Диссертация (1024691), страница 24

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

Текст из файла (страница 24)

Поскольку технология146изготовления традиционных ПТ-СКВИДов оказалась более доступной, арезультатытребуемыххарактеристикшунтированныхджозефсоновскихпереходов – более воспроизводимыми, такие ПТ-СКВИДы и были выбраны длядальнейшего использования в биомагнитных магнитометрических системах.Необходимо отметить, что в первых версиях МКГ-систем использовалисьСКВИД-датчики так называемого гибридного типа.

В таких СКВИД-датчикахинтерферометр с джозефсоновскими переходами изготавливался методамитонкопленочной технологии, а входная катушка представляла собой плоскуюспираль, содержащую 20-30 витков из изолированного ниобиевого провода,которую размещали поверх контура интерферометра СКВИДа. Катушка обратнойсвязи в подобных СКВИД-датчиках была также внешняя и представляла собойодин виток диаметром 2 мм из медного провода сечением 0.1 мм.

Обычно онаразмещалась под чипом со СКВИДом. Основной проблемой гибридных СКВИДдатчиков являлось обеспечение приемлемого коэффициента связи входнойкатушки и интерферометра СКВИДа для уменьшения потери полезного сигнала.Для решения данной проблемы была использована одна из модификаций(рисунок 4.2.) конструкции интерферометра СКВИДа, предложенной в 1981 годувработах[145,146].ИнтерферометрСКВИДаимелквадратныйсверхпроводниковый концентратор внешним размером D = 2,4 мм с центральнымквадратнымотверстиемразмеромd=0,07мм.Двашунтированныхджозефсоновских перехода размещались на внутреннем контуре концентратора, аверхний электрод тонкопленочной структуры проходил в прорези контураинтерферометра.Чипы с такими ПТ-СКВИДами изготавливались в лаборатории № 235 ИРЭ им.В.А.КотельниковаРАНметодамитонкопленочнойтехнологиисверхпроводниковой электроники.

В СКВИДах использовали туннельныеджозефсоновские переходы Nb/Al2O3/Nb размером 3×3 мкм с величинойкритическоготока15-25мкА.Дляихшунтированияприменялисьтонкопленочные резисторы из молибдена (Мо) или титана (Ti) сопротивлением 24 Ома. Полученные СКВИДы имели значения собственной индуктивности около147120 пГн и размах сигнальной характеристики порядка 20-30 мкВ. Уровень ихсобственного шума по магнитному потоку составлял величину менее 3.0мк0/Гц1/2.

Такие параметры СКВИДов обеспечивали возможность создания наих основе высокочувствительных магнитометров для биомагнитных применений.Рисунок 4.2 – Схема СКВИДа, использованного в ранних версиях СКВИДдатчиков для МКГ- и МЭГ-системКаждую накладную входную катушку для СКВИД-датчика наматываливручную используя специальное приспособление, основными элементамикоторого являлись тонкая ось диаметром 0,35 мм из жесткой инструментальнойстали и вращающийся механизм, позволявший одновременно наматывать обаконца ниобиевого провода навстречу друг другу с определенным натяжением.Спираль из ниобиевого провода наматывали в зазоре между фторопластовымипластинками, одетыми на ось приспособления и фиксируемыми за счет силытрения.

Зазор между пластинками составлял примерно 0,1 мм и фактически148определял толщину получаемой спиральной входной катушки. При намоткепровода в зазор между пластиками добавляли каплю жидкого клея БФ-4. Посленамотки необходимого числа витков, время которой не превышало одной минуты,структуру просушивали, а затем вместе с фторопластовыми пластиками снималис оси намоточного устройства. Далее пластинки разъединяли с помощьюскальпеля или лезвия бритвы, и изымали готовую входную катушку.Чип со СКВИДом приклеивали с помощью маленькой капли клея БФ-6 наспециальную стеклотекстолитовую подложку с предварительно вклеенным в неевитком катушки обратной связи. Входную катушку закрепляли поверх чипа соСКВИДом с помощью трех-четырех оборотов эластичной синтетической нитивокруг всей подложки с небольшой степенью подвижности.

Взаиморасположениецентрального отверстия в СКВИДе и отверстия в спирали входной катушкиконтролировали и юстировали под микроскопом, после чего нить окончательнозатягивали и заклеивали на обратной стороне стеклотекстолитовой подложки.Для создания сверхпроводникового соединения градиентометра и входнойкатушки в эту подложку вклеивали терминалы, которые представляли собой двеламели из ниобиевой фольги толщиной 0,5 мм и размером 2×5 мм каждая. Ониимели по два сквозных резьбовых отверстия с резьбой М1 и предназначались длямеханической фиксации концов градиентометра и входной катушки.

Прижимзачищенных концов градиентометра и входной катушки к вклеенным ламелямосуществляли с помощью четырех винтов М1 двумя аналогичными подвижнымиламелями из ниобиевой фольги, диаметр отверстия которых составлял 1 мм безрезьбы.СВКИД самостоятельно работал, как высокочувствительный магнитометр,поскольку интерферометр СКВИДа представлял собой обычный замкнутыйсверхпроводниковыйвиток.Экспериментальноизмеренныйуровеньегособственного разрешения по магнитному полю был лучше, чем 100 фТл/Гц 1/2. Дляего защиты от внешних магнитных помех была применена конструкция,состоявшая из двух цилиндрических сверхпроводниковых экранов. Первый экранменьшего диаметра закрывал область подложки, где размещался чип со149СКВИДом и входной катушкой. Второй экран закрывал область размещенияламелей, где фиксировались концы градиентометра и входной катушки. Торцыэкранов датчика также были закрыты деталями из ниобия, и имели лишьнебольшие отверстия диаметром 0,5 мм, чтобы пропустить сквозь них конецвитой пары градиентометра с одной стороны, и провода с выхода СКВИДа икатушки обратной связи с другой.Дляопределенияконфигурацииспиралей,имеющихмаксимальныйкоэффициент связи с интерферометром СКВИД, была проведена серияэкспериментов.

Для этого было изготовлено несколько экземпляров десятковспиральных входных катушек с числом витков 10, 20 и 30. Предварительно длякаждой из катушек измеряли индуктивность при температуре жидкого гелия.Затем спиральные катушки монтировали на чипе со СКВИДом, как это былоописано выше.Далее вместо градиентометра к входным терминалам СВКИД-датчика черездва сопротивления по 100 кОм подключали витую пару из медного провода, покоторой во входную катушку СКВИДа с низкочастотного генератора подавалитестовый сигнал на частоте 8-10 Гц.

СКВИД-датчик с подключенной цепьютестового сигнала крепили на специальном зонде для исследования характеристикСКВИДов, и охлаждали до рабочей температуры. К зонду подключалиэлектронику магнитометра и в режиме разомкнутой обратной связи наосциллографе наблюдали сигнальную характеристику СКВИДа.Изменяявыходное напряжение генератора, во входную катушку подавали тестовыйсигнал, соответствующий одному кванту магнитного потока в СКВИДе.

(см.рисунок 3.7 Главы 3).Измерив напряжение на выходе генератора и разделив его на величинусопротивления цепи (200 кОм), определяли один из основных параметровСКВИД-датчика -- коэффициент преобразования КА-Ф входного тока в магнитныйпоток в СКВИДе, т.е. величину тока во входной катушке, создающего один квантмагнитного потока в СКВИДе. Задача исследования состояла в том, чтобыустановить, для какой конфигурации спиральной входной катушки значение этого150коэффициента минимально, т.е. взаимоиндуктивность Мi = 1/КА-Ф входнойкатушки и интерферометра СКВИД максимальна.В ходе исследований экспериментально было установлено, что наилучшийрезультат по величине коэффициента КА-Ф имели спиральные входные катушки с20 витками, диаметром внутреннего отверстия d = 0,35 мм и диаметром внешнегоконтура D = 2 мм.

При величине их индуктивности Li ≈ 0,8 мкГн, значениякоэффициента КА-Ф составляли ~ 0,8 мкА/Ф0. Величина взаимоиндуктивностимежду входной катушкой и СКВИДом для данного типа разработанногогибридного датчика имела значение Мi ~ 2,5 нГн, что сравнимо, например, саналогичным значением Мi = 2,6 нГн у полностью интегрального СКВИД-датчикамодели CCblue фирмы SUPRACON AG (Германия), в котором спиральнаявходная катушка выполнена методами тонкопленочной технологии поверхинтерферометра СКВИДа.Таким образом достигнутые значения основных характеристик СКВИДдатчиков позволили успешно использовать их в измерительных зондах первыхбиомагнитных СКВИД-систем.СКВИД-датчик канала регистрации магнитокардиосигналов в одноканальнойМКГ-системе был выполнен в виде капсулы с двойным сверхпроводящимэкраном из трубок ниобия с наружным диаметром 10 мм и 6 мм, содержащейвнутри СКВИД постоянного тока и входную катушку трансформатора потока(рисунок 4.3).

Он имел следующие характеристики:собственная индуктивность СКВИДа L120 пГнкритический ток Ic~ 20 мкAнормальное сопротивление Rnразмах сигнальной характеристики V(e)~ 30 мкВсобственное разрешение δn~ 3.0 мк0/Гц1/2индуктивность входной катушки Li0.79 мкГнкоэффициент преобразования тока в магнитный поток КА-Ф 0.76 мкA/03 Ом151Рисунок 4.3 – Фотография внутренней части конструкции СКВИД-датчика дляодноканальной МКГ-системы (внешние сверхпроводниковые экраны сняты)4.1.2 Измерительный зонд одноканальной МКГ-системыИзмерительный зонд МКГ-системы (рисунок 4.4) был сконструирован наоснове стеклопластиковых трубок и содержал следующие основные элементы:Трансформатор магнитного потока в виде аксиального градиентометравторого порядка;СКВИД-датчик со СКВИДом постоянного тока и входной катушкой;сверхпроводниковыебалансирыдлямеханическойбалансировкиградиентометра;элементы согласования СКВИДа с предусилителем;верхнюю капку с балансировочными винтами, электрическим разъемом иштуцером для заливки гелия.152Рисунок 4.4 – Фотография измерительного зонда одноканальной МКГ-системыс механической балансировкой «сигнального» градиентометраГрадиентометр второго порядка был изготовлен из изолированного ниобиевогопровода диаметром 0.1 мм в конфигурации «2:4:2» (два нижних витка, четыресредних и два верхних) на графитовом основании диаметром 16 мм.

Диаметрприемных витков градиентометра составлял 15,8 мм, размер базы - 55 мм, аисходный небаланс не превышал 0,1. Концы градиентометра механическификсировались на ниобиевых ламелях СКВИД-датчика для подключения квходной катушке СКВИДа.Для работы без магнитной экранировки градиентометр имел средства длядополнительной механической балансировки в однородном магнитном полепосредствомсверхпроводниковыхбалансиров,которыеспомощьюдиэлектрических тяг и винтов на капке могли перемещаться в области приемныхпетель градиентометра. Использование механической балансировки позволялоуменьшить небаланс градиентометра до значений менее 0,01. Процедурабалансировки градиентометра была аналогична изложенной в главе 3 с тем153отличием, что минимизация тестового сигнала однородного магнитного поля,создаваемого катушками Гельмгольца в направлениях X, Y, и Z, выполнялась спомощью механического перемещения соответствующего сверхпроводниковогобалансира.Притестированииградиентометравтакойконфигурациибылиэкспериментально получены значения коэффициента преобразования входногомагнитного поля Ве в магнитный поток в СКВИДе Фsq на уровне 5-6 нТл/Ф0, чтопри уровне собственных шумов СКВИДов ФN ~ 3 мкФ0/Гц1/2 дает значениясобственной эквивалентной чувствительности градиентометра по входномумагнитному полю ВN ~ 15-18 фТл/Гц1/2.

Характеристики

Список файлов диссертации