Диссертация (1024691), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Он формировалкомандывключения/выключенияразличныхчастей«электронного»градиентометра для получения различных вариантов сложения выходныхсигналов, и команды управления аттенюаторами амплитуды каждого из трехвыходных сигналов магнитометров. Аттенюаторы были выполнены на баземикросхем 12-битных ЦАП и также управлялись последовательным кодом.Интерфейс между системой «электронного» градиентометра и компьютером былвыполнен аналогично описанному в п.3.3.4.Врезультатебыласозданасистема«электронного»градиентометра,позволяющая измерять градиентометрический магнитный сигнал от различныхисточников.СистемасостоялаизтрехканаловСКВИД-электроники,адаптированных для работы с ВТСП-СКВИД-магнитометрами в открытомпространстве, блока электронного градиентометра и цифрового блока управлениясистемой.
Три СКВИД-магнитометра располагались в специальном пластиковом138измерительном зонде. Вся система управлялась с помощью персональногокомпьютера. На данный СКВИД-магнитометр был оформлен патент РФ [127].На рисунке 3.20 изображена блок-схема созданной системы, основнымичастями которой являются:-три ВТСП СКВИД-магнитометра типа HTM-8 (1);-пластиковый измерительный зонд (2);-стеклопластиковый немагнитный криостат (3);-пенопластовая пробка для крепления измерительного зонда (4);-жидкий азот (5);-блок с тремя каналами модуляционной электроники (6), адаптированнойдля работы с ВТСП-СКВИД-магнитометрами типа HTM-8 (7);-соединительный кабель с разъемами типа SCSI (8);-соединительный кабель с разъемами типа DVI-29 (10);-блок управления магнитометрической системой (9), включающий блокэлектронного градиентометра, управляемый микроконтроллером типа AVR (11),электронный блок управления системой на базе микроконтроллера типа ARM7(12) и блок питания всей системы (13);ЗнаясобственныешумыкаждогоизтрехСКВИД-магнитометров,составляющих электронный градиентометр, можно оценить результирующийсобственный шум системы, воспользовавшись формулой:SV SVA SVB SVC 222(3.14)Так как уровень собственных шумов каждого из трех магнитометров составлялвеличину ~ 50 фТл/Гц1/2, т.е.
SV SV SV , то с учетом формулы (3.14)ABCрезультирующий собственный шум системы оказывается вдвое выше уровнясобственного шума каждого из СКВИД-магнитометров и составлял величину~100 фТл/Гц1/2.139Рисунок 3.20 – Блок-схема «электронного» градиентометра второго порядка наоснове трех ВТСП-СКВИД-магнитометров140На рисунке 3.21 представлен спектр шума выходного сигнала «электронного»градиентометра 2-го порядка, состоящего из трех ВТСП- СКВИД-магнитометровтипа HTM-8.
Спектр был зарегистрирован в тех же условиях, в которыхпроводились измерения с каждым СКВИД-магнитометром по отдельности.Сравнивая этот спектр шума со спектром шума одного СКВИД-магнитометра(рисунок 3.22) можно отметить, что результирующий шум градиентометра начастоте 10 Гц уменьшился более чем в 5 раз по сравнению с уровнем шума навыходе единичного СКВИД-магнитометра. На частотах выше 1 кГц уровень шумавырос в два раза - до уровня 100 фТл/Гц1/2.Учитывая то, что база созданного градиентометра 2-го порядка равнялась 5 см,предельнаяградиентометрическаячувствительностьсозданнойсистемысоставила величину ~ 4 фТл/см2Гц1/2.Рисунок 3.21 – Спектр шума на выходе «электронного» градиентометра второгопорядка на основе трех одинаковых ВТСП-СКВИД-магнитометров,зарегистрированный в условиях индустриального города141Рисунок 3.22 – Спектр шума на выходе единичного ВТСП-СКВИД-магнитометра,зарегистрированный в условиях индустриального города3.5 Выводы к Главе 3В ходе выполненных исследований и разработок получены следующиерезультаты:1.
Были выполнены оценки чувствительности по магнитному полю различныхконфигураций входных трансформаторов магнитного потока и различныхСКВИД-датчиков, используемых в измерительных зондах магнитометрическихСКВИД-систем для регистрации биомагнитных сигналов. Определено, чтоиспользованиеградиентометроввторогопорядка в качестве приемныхтрансформаторов магнитного потока с диаметрами приемных петель от 8 до 20мм обеспечивает уровни эквивалентной собственной чувствительности каналарегистрации МКГ- и МЭГ-сигналов в диапазоне от 3 до 8 фТл/Гц1/2.1422.
Были разработаны и созданы действующие макетные образцы электронныхблоков магнитометрических СКВИД-систем для проведения биомагнитныхисследований,исследованыамплитудныеичастотныехарактеристикиразработанной СКВИД-электроники.3. Выполнены исследования сигнальных и шумовых характеристик основныхэлементов биомагнитных СКВИД-систем, Измерения шумовых спектров исигнальных характеристик проводились с использованием низкочастотногоспектроанализатора и дополнительной системы задания тестового магнитногополя.
На основании полученных результатов сделан вывод о практическойвозможностидостижениятребуемыхзначенийэтиххарактеристикдлярегистрации магнитокардиограмм человека в неэкранированном пространстве.4.Былразработанисоздандействующийобразец«электронной»градиентометрической системы на основе трех высокочувствительных ВТСПСКВИД-магнитометров. Система продемонстрировала работоспособность бездополнительной магнитной экранировки в условиях индустриальных помехбольшого города с уровнем чувствительности около 4 фТл/см2Гц1/2. Проведенныеисследования показали, что для использования подобных систем в биомагнитныхизмерениях необходимо улучшить чувствительность системы примерно в два раза(до значений ~2 фТл/см2Гц1/2), а также улучшить временную стабильность ееработы.
Тем не менее, разработанная система на основе трех ВТСП-СКВИДмагнитометровужевнынешнемвидеможетбытьиспользованадлягеофизических исследований при работе в полевых условиях (в удалении открупных городов), и позволит получать информацию о вариациях магнитногополя Земли и его градиентов с высокой разрешающей способностью, существеннопревышающей характеристики традиционно используемых для этих целеймагнитометров.ТакжесозданнаяСКВИД-системаможетбытьуспешноприменена в геофизических исследованиях и магнитометрических приборах длянеразрушающего контроля материалов и механических конструкций.143ГЛАВА 4МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ СКВИДОВ ДЛЯМАГНИТОКАРДИОГРАФИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ4.1 Одноканальная СКВИД-система для магнитокардиографическихпримененийВданномразделеприведеноописаниепервойодноканальноймагнитометрической СКВИД-системы для работы в неэкранированных условиях,котораябыларазработанадляисследованиямагнитокардиосигналовсамплитудой 1 - 100 пТл в диапазоне частот от 0 до 500 Гц, регистрируемых вузлах регулярной сетки (6×6) с интервалом 40 мм между узлами.
Описаниеприведено достаточно подробно, поскольку эта система явилась базовой для всехпоследующих разработок и была максимально насыщена как с точки зренияэлектронных схем, так и конструктивных элементов измерительного зонда. Вразработках последних лет некоторые из этих элементов уже не применялись,либо по причине их ненадобности, либо по причине замены на еще болееэффективные элементы.Одноканальная магнитометрическая СКВИД-система (рисунок 4.1) состояла изследующих основных элементов:Малогабаритный стеклопластиковый немагнитный криостат;Измерительный зонд канала регистрации МКГ на основе СКВИДапостоянного тока с аксиальным градиентометром второго порядка;СКВИД-электроника канала регистрации МКГ;Блок управления магнитометрической системой;Система сбора и обработки МКГ-данных на основе платы 16-битныхАЦП/ЦАП MIO-16X производства фирмы National Instruments Inc.;Пакет программ для сбора и обработки и анализа данных MКГ;Подвижная кровать для пациента;144Комплект соединительных кабелей.а)б)Рисунок 4.1 – Примеры использования одноканальной СКВИД-системы дляобычной (а) и перинатальной магнитокардиографии (б)145Магнитометрическая система была специально разработана для использованияв клиниках и лабораториях без магнитного экранирования.
В дополнение длябалансировки градиентометров магнитометрической системы были разработаны иизготовлены катушки Гельмгольца.4.1.1 СКВИД-датчик для одноканальной МКГ-системы и его основныехарактеристикиСКВИД-датчик является ключевым элементом магнитометрической системы ив конечном итоге определяет требования ко всем ее остальным составляющим.На начальном этапе работы был выполнен объемный цикл исследований поопределению типов СКВИДов постоянного тока (ПТ-СКВИДов), наиболееподходящих для практических применений в биомагнитных магнитометрическихсистемах. При этом анализировались как их физические характеристики, так итехнологические возможности мелкосерийного изготовления для созданиямногоканальных вариантов СКВИД-магнитометров.Былиисследованысигнальные ишумовыехарактеристикиСКВИДовпостоянного тока в режиме релаксационных колебаний [128, 129], такназываемых «двойных» релаксационных СКВИДов [130, 131] и магнитометровразличного назначения на их основе [132-134].
Еще более детально былиисследованы характеристики традиционных ПТ-СКВИДов с шунтированнымитуннельными джозефсоновскими переходами. При этом для определениясобственного уровня шумов ПТ-СКВИДов была разработана схема магнитометра,в котором в качестве первого каскада усиления использовался дополнительныйСКВИД[135-140].Былопоказано,чтоэкспериментальныеобразцытонкопленочных ПТ-СКВИДов, изготовленные в ИРЭ им. В.А.Котельникова РАНи физическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова, имели уровни собственногошума по магнитному потоку порядка 1 мкФ0/Гц1/2, что позволяло использовать ихдля различных практических применений [141-144].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
