Диссертация (1024691), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Поскольку ко входам АЦП в этом случае ничего не подключалось,напряжение на выходе АЦП характеризовало уровень их собственных шумов приоткрытом входе. Типичный спектр шумового напряжения на выходе АЦП послевыполнения преобразования Фурье представлен на рисунке 3.15.С учетом того, что уровень белого шума окружающего пространства прирегистрации магнитокардиограмм человека в неэкранированном пространствесоставляет десятки микровольт в единичной полосе, собственный шум АЦПпорядка десятых долей микроВольт оказывается намного ниже этого уровня, и недает существенного вклада в выходной сигнал магнитометрической системы. Напрактике это означает, что использование выбранных 24-битных АЦП полностьюперекрывает динамический диапазон возможного изменения выходных сигналовСКВИД-магнитометров.
В результате применение таких АЦП позволилосущественно упростить электронные схемы блока управления, полностьюисключив из их состава дополнительные усилители выходных сигналов125магнитометров, использованные в более ранних версиях магнитометров с 16битными аналогово-цифровыми преобразователями выходных сигналов.Рисунок 3.15 – Низкочастотный шум АЦП ADS1251 фирмы Texas Instruments,использованных для сбора данных в разработанных биомагнитных системах3.4Балансировка«сигнальных»градиентометровводнородноммагнитном поле3.4.1 Балансировка градиентометров в биомагнитных системах гелиевогоуровня охлажденияВажнейшими шагами при подготовке магнитометрических СКВИД-систем кпрактическому использованию и улучшению их шумовых характеристикявляются этапы настройки рабочих режимов СКВИДов и балансировкиградиентометров.
Для проведения измерений в неэкранированном пространствесигнальные градиентометры должны иметь высокий уровень собственного126баланса. Балансировка по однородному магнитному полю может быть выполненамеханически или электронно, и обычно выполняется в системе колецГельмгольца, способных обеспечить однородность тестового магнитного поля науровне лучше 0.001% в объеме не менее 1 дм3. Настройка рабочих режимовСКВИД-датчиковвмагнитометрическихСКВИД-системахпроводитсясиспользованием стандартной процедуры, хорошо известной из литературы. Всвою очередь, процедура балансировки градиентометров менее известна, и ееописание целесообразно привести более подробно.Как было отмечено выше, для электронной балансировки сигнальныхградиентометрических каналов в созданных СКВИД-системах использовалсядополнительный трехкомпонентный XYZ-магнитометр на основе трех СКВИДов,размещенных на ортогональных гранях текстолитового кубика размером а = 12мм и имеющих значения коэффициента преобразования измеряемого магнитногополя в магнитный поток в СКВИДе в диапазоне 70-400 нТл/Ф0.На практике вначале производилась настройка рабочих режимов СКВИДовмагнитометрической системы, а затем - процедура балансировки сигнальныхградиентометров в однородном магнитном поле.
При этом использовался ряддополнительных приборов и инструментов, таких как осциллограф, генераторзвуковой частоты и усилитель мощности.Для достижения необходимого уровня балансировки градиентометров системакатушек Гельмгольца должна иметь возможность создания однородногомагнитного поля амплитудой порядка 10-5 Тесла в объеме порядка 1 дм3 по тремнаправлениям X, Y, Z. При этом степень его неоднородности в указанном объемедолжна находиться в пределах 0.001%. Возможно также использование системыкатушек, создающее тестовое магнитной поле только по двум направлениям Z и X(или Y).
Но в этом случае необходимо иметь специальный поворотный стол длявращения криостата с измерительными зондами в плоскости XY.СистемакатушекГельмгольца,удовлетворяющаяприведеннымвышетребованиям, была разработана и создана. Она состояла из трех катушек,создающих магнитное поле в вертикальном направлении и двух катушек,127создающих магнитное поле в горизонтальном направлении. Катушки былинамотаны изолированным медным проводом на каркас квадратной формы изалюминиевого профиля, соединенного диэлектрическими вставками в углах.Конструкция катушек Гельмгольца схематично представлена на рисунке 3.16 а,б.Катушки вертикального поля имели размер стороны квадрата, равный 200 см.Катушки горизонтального поля имели размер 210 см.a) вид спередиб) вид сверхуРисунок 3.16 a, б – Внешний вид системы катушек Гельмгольца,использованных для создания однородного магнитного поляВзаимное положение катушек регулировалось механически с помощью винтовс точностью порядка 1 мм. Коэффициент преобразования электрического тока вмагнитное поле составлял 68.3 мкTл/A для катушек вертикального поля и 77.7мкTл/A для горизонтального поля.Катушкисоздавалитестовоемагнитноеполесиспользованиемнизкочастотного генератора, выходной сигнал которого усиливался с помощьюспециальноразработанногоиизготовленногоусилителямощности.Максимальный выходной ток усилителя в нагрузке с сопротивлением 36 Ом(импеданс катушек) составлял 1.5 A.128Для балансировки градиентометров криостат с измерительным зондом(зондами) размещался внутри катушек Гельмгольца таким образом, чтобыприемные витки аксиальных градиентометров второго порядка находились вобласти с максимально однородным магнитным полем, и чтобы оси симметрииградиентометров совпадали с осью Z системы катушек.Внешние сигналы и шумы измерялись с помощью референтного XYZмагнитометра на основе трех СКВИДов, расположенных в трех взаимноортогональныхплоскостях.Выходныесигналыградиентометрическихиреферентных каналов подавались на так называемую схему электронногоподавления помех.
В этой схеме алгебраическая сумма сигналов референтныхканалов вычиталась из сигналов градиентометров. Амплитуды референтныхсигналов XYZ-магнитометра регулировались с использованием масштабирующихусилителей, перестраиваемых с использованием 12-битного цифрового кода.Такаянастройкапроводиласьоднократновпроцессебалансировкиградиентометрических каналов, и далее во время проведения практическихизмерений рабочие параметры магнитометрической системы больше не менялись.В процессе балансировки градиентометрических каналов СКВИД-системывыполнялись следующие операции:- включалась электроника магнитометрической системы и проводиласьнастройка всех СКВИД-датчиков с использованием стандартной процедуры;- выход генератора звуковой частоты подключался к входу усилителямощности, выход которого в свою очередь подключался к катушкам, создающиммагнитное поле в направлении Z;- с выхода генератора гармонический сигнал на частоте 2 Герца и амплитудойпорядка 100 мВ подавался на усилитель мощности, и в катушках создавалосьтестовое магнитное поле.
Измерительные каналы магнитометрической системыпереключались в режим замкнутой обратной связи (режим «Работа»);-затемспомощьюаттенюатораамплитудасигналагенератора,и,следовательно, тестового магнитного поля увеличивалась до момента, когдавыходной сигнал магнитометров достигал величины порядка одного Вольта;129-спомощьюпотенциометра«Z»,которыйрегулируетамплитудуподмешиваемого сигнала с референтного магнитометра «Z», минимизироваласьамплитуда выходного сигнала градиентометрического канала, наблюдаемого наэкране осциллографа;- затем тестовый сигнал переключался на катушки магнитного поля внаправлении X (Y), и с помощью потенциометров X (Y) минимизироваласьамплитудавыходногосоответствующемусигналанаправлениюградиентометрическогоподмешиваниемканаласигналовпореферентныхмагнитометров X (Y);- данная процедура балансировки повторялась не менее трех раз по всем тремкоординатам. В результате выходной сигнал градиентометрических каналов начастоте тестового сигнала уменьшался до величины 1 - 2 мкВ, что определялосьстепеньюнеоднородностимагнитногополя,создаваемогокатушкамиГельмгольца.После завершения процедуры балансировки всех градиентометрическихканалов параметры настроек коэффициентов смешения сигналов по направлениямX, Y, Z сохранялись в специальный конфигурационный файл 9mcg.cfg, которыйможно было загружать в случае какого-либо сбоя в работе системы электронногоподавления помех.Необходимо отметить то обстоятельство, что балансировка градиентометровдолжна проводиться в условиях, когда рядом со СКВИД-системой нет источниковсильныхмагнитныхполей(таких,какмассивныежелезосодержащиеконструкции, электромагниты, моторы и т.д.) Это же условие желательнособлюдать и при практическом использовании магнитометрических систем наоснове СКВИДов, поскольку СКВИДы могут захватывать внешний магнитныйпоток.ЗахватмагнитногопотокаСКВИДомприводиткуменьшениюкритического тока джозефсоновских переходов и, как результат, ухудшениюшумовых характеристик магнитометрической системы.
Если захват внешнегомагнитного потока каким-либо из каналов все же произошел, необходимовоспользоваться нагревателем, который, как правило, имеется в современных130СКВИД-датчиках. Для этого нужно вывести ток смещения СКВИДа в ноль,коротким включением нагревателя на 1-5 секунд перевести СКВИД в резистивноесостояние, и затем, отключив нагреватель, вновь вернуть его в сверхпроводящеесостояние. После этого повторить настройку СКВИДа и убедиться, чтокритический ток СКВИДа восстановился до первоначального значения.3.4.2 «Электронные» градиентометры на базе магнитометрических СКВИДсистемОсновной проблемой при создании градиентометрических конструкций вмагнитометрическихсистемахнаосновеВТСП-СКВИДовявляетсятообстоятельство, что до настоящего времени на ВТСП-материалах не удаетсяреализовать конфигурацию приемных трансформаторов потока в формеаксиальных градиометров второго порядка, как это сделано в системах гелиевогоуровня охлаждения с использованием провода из ниобия (или сплава ниобийтитан).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
