Диссертация (1024691), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Вместе с модуляционным сигналом на СКВИДподавался и сигнал отрицательной обратной связи.Показатель качества магнитометрического канала на основе СКВИДа с точкизрения оценки его чувствительности по индукции магнитного поля определяетсядвумя параметрами: уровнем собственного шума используемого СКВИД-датчикапо магнитному потоку ΦN = √SΦ, выраже нного в единицах Φ0/Гц1/2 (где SΦ –спектральная плотность шумового магнитного потока, а Φ 0≈2,03×10-15 Вб, квант магнитного потока), и значением коэффициента преобразования индукциивходного магнитного поля в магнитный поток в СКВИДе KB-Φ=∂Bin/∂ΦЕ,измеренного в единицах нТл/Φ0. Произведение этих величин фактическиопределяет значение минимальной магнитной индукции, которое способензарегистрировать данный магнитометрический канал на своем входе, т.е.значение его чувствительности по индукции магнитного поля ВN в единицахТл/Гц1/2.96Для упрощения оценок значение взаимоиндуктивности входной катушкитрансформатора магнитного потока и СКВИДом Min принималось равным 1 (какправило, для современных планарных тонкопленочных СКВИД-датчиков Min >0,9).

В этом случае справедливо соотношение:BN  K B     NДлясравненияиоценкизначенийкоэффициентов(3.1)KB-Φразличныхградиентометров удобно их представить, как значение KB-Φ = А условногомагнитометра, у которого приемный виток трансформатора магнитного потокаимеет те же самые геометрические размеры, что и приемные виткиградиентометров, и значения полной индуктивности трансформаторов потокаусловного магнитометра и реальных градиентометров равны.Рисунок 3.4 – Фотография СКВИД-датчика СE2blue фирмы SUPRACON AG,Германия, размещаемого в ниобиевом сверхпроводниковом экране97Для теоретической оценки коэффициента А из (3.1) можно получить простоесоотношение:ABin  in ( Li  L p  Ltw )  ( I i  0 )0S 0R02(3.2)где Bin – изменение индукции магнитного поля в плоскости нижнего виткаградиентометра, Lp – суммарная индуктивность всех приемных витковтрансформатора магнитного потока, Li – индуктивность входной катушкиСКВИДа, Ltw – индуктивность витых пар между приемными витками.Если изменение тока Ii во входной катушке таково, что поток в контуреСКВИДа изменился ровно на один квант Ф0, то величина Ii/Ф0 = Kin(коэффициент преобразования тока во входной катушке СКВИДа в магнитныйпоток в его контуре).

Значения Li и Kin – обычно приводятся фирмойизготовителем в паспорте СКВИД-датчика, а величины Lp и Ltw можно оценить,исходя и конкретных геометрических размеров приемных витков трансформаторамагнитного потока.Ниже приведены оценки коэффициента преобразования А для градиентометравторого порядка, в дальнейшем использованного в каналах регистрациимагнитокардиосигналов МКГ-комплексов серии «МАГ-СКАН». При расчетахбыли использованы характеристики СКВИД-датчика модели СE2blue, имевшегопаспортные значения входной индуктивности Li = 420 нГн, коэффициентапреобразования входного тока в магнитный поток в СКВИДе Kin=0,26 мкА/Ф0 изначения эквивалентного шумового потока ΦN ≈ 4 мкФ0/Гц1/2.

Для изготовленияградиентометров второго порядка с конфигурацией приемных витков «1:2:1»использовался провод Nb-Ti радиусом r0 = 0.025 мм, радиусы приемных витковR0 составляли 9,9 мм, база градиентометра равнялась 55 мм, и длина витой парыдо СКВИД-датчика составляла две величины базы (110 мм). Величинаиндуктивности каждого из приемных витков аксиального градиентометраопределяется соотношением [107]:98L1  0 R0 (ln8R0 7 )r04(3.3)Для выбранных геометрических размеров приемных витков и диаметраниобиевого провода индуктивность одного витка составила величину порядкаL1=78 нГн. Индуктивность двух средних витков градиентометра можноопределить, как:L2  2 L1  2 M12M 12  M 21 0R0 F ( )4(3.4)иx2R0 ,(3.5)где x – расстояние между витками градиентометра, а F(ξ) – табличная функция[107].Учитывая, что М12 = М21, а расстояние x между витками градиентометраравнялось 0,5 мм, при заданных геометрических параметрах удвоенная величинавзаимоиндуктивности средних витков составляет около 78 нГн.

Таким образом,полнаяиндуктивностьчетырехвитковградиентометрасучетомвзаимоиндуктивности двух средних равна Lp ≈ 390 нГн. Индуктивность участковвитых пар можно оценить, используя следующее соотношение [108]:Ltw  0,5  l(3.6)где длина l измерена в миллиметрах, а индуктивность Ltw – в наноГенри.При общей длине витой пары около 220 мм получаем значение индуктивностиLtw≈ 110 нГн и далее полное значение индуктивности трансформатора потока Lp +Ltw ≈ 500 нГн. Суммарное значение индуктивности трансформатора потока ивходной катушки СКВИДа (Li ≈ 420 нГн) в этом случае составит Li +Lp+ Ltw ≈ 920нГн.99Используясоотношение(3.2),получимрасчетнуюоценкудлякоэффициента А:A( Li  L p  Ltw )  ( I i  0 )R02(3.7)920 10 9 Гн  0,26 10 6 А  0 0,78 нТл  03,14  9,9 2 10 6 м 2(для СКВИД-датчика CE2blue Li =420 нГн, Kin = 0,26 мкА/Ф0)Собственный уровень шума СКВИДа по магнитному потоку на частотах выше0.5 Гц не превышал величины 4 мкФ0/Гц1/2.

Используя соотношение (3.1)получаем, что это соответствует уровню собственного шума градиентометра помагнитному полю, приведенному ко входу, эквивалентному 3,1 фТл/Гц1/2 длядиаметра приемных витков, равного 19,8 мм.Аналогичныйрасчет,проведенныйдляаксиальногосимметричногоградиентометра второго порядка типа «2:4:2» с диаметром приемных витков 8 мми величиной базы 35 мм дает значение коэффициента преобразования входногомагнитного поля в магнитный поток в СКВИДе А ≈ 1,98 нТл/Ф0, что приразрешении СКВИД-датчика «CSblue» по магнитному потоку порядка 4мкФ0/Гц1/2соответствуетэквивалентномууровнюсобственногошумаградиентометра, приведенного ко входу, около 8 фТл/ Гц1/2.Как уже отмечалось выше, при регистрации биомагнитных сигналов безиспользованиямагнитоэкранированнойкамерынеобходимоприменятьпространственную фильтрацию внешних магнитных помех, и для этого вмагнитометрических системах в качестве приемных трансформаторов потокаобычно используют градиентометры второго и более высокого порядка.

При этомкачество подавления внешних помех определяется степенью собственногобалансаиспользуемогоградиентометра.Удовлетворительныйуровеньподавления помех может быть достигнут, например, посредством использованиятонкой механической балансировки градиентометра в однородном магнитномполе, при этом алгебраическая сумма площадей его витков (с учетом знаканаправления протекающего в витке тока) должна составлять величину порядка1000.01% площади приемного витка. Но для многоканальных систем тонкаямеханическаябалансировкадостаточносложна,притранспортировкеитермоциклировании измерительных зондов она заметно ухудшается. Поэтому дляпрактических систем более предпочтительной представляется т.н.

электроннаябалансировка градиентометров c использованием дополнительного референтногоXYZ-магнитометра. Принцип ее действия будет описан ниже.3.2 Практические конструкции измерительных зондов для биомагнитныхСКВИД-систем3.2.1 Конструкции измерительных зондов для магнитокардиографических имагнитоэнцефалографических СКВИД-системДлямагнитометрическихСКВИД-систем,используемыхвмагнитокардиографии и магнитоэнцефалографии, было разработано два типаизмерительных зондов с градиентометрами второго порядка.

Каждый из зондовпервого типа содержал только один СКВИД-датчик с градиентометрическимтрансформатором магнитного потока, смонтированным на индивидуальнойцилиндрической вставке из стеклопластиковых трубок диаметром 20 мм [109].Приемные витки аксиальных градиентометров второго порядка изготавливалисьиз сверхпроводящего провода Nb-Ti (ниобий-титан) на графитовых основаниях.Выбор графита в качестве материала оснований был обусловлен его физическимисвойствами, в частности, простотой его механической обработки и величинойкоэффициента теплового линейного расширения, равного 4,5×10 -6 К-1, которыйдостаточно близок к коэффициенту теплового линейного расширения ниобия,равного 7,2×10-6 К-1.

Основания представляли собой трубки из графита ГФ-1 столщиной стенки 2 мм трех различных внешних диаметров – 20, 16, и 8 мм, идлиной 120 и 80 мм соответственно. Для укладки витков трансформатора потокана внешней поверхности трубок нарезалась резьба с шагом 0.5 мм для диаметров20 и 16 мм, и шагом 0,35 мм для диаметра 8 мм.101В многоканальных системах каждый из зондов индивидуально погружался вкриостат до дна и фиксировался на верхнем фланце криостата в соответствии свыбранной сеткой измерений. Один из разработанных вариантов такихизмерительных зондов представлен на рисунке 3.5. При этом референтный XYZмагнитометр монтировался в одном из измерительных зондов в пространствемежду градиентометром и СКВИД-датчиком «сигнального» канала. Схема сраздельными зондами использовалась на начальных стадиях исследований, когданадежностьСКВИД-датчиковбыланеоченьвысока,исуществовалаопределенная вероятность выхода их из строя.

В таком случае схема обеспечивалавозможность отеплить только тот зонд, в котором требовалась замена СКВИДдатчика. При этом остальные зонды системы оставались в рабочем состоянии и ненуждались в отеплении.Рисунок 3.5 – Фотография измерительного зонда МКГ-комплекса с однимканалом регистрации биомагнитного сигнала: трансформатор входногомагнитного потока в форме аксиального градиентометра второго порядка – 1;СКВИД-датчик – 2; выходной разъем – 3По мере совершенствования технологии изготовления СКВИДов и повышенияих надежности появилась возможность размещать все градиентометры соСКВИДами на одной вставке (зонды второго типа), что улучшило качество ихэлектроннойбалансировкиводнородноммагнитномполе,посколькувзаиморасположение градиентометров друг относительно друга в пространствеоказывалось строго фиксировано.102Зонд второго типа (рисунок 3.6) представлял собой единую моновставку, накоторой в соответствии с сеткой измерений крепились все используемые СКВИДдатчики и градиентометры.

Характеристики

Список файлов диссертации