Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Под ред. Дж. Киршвинка. Том 1 (1989) (1095847), страница 33
Текст из файла (страница 33)
пронизывающего кольцо сканда (рис, 4,6), Амплитуда Высокоч$1стотного Напряжения на контуре также оказывается связанной с атой Г1$стаВЛЯЮЩСй МИГПИтНОГО ПОтОКВ ЗаВИСИМОСтЬЮ Р: соа(2 $1Ч$р ), (! 9) '"1о похоже на ситуацию в фсррозо$$довом магнвтомс$рс приборе КЬЪРО1по знакомом мкогим геоФкзикам. $ аким образом, регистрируя амплитуду высокочастотного иапряжс- 1"1!1 ка ко$$турс, связанном со сквидом, можно измерять магнитный !111!ох В кольце датчики, Прн реализа$$ик такой схемы измерений Пощн нне[лаего ноля ревел [$,Т[ве Внешнее пале равна нт«[о Тая, нЖЦ~ЦИРовдммна енеэн«м пале$« вн«Т«ъема Здс $ еыеа«ахас[е[хеа хехтщ3В щи Ееххх«к $ ее«««х амххехаха хаак«ге меннеге пала + Б аале хьщмочесто1«ов ! Тон в пехла сев«Ае яа вне[леем поле, 1~$$с, 43. Измерение поля с помощь[о сканда $.
3[[в$$еимосгь тоха в петле скн$$[$а от полл накачки В ори разных ураниях ннезнстатич[кхо[.о анен[него полл, Е. Времени["[с диаграммы физических про[$еоеон е схлнле. Сила[и[[[«о линии- анни[- [[ее поле Ранна нкл[о. пУнкгнйнь~ поток ливан[его иопл Ранен [$,2Ф«. возникают дае проблемы. Первая состоит н том, что часто в[ггрсчающуюся задачу наблюдения за сравнительно низкочасготнь$мн сигналами (обычно < 1 кГц) трулно решить.
обрабатывая такие сиг$$ал$.$ кепосредствс[гло, из-за сильного Влияния всевозможных дрейфов иа ннзкочасготиую злектро$[нку. Вторая проблема связана с иелииейностью зависимости выходного напряжения датчика от величины измеряемого потока. Это обстоятельство сильно затрудняет проведение точных измерений с большим динамическим диапазоном из-за гого, что чувствительность к патоку изменяется цсриоднчссхн, досги[-ал максимума прн /н $~ Ф =~-+ -~Фо, и=0, +1, ~2 4 ,'1ля ре[пепия парной проблемы вводят дополнительную иизкочасготиую мд;$уля$$н[о поток>$ н ко~[ь[$е сканда (обычно с ч~стотой около 50 кГ'ц) и измеряют амплитулу Ь' соотнс гстну[ощсй ~$астотной составляюц$ей [[[[[[ряжения иа контуре датч$$ка, Для значс$[нй магнитного ЛОтока, ма[поник Ф„, 1 „в первом приближении пропорциональна производной функции $' (Ф). $.с.
н соответствии с формулой (19) Е х е(л (2яФ/Фа) (21) $'лс;$овательио„Е также представляет собой периодическую функцию . -рлемого то Ф и может уж, р Й. 1:$ то жс вр мя поличн[$а Е „нвлннсь амплитудой сигнала сравнительно вь[сокой частоты, менее пОдвержена влкянкю тсмпературных и других Возмушс$$нй.
11[[ частоте дополнительной модуляции легко Осушествить также синхронное д[г[ектироваиие, которое может дщы[о унс$[нчкть Отно! и с и не си г н а л / $ н у м Вторая прОблема, СВязаннвя с нслиисйностью зависимости Вьеход ного напряжения сканда от магнитного потока Ф, может быть решена введением отрицательной обратной связи с использованием сканда в качестве нуль-детектора для удсржа$$ия магнитометра В рабочей Точке, соответствующей максимальной чувствитсль$[остн. Блок-схема подобного усгройсгиа приведена иа рис, 4.7.
$$ такой системе изменение ЛОТОКа В КОЛЬИЕ СКВНда Лринсднт к ВОЗНИКНОВСНИЮ В ПЕПИ ОбраТ$ЮЙ связи тока, который„протекая через катушку какнчки, компенсирует иызнавшее с[о изменение [[стока Чтобы увеличить динамический диапазон магнитометра, нужно несколько модифицировать цепь обратной связи, Часто нрслусматрк- ли[ОТ ряд диапаЗОНОВ ЧуаетВИТЕЛЬИОСтн, дЛя КОтОрЫХ ПОЛНая ШКВЛа ныходного индикатора соответствует потоку, рнвкому 1, 10 и !00 Ф„, В диапазоне 1Ф„чувствительность прибора определяется разрешением, с которь[м может бь[ть нзмерс$$ ток в цспк обратной связи, Эта чувствк- $С,[ЬНОСТЬ ОбЫЧНО ПрЕВОСХОднт ВЕЛИЧИиу !О 'Ф„, Кая г[рани~$О, В ЗЛЕКтронкуго схему прибора вводят устройство, которое производит про[[Сдуру уСТВНОВКИ На НУЛЬ ТОКВ В пег[к ОбраТИОЙ СВЯЗИ, КОГда ПОТОК :[ос[игает величины„максимальной для данного диапазона чунстви1сль[[остн, например 1, 10 илн 100 Фо.
В результате ка сквид подаетсл полный поток с измерительной катушки, достаточный для того, чтобы иилуцнровать в кольцс ток, больший критического, и вызвать про[$ик[[овеиие кванта потока в кольцо при росте потока. На начальном о[дне консгрунровакин сквид-магннтометров большое з$$ачсиие прн"$зек[лн стабильности описанной процсдурь$, и для сс Обеспечения схему усгтоювки на нуль делали относительно медленной (постоянная арса[с[[и порядка нескольких мн,[$.[[нсску[$д).
В кастолш[ее время благодаря 4 ! В Ъ Ъ " Хе»»гав' кой»'аяг Г»етяв сааваа ОцФзеа Пе»ля скв»сяа Оааааея ,ю / / с ! Паыеьсаья =»- ка сто»яа» У с' с нснс»льзсшани»с» схем установки на нуль с постоянной иремспн порядка микросекунд удалось значнгельно расп»нрить динамический днаназо»ь При этом производится подсчет числа актов достижения нуля, т.с. числа вошедших илн покинувших кольцо сканда квантов потока, На краю дйнамйческого диапазона прибора такой ~~дсчет идет с максимальной ВОЗМОжнОй скоростью, 2.5. Связывание внешнего поля СО сквилом О помошыо трансформа1'Ора ПОтока Размеры кольца сканда определяются следующими соотношениями между его индуктивностью Ь„, максимальным значением критического тока с.,„и рабочеи температурой.
Во-первых, выходной сигнал сканда зависит от амплитудной модуляции Ьс, критического тока магнит»»ым потоком в кольце, н оптимальные условия достигаются, когда с„.Ъ, Фо, (22) При этом Ьс, имеет тот же порядок величины. что и с, „,„. Во-вторых, энергия кВапта потока в кольце скВйда должна быть больше энергии тепловых флуктуаций. т, е, 4ф,(., 3~ й7, (23) где й-постоянная Больцмаиа (1,38 1О 'з Дж~К), Т-температура. При Т= 4 К условия (22) и (23) дают для критического тока значение порядка нескольких микроампер, а для индуктивностн Ь„-значения порядка 1О в Гн нлн меньше, Кольцо сканда с такой индуктнвностью имеет диаметр 1-2 мм, поэтому при проектй1ЗОвакни магкитометров ВОзникает задача Оптимизации связи кзме1»яемОгО магкнтногО НОля с датчиком дО Вольно мань»х размсрои, котору»о обычно реп»ают однйм из трех способов.
Оптнмаль»»у»о связь датчика с магнитным потоком, создаваемым образцом. обеспечивает первый способ (рис 4.9,Л), прк котором образец помещик»т нсносрсдстисгпю а кольцо схинлд. Праида, этс»т способ применим только длл исследований небольших образцов при температуре жидкого гелия, Второй способ (рис, 4,9,,5), когда образец помещают как можно ближе к сквиду и измеряют магнитный поток рассеяния„дает худшу»о связь магнитного потока от образца с датчиком К гому жс эта связь сильно зависит от положения Образца. Чаще всего используется третий способ (рис. 49,.8)-связь с помощью траксфо1эматора пОТОка, Широкое применение трщкформаторов потока Объяспястся главным образом нх универсальностью. Выбирая те нлн иные конструкции приемных катушек трансформатора, можно удовлетворить требованиям очень широкого круга экснсримснтов На рис. 4.Ю показана типичная конфигурация приемных катушек магнйтометра, образующих вместе с сл*ссо.
сс. Зссссассж г»лссс»".»ха 'ус!сссыцс с»»ос'а ':;, -»,'с, Е.. носов»ы»»веления измеряемого мас ни» ного ното»са а сивил. А Образец ца»ол»гссн внутри ое»а»и сканда, Б-образец наюлится со скяилом, В связь ..а писгвляекя через трн»ссформатор с»стока. <нгналькой катушкой трансформатор по~~на, оввз~нный со сквидом. Поскольку трансформатор потока прн работе прибора находится в сверх»»роиоднхцем оэстояннй„его функция заключается в передаче изменений потока в кольцо датчика," этим он Отличается от измерительной »сагу»нкй индукционного магннтометра, ЭДС которой процорцнональна »с1»оиз»»одной потока по времени (Ф).
»"рансформатор можно рассматривать также как малошумяший конце»ггратор попжа Полн н потоки в Рассматриваемом случае несложно рассчитать, учитывая, что фактически граксформатор потока представляет собой замк»»утую петлю из с»юрхпроводкика, гюток в которой постоянен„т.е. Ф»ЬФ, +И, +Ь )с'; (1, (24) Злое». с»с', число внтяон в приемной катушке!, АФ, -изменение магнита»йо»инока через катушку 1, А,, к 6а-к»»дукз»»в»к»сгн приемной н с»нпалыюй катушек.
(,. ток, индуцнруемый при йзмснеинк йогока в приемной катушке, Изменение ЬФ, потока в сквнде, обусловлен»»ос ПЗМСКСКИЕМ ЬФ, ПОТОКа В ПРИаМНОЙ КатУШКЕ, ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ фОРМУЛаМ ЬФ„= МУ», (25) ««$«.л«альт«давя" «кн$М-.иа, лин «,««««нрм. Ч. 11. Пр«««)ат«бх к «диет ьн к$$руя уравнение (26) по Ь, в предположскик постоянства й к прир;$$и$ивая нулю получа$оц$уюся произвол$$у$О, получим условие $иг$.имкзапин для трансформатора потока: 1., = 1., (2й « Снянд црк атом поток а кольце сканда булат равен (29) 2 Ь, а ма$ййтйые й$$дукпик соозвстствую$$$ия колей будут удовлст$$ор$$$ь с«ют$$О$пс$$и$о Снгнаяьняя яя'«т$нна пввемние наття$ня я $1сн$в$$Гт$$аанм Гель«$геа$нтз 1'"йс, Д, 1$), СКФмя яхолных 3 нч !си с«щ$«,1$-н«агн $$томет~м.
где М-Взаимок$$дукцйя кольц$$ сканда и сигнальной катушка 2, Используя соотношение (24), формулу (25) можно представить в виде ЛФ„= ~ММУХ,, + Е.ДЬФ,. (26) Здесь под 1.з подразумевается индуктивность си$йадьйой катушки в $юложс$$ки 1$$ ВАМ«т,е, кОгда зт«$ к«$тушка й«$коднтся в полОсти сканда. Икдуктйвйость той же катушкй, йакодяп$ейся В свободном простр«$йстве. ~„.,- несколько Отличается от Ья а именно Ь, = ~,, (1 — кз) "з, где й ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ СООТ$Юшсй Кем и = ць,ь„)$« . (27) Поскольку козффицнейт взаимоиндукции $$ обычно не превышает 0,6„то увеличение ийдуктив$$ОС*$'и си$йалькой к«$$'ушкк из за сВязи со складом СОставляст кс 6Олес 25% 3$$ачс$$ис $$$$«чуктйв$$остй Ь, можно выбр«ать так. чтобы пото~. персда$$аем$яй 1раисфорь$атором йа сквнд, был максймалей.
Дифферей- $ лс А, зффскткв$$ая плошадь кату$$$ки 1, т. е, произведение числа витков ка плоШадь ол$$О$-О айтка. А, пло$цадь сече$$ия сйг$$аль$$ой катушки. 11олс павляк в (29) к (30) типичные значения параметров тра$$сформатора поп$ка: 1., 10 ~ Г$$, е, =10 ' Гй ~од$$овйтковая (У = 1) $$рисм$$ая катушка диаметром 2 см'$, ь ж 0,б„полу«$км,Д,$1$0,0ЗДф к $$«Д ~~ ($$ри А /А ю 400). Таким образом передача $$рщд$$$$ в таком устройстве исЗффсктнвиа: прн йз$«$с3$с$$ии поток«$ В прасмной катушке $$а нса$$т пото~ в ко~$ы$с сквйда йзменится ка 0„03 квайта. 1$ то жс Время .иа.ча$$йаал $$ндук$ткл усиливается тра$$сформатором потока, и зто усилсцкс могло бы быть очс$$ь большим, если бы ис <ледуюшне $$робз$емы.
1$О-$$срвых, это проблема согласования ийдуктивностей приемкой и сигкальиой катушек 1усло$$кс (23Д„возйикаюшая прй увеличении плокьчди сечения (и, следователь$$о, индуктивности) приемной катушки; ао-аторь$к, проблема обесаече$$ИВ приемлемого козффициеита связи сигнальной кату$$$ки со сквидом прн увеличении индуктйв$п$сти сигнальной катушки. Дла решения первой проблемы между приемйой и сигйальцой катушками помешают сверхпроводящкй согласующий траисформатор, который заодно поь$О$ает уменьшить вьюокочастотиые помехи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
