Диссертация (1024691), страница 18

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

Текст из файла (страница 18)

В случае использования моновставки XYZмагнитометркрепился«сигнальным»отдельноСКВИД-датчикамотградиентометрическихподключалиськаналов.Ксверхпроводниковыетрансформаторы магнитного потока, изготовленные из тонкой ниобиевойпроволокиввидеаксиальныхградиентометроввторогопорядка,предназначенных для регистрации МКГ или МЭГ.Трехкомпонентный референтный СКВИД-магнитометр состоял из трехинтегральных планарных СКВИДов, расположенных на гранях кубика размерома=12 мм. Собственный шум каждого канала магнитометра составлял менее 0.1пТл/Гц1/2 в полосе частот до 10 кГц. Магнитометр был стабилен притермоциклировании и в подстройке параметров практически не нуждался.Референтный XYZ-магнитометр использовался для регистрации сигналоввнешних помех с целью их последующего вычитания из выходных сигналовградиентометрических каналов для улучшения отношения «сигнал-шум».

Связьзонда(зондов)сэлектроникойосуществляласьпосредствомкабеля,подключаемого к выходным разъемам зонда.Рисунок 3.6 – Фотография 12-канального измерительного зонда МКГкомплекса второго типа (моновставка), используемого в многоканальныхвариантах диагностических МКГ-комплексов серии «МАГ-СКАН»1033.2.2Экспериментальнаяпроверкафункциональностиихарактеристикизмерительных зондов магнитометрических СКВИД-системВеличину коэффициента преобразования входного магнитного поля вмагнитный поток в СКВИДе KB-Φ=BN/ΦN=А для различных конструкцийградиентометров можно оценить экспериментально. Для этого используютдополнительный источник неоднородного магнитного поля, величину индукциикоторого можно было бы легко рассчитать в точке измерения.

Одним ивозможных вариантов такого источника является простой магнитный диполь,выполненный в форме кругового проводящего витка, по которому пропущенпеременный электрический ток заданной величины.Для изменения входного магнитного поля ∆Bin, создаваемого диполем, ипреобразуемого в магнитный поток ∆Фin в СКВИДе, справедливо соотношение:Bin  K B   inПосколькумагнитометрическийканалработает(3.8)врежимезамкнутойотрицательной обратной связи, то справедливо соотношение: in   fb  Vout / KV (3.9)где KV-Φ - так называемый коэффициент обратной связи СКВИД-электроники,измеряемый, соответственно, в единицах В/Φ0 и равный амплитуде выходногонапряжения канала, создающего в цепи обратной связи электрический ток,соответствующий одному кванту магнитного потока в СКВИДе, а ∆Фfb –магнитный поток в СКВИДе, создаваемый током обратной связи.104Если иметь ввиду, что на входной трансформатор магнитного потока оттестового диполя подается переменный сигнал, то знаком в соотношении (3.9)можно пренебречь, и результирующее соотношение между приложенным ковходу магнитным полем и выходным напряжением магнитометрического каналавыглядит следующим образом:Bin  K B  Vout / KV (3.10)Магнитная индукция B на оси витка радиуса R с током I (тестового диполя) нарасстоянии r от его плоскости определяется соотношением: 0 2 I  R 2B4r3Еслипренебречьвеличинойпри r >> Rвзаимоиндуктивности(3.11)соседнихвитковградиентометра и неоднородностью поля по площади витков, результирующеемагнитное поле, действующее на градиентометр, можно представить в виде:Bin  B1  2B2  B3(3.12)где В1, В2, В3 - значения индукции магнитного поля, создаваемого тестовымдиполем в плоскости соответствующих витков градиентометра.Поскольку в соотношении (3.10) значение изменения магнитного поля в левойчасти уравнения можно достаточно точно оценить, зная характеристикидипольногоисточникасигнала,азначениявыходногонапряжениямагнитометрического канала и коэффициент обратной связи – измерить,оказывается возможным сделать экспериментальную оценку коэффициентапреобразования KB-Φ=BN/ΦN=А, и далее, используя для конкретного СКВИД-105датчикапаспортныеданныезначенияΦN,определитьэквивалентнуючувствительность магнитометрического канала BN с градиентометрическимвходным трансформатором потока.В экспериментальных исследованиях характеристик измерительных зондов вкачестве источника тестового магнитного поля использовался магнитный дипольв форме витка с током радиусом r = 2,5 мм, изготовленного из медного проводадиаметром 0.1 мм.

Виток размещался под криостатом с измерительным зондомтаким образом, чтобы его ось совпадала с осью градиентометра. Расстояние отдиполя до нижнего витка приемного градиентометра R выбиралось из условия R>> r, чтобы диполь можно было считать точечным, и составляло 10 - 15 см.Тестовый сигнал частотой 2-4 Герц подавался в виток диполя с выходанизкочастотного генератора через последовательно соединенное сопротивлениевеличиной Rтест = 10 кОм. Изменяя выходное напряжение генератора, можнобыло в широком диапазоне изменять ток в витке диполя.Далее в режиме разомкнутой обратной связи наблюдалась сигнальнаяхарактеристикаСКВИДа.Изменениемамплитудысигналагенератораустанавливалась такая величина тестового тока в диполь, чтобы на выходеСКВИД-электроники наблюдался выходной сигнал, соответствующий одномукванту магнитного потока в СКВИДе (рисунок 3.7). Значение тестового тока вдиполе, создавшего один квант магнитного потока в СКВИДе, определяли,разделив значение амплитуды выходного напряжения генератора Vген на величинусопротивления Rтест (10 кОм).

Точно зная расстояние от диполя до приемныхвитков градиентометра и используя соотношения (3.11, 3.12), находили оценочноезначение величины внешнего магнитного поля ∆Bin, изменяющее магнитныйпоток в СКВИДе на один квант Φ0, т.е. полуимперически определяли величинукоэффициента А. Сравнение полученных расчетных и экспериментальныхзначений коэффициента А показало, что для всех трех исследованныхконфигурацийградиентометроввторогопорядкасприемнымивиткамиразличного диаметра они отличались менее, чем на 20 %, что вполне объяснялосьсделанными допущениями и упрощениями при проведении вычислений.106Рисунок 3.7 – Вид выходного сигнала СКВИД-магнитометра на экранеосциллографа в режиме разомкнутой обратной связи, когда на его вход поданвнешний переменный сигнал амплитудой один квант магнитного потока Ф03.3 Электронные схемы магнитометров на основе СКВИДов3.3.1 Схемы преобразования сигнала СКВИД-датчика с замкнутой обратнойсвязьюСверхпроводниковый квантовый интерференционный датчик – СКВИД может рассматриваться, как преобразователь магнитного потока в выходноенапряжение с нелинейной периодической вольт-потоковой характеристикой.

Длятого, чтобы зависимость между приложенным ко входу магнитным потоком инапряжением выходного сигнала сделать линейной, необходимо, чтобы СКВИДработал в режиме замкнутой отрицательной обратной связи.Для реализации данного режима работы СКВИД-датчика используют дваварианта электронных схем. Наиболее распространенной является так называемаямодуляционная схема, когда с выхода дополнительного генератора на частоте 100-500кГцкСКВИДуприкладываетсяпеременныймагнитныйпотокпрямоугольной формы величиной Ф0/2 (где Ф0  2,07×10-15 Вб – квант магнитного107потока).

Переменное напряжение с выхода СКВИДа усиливается сначаласогласующим трансформатором, затем усилителем. Далее оно синхроннодетектируется, интегрируется, и в виде тока поступает на катушку обратнойсвязи, удерживая магнитный поток через СКВИД на постоянном уровне.Соответственно, падение напряжения на резисторе обратной связи будетпропорционально приложенному ко входу СКВИДа магнитному потоку вплоть доочень больших сигналов ФЕ>> Ф0.Вторым вариантом электроники для работы со СКВИД-датчиками является такназываемая безмодуляционная схема электроники, которая по принципу действияаналогична модуляционной, с тем отличием, что не содержит в своем составегенератора модуляционного сигнала, согласующего трансформатора междуСКВИДом и первым каскадом усиления, а также синхронного детектора.У обоих типов схемотехники есть свои преимущества и недостатки, сравнениекоторых проведено далее в плане их адаптации к биомагнитным примененияммагнитометрических СКВИД-систем.К преимуществам модуляционной схемы СКВИД-электроники следуетотнести следующие важные обстоятельства:- используя схему «модуляции-демодуляции» удается исключить из выходногосигнала собственный шум электронных схем на низких частотах;- применение дополнительного трансформатора на входе предварительногоусилителя электронной схемы магнитометра позволяет обеспечить согласованиеимпедансов низкоомного выхода СКВИДа и относительно высокоомного входапервого каскада усиления, что обеспечивает минимальный вклад шумовэлектроники в выходной сигнал магнитометра.Кнедостаткаммодуляционнойсхемотехникиможноотнеститообстоятельство, что полоса частот такого магнитометра ограничена значением,близким к половине от частоты модуляции, используемой в электронной схемемагнитометра, т.е.

величиной порядка 50-250 кГц для частот модуляции вдиапазоне 100 - 500 кГц.108Подобное ограничение полосы прибора приводит в свою очередь кограничению такого важного параметра магнитометра, как скорость слеженияцепи обратной связи. Этот параметр определяется как произведение амплитудывыходного сигнала, измеренного в квантах магнитного потока, на максимальнуючастоту, при которой происходит срыв слежения цепи обратной связи, иизмеряется в единицах Ф0/с. Этот параметр является важным для обеспеченияустойчивости работы СКВИД-магнитометра в условиях неэкранированногопространства при воздействии интенсивных внешних помех. Его значения вмодуляционной схемотехнике могут достигать величин порядка (3-5)×105 Ф0/с идальнейшее увеличение этого параметра связано с необходимостью увеличениячастоты модуляции, используемой в схеме.Известно, что критические токи Iс и нормальные сопротивления в резистивномсостояниипостоянногоджозефсоновскихRnтока,низкотемпературныхджозефсоновскимиимеютпереходов,низкочастотныеСКВИДовпереходамииспользуемыхэтисвфлуктуации.ВшунтированнымифлуктуациималыиСКВИДахслучаетуннельныминеоказываютсущественного влияния на низкочастотный шум СКВИДа [110].

Поэтому приработе со СКВИДами гелиевого уровня охлаждения традиционно используетсяобычный вариант модуляционной схемы электроники с постоянным токомсмещения СКВИДа. В случае высокотемпературных СКВИДов флуктуациикритического тока и нормального сопротивления являются доминирующимисточником дополнительного низкочастотного шума [111]. Для устранения этогодополнительногонизкочастотногошумаджозефсоновскихпереходовиспользуется модифицированная модуляционная схема, особенность которойсостоит в том, ток смещения СКВИДа также является переменным [112].Необходимость использования дополнительных цепей приводит к некоторомуусложнению схемотехнических решений, однако для ВТСП-СКВИДов другойальтернативы, к сожалению, пока не найдено.Основным преимуществам безмодуляционной схемы СКВИД-электроникиявляется то обстоятельство, что на ее основе можно реализовать магнитометр с109чрезвычайно широкой полосой пропускания регистрируемого сигнала. Влитературных источниках приводятся данные о создании коммерческих образцовмагнитометров с частотным диапазоном от нуля до двадцати мегаГерц [112-113].Такие магнитометры имеют значения скорости слежения цепи замкнутойобратной связи выше 1×106 Ф0/с и устойчиво работают без дополнительноймагнитной экранировки в условиях воздействия внешних электромагнитныхпомех.

Характеристики

Список файлов диссертации