумагнитометрическиесистемыхарактеризуютсявеличинойминимального детектируемого магнитного диполя, модель магнитного диполятакже применяется анализа для биомагнитных источников.
Белее того,91комбинированное использование обоих моделей на практике позволяет достичьболее качественного результата такого анализа.Рисунок 3.2 – Схемы приемных катушек, применяемых в трансформаторахмагнитного потока СКВИД-магнитометров для биомагнитных измерений; а магнитометр; б - аксиальный градиентометр первого порядка; в - планарныйградиентометр первого порядка; г - симметричный аксиальный градиентометрвторого порядка; д — асимметричный градиентометр второго порядка; е радиальный градиентометр первого порядка [106]Простейший вариант приемной катушки (а) – обычная петля радиуса аобеспечивает высокую чувствительность к Вz - компоненте магнитного поля,порождаемого как локальными, так и удаленными источниками, и применяется,как правило, при работе в условиях магнитной экранировки от полейокружающей среды, имеющих величину на 4 - 5 порядков больше, чем искомыесигналы.92Классический аксиальный градиентометр первого порядка (б), позволяет отсечьвкладшумовэлектромагнитногоокружения,создаваемогоисточниками,расположенными на расстояниях много больших, чем b, поле которых однороднои вычитается градиентометром, чувствительным к локальным источникам,порождающим поля со значимым градиентом Вz/z.
Такие градиентометрышироко применяются в биомагнитных СКВИД-системах, в частности, дляисследования магнитных полей мозга, проводимых в магнитоэкранированныхкомнатах.При работе в условиях неэкранированного помещения наиболее частоприменятся градиентометры второго порядка (г). Именно такая конструкцияприемной катушки позволяет исключить сигнал однородной помехи и ееградиента первого порядка, и, таким образом, обеспечить необходимый уровеньотношения «сигнал-шум» для исследуемых биомагнитных источников, вчастности, электрических источников в сердце человека.Поскольку отклик единичного приемного витка на сигнал магнитного диполяспадает, как 1/r3, то источник, который находится гораздо ближе к одной изкатушек градиентометра, чем к другим, будет связан с ней гораздо лучше, чем сболее удаленными. Источники, достаточно удаленные от приемных катушекградиентометра, будут связаны с ними примерно одинаково.
Таким образом, дляобъектов, которые находятся на расстояниях меньше, чем 0.3b, градиентометрпрактически выступает в качестве чистого магнитометра. При этом он более чемна 99% подавляет влияние объектов, находящихся на удалении более 300b(рисунок 3.3).3.1.2Характеристикипрактическихконструкцийградиентометровдлярегистрации биомагнитных сигналовПрактические конструкции измерительных зондов для магнитометрическойСКВИД-системы разрабатывались с учетом того обстоятельства, что измеренияпредполагалось проводить в лабораторных условиях без дополнительной93магнитной экранировки.
В такой ситуации необходимо было учитывать, чтоуровень внешних магнитных помех по абсолютному полю и его градиентупервогопорядкамагнитометрическоймногократнопревышаетСКВИД-системы,уровеньисобственныхиспользованиешумовприемныхтрансформаторов магнитного потока в форме градиентометров первого порядкане позволяет получить удовлетворительных значений отношения «сигнал-шум»при измерениях биомагнитных сигналов в неэкранированном пространстве.Поэтому для реализации практических вариантов измерительных зондов былисделаны оценки возможности использования в качестве приемных катушектрансформаторов магнитного потока аксиальных градиентометров второгопорядка, обладающих еще более высокими по сравнению с градиентометрамипервого порядка свойствами пространственной фильтрации магнитных сигналовот удаленных источников.Рисунок 3.3 – Минимальный детектируемый токовый диполь, как функциясмещения от оси симметрии 6-витковой катушки радиуса 1 см и расстояния z отее плоскости [106]94Известно, что использование градиентометров второго и более высокихпорядков приводит к частичной потере также и полезного сигнала, поэтому привыборе геометрических размеров приемных витков градиентометра необходимообеспечивать как сохранение предельного разрешения измерительного канала помагнитному полю, так и его пространственного разрешения.
В этом случаенеобходима оптимизация размеров витков трансформатора магнитного потока,так как увеличение их диаметра приводит с одной стороны к увеличениючувствительности по магнитному полю, а с другой стороны к ухудшениюпространственного разрешения источников сигнала. По литературным данным,для обеспечения пространственного разрешения 3-5 мм в биомагнитныхисследованиях используются градиентометры с размерами приемных витков от 5до 20 мм и величиной базы градиентометра от 30 до 60 мм.В ходе проектирования измерительных зондов магнитометрических СКВИДсистем была проведена теоретическая оценка эквивалентной чувствительностиканала регистрации биомагнитных сигналов для конфигурации аксиальныхсимметричных градиентометров второго порядка типа «1:2:1» (по одномуприемному витку по краям конструкции и двум виткам в средней ее части) сдиаметрами приемных петель 19,8 и 15,8 мм и величиной базы 55 мм, иаксиального симметричного градиентометра второго порядка типа «2:4:2» сдиаметром приемных петель 8 мм и величиной базы 35 мм.
Первые два типаградиентометров предполагалось использовать в магнитометрических системахдля регистрации сигналов сердца и мозга человека, а третий тип градиентометрабыл предназначен для исследования биомагнитных сигналов малых животных.Размер базы градиентометров для МКГ- и МЭГ-систем был выбран изпрактических соображений, что источники сигнала будут находиться нарасстояниях порядка 50-150 мм от приемных катушек.
Из рисунка 3.3 видно, чтопотеря примерно 50 % полезного сигнала происходит на расстоянии порядка трехбаз градиентометра. Если исходить из этого значения и реального расстояния доисследуемых источников (до 150 мм), то размер базы градиентометров порядка50-60 мм представлялся оптимальным.953.1.3ОценкиразрешающейспособностиСКВИД-системсградиентометрическими конструкциями приемных трансформаторов магнитногопотокаДля оценки чувствительности градиентометрических каналов использовалисьпаспортные характеристики интегральных СКВИД-датчиков моделей «CЕ2blue»и «CSblue» производства фирмы SUPRACON AG, Германия (рисунок 3.4).СКВИД-датчиквместессоединительнымиконтактамиразмещалсявсверхпроводящем экране из ниобия размерами D=10 мм и L=45 мм.
Ктерминалам его входной катушки при помощи механического контактаподключался приемный градиентометр второго порядка. Выходные контактыСКВИДа соединялись витой парой из медного провода через разъем со входомэлектроники, первым каскадом которой являлся согласующий трансформатор. Поотдельным проводам на СКВИД подавались ток смещения и модуляционныйсигнал на частоте 100 кГц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
