Градиентометр на базе ВТСП СКВИДов для работы в неэкранированном пространстве (1102791)
Текст из файла
На правах рукописиБурмистров Евгений ВладимировичГрадиентометр на базе ВТСПСКВИДов для работы внеэкранированном пространствеСпециальность 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физикиАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2010Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы имикроэлектроники физического факультета Московского государственногоуниверситета имени М.В.
Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наукпрофессор Снигирев Олег ВасильевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукОвсянников Геннадий Александровичкандидат физико-математических наукВарлашкин Андрей ВалерьевичВедущая организация:Московский Педагогический ГосударственныйУниверситет (МПГУ), Факультет Физики иИнформационных Технологий, Кафедра общей иэкспериментальной физикиЗащита состоится 18 февраля 2010 г. в 16 час.
00 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинскиегоры, МГУ имени М.В. Ломоносова, физический факультет, аудиторияС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан2010 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66,кандидат физико-математических наукИ.Н.
КарташовОбщая характеристика работыАктуальность темыРис. 1: Диапазоны частот и амплитуды магнитных сигналов от различных органов человека.Большой интерес в современной науке и технике представляет использованиевысокотемпературных СКВИДов постоянного тока в высокочувствительныхмагнитометрических системах различного назначения, в частности, ихпрактическое применение в диагностических комплексах для исследованийбиомагнитных сигналов, генерируемых живыми организмами.
Выше наРис.1 представлены диапазоны частот и амплитуды магнитных сигналов,генерируемых различными органами человека [1]. Очевидно, что длядостоверной регистрации сигналов в указанном диапазоне частот и амплитуднаиболеепредпочтительнымпредставляетсяиспользованиевкачестведетекторов магнитного поля датчиков на базе низко- и высокотемпературныхСКВИДов. На настоящий момент в науке и технике уже можно наблюдатьуспешное использование магнитометров на базе НТСП СКВИДов. В медицине,например, это системы снятия магнитных энцефало- и кардиограмм человека[2] - [6], в геофизике - системы для измерения изменения магнитного поля Земли[7] - [10], в методах неразрушающего контроля качества материалов - системыдля поиска внутренних микродефектов в материалах [11] - [15].
Однако,ряд преимуществ по сравнению в этим могли бы иметь магнитометрическиесистемы на базе ВТСП СКВИДов. Во-первых, смена хладоагента с жидкогогелия на жидкий азот сильно снизило бы стоимость эксплуатации систем.Второе неоспоримое преимущество ВТСП СКВИД-магнитометров заключаетсяв гораздо большей мобильности измерительных систем по сравнению ссистемами на базе НТСП СКВИДов.Однако, существует ряд особенностей в построении высокочувствительныхмагнитометрическихсистемнабазевысокотемпературныхСКВИДовпостоянного тока.
Во-перых, использование высокотемпературных СКВИДовдля детектирования сигналов от биологических источников до недавнеговремени было несколько ограничено из-за их недостаточной чувствительностипо индукции магнитного поля. Предельная чувствительность стандартныхвысокотемпературных СКВИДов постоянного тока с автотрансформаторнойсистемой преобразования индукции магнитного поля в магнитный поток впетле СКВИДа находится на уровне 80 - 100 фТл/Гц1/2 . При измерениимагнитных полей, генерируемых в сердце или мозге человека, такойразрешающейспособностиоказываетсянедостаточнодляполучениядиагностически ценной информации о работе проводящей системы сердцаи мозга.
Поэтому практическое применение высокотемпературных СКВИДмагнитометров в медицине представлялось очень проблематичным, пока небыли изготовлены высокотемпературные СКВИД-датчики постоянного тока спредельной разрешающей способностью 15 фТл/Гц1/2 [16] (Исследовательскийцентр в г. Юлихе, Германия) вместо типичных 100 фТл/Гц1/2 [18], [19].Данная модель ВТСП-СКВИД-датчиков была доработана авторами [16] доуровня коммерческих образцов, пригодных для использования в реальныхизмерительных системах, и получила условное обозначение "HTM-8". Такиевысокотемпературные СКВИДы уже могут быть использованы в биомагнитных3измерениях, так как их разрешающая способность по индукции магнитногополя сравнима с разрешающей способностью низкотемпературных датчиков.Второй проблемой, которую необходимо преодолеть на пути практическогоприменения таких СКВИД-датчиков в неэкранированном пространстве,является то, что до настоящего времени на ВТСП-материалах не удаетсяреализовать конфигурацию приемных трансформаторов магнитного потокав форме градиометров второго порядка.
Возможными решениеми даннойзадачи является либо построения на базе трех ВТСП-СКВИД-магнитометровэлектронного градиентометра первого порядка с референтным СКВИДом [20],либо электронного градиентометра второго порядка [21].В свою очередь, использование магнитометров с высокой чувствительностьюпо индукции магнитного поля в условиях высокой плотности индустриальныхпомехтребуетмодуляционнуювнесениясущественныхСКВИД-электроникудляизмененийтого,вчтобыстандартнуюмагнитометрыс ВТСП-СКВИД-датчиками типа HTM-8 могли стабильно работать внеэкранированном пространстве.
Поэтому необходимо разработать новыйвариант модуляционной СКВИД-электроники, адаптированной для работыс такими высокочувствительными СКВИД-датчиками без дополнительноймагнитной экранировки.Цель работыЦелью данной работы были разработка и создание градиентометра набазе трех ВТСП СКВИДов для измерения слабых магнитных сигналовв неэкранированном пространстве. Так же ставилась задача исследованиясобственной чувствительности градиентометра.Задачи работыПри выполнении работы ставились следующие задачи.1. Адаптация модуляционной СКВИД-электроники для работы с ВТСПСКВИД-датчиком типа HTM-8 в открытом пространстве.2.
Создание измерительной вставки с тремя ВТСП СКВИД-датчиками вазотный криостат с прецизионной системой механической балансировки.3. Создание системы электронного градиентометра.44. Проведение измерения собственной чувствительности градиентометра.Измерение магнитного поля от дипольного источника магнитного сигнала.Научно-практическая ценность диссертацииПолученные в данной диссертации результаты крайне важны с точки зренияразвития технической базы экспериментальной физики, биологии и методовдиагностики в медицине.Научная ценность данных результатов состоит в демонстрации реальнойвозможности использования ВТСП СКВИДов в высокочувствительноймагнитометрии в неэкранированном пространстве.Практическая ценность результатов состоит, прежде всего, в том, чтоиспользование ВТСП СКВИДов в магнитометрии на порядок снижаетстоимость обслуживания магнитометра за счет использования более дешевогохладоагента - жидкого азота.
Кроме того, использование ВТСП СКВИДовс криокулерами гораздо легче, удобнее и дешевле в сравнении с НТСПСКВИДами. Так же можно с уверенностью сказать, что возможностьиспользования ВТСП материалов в магнитных измерениях сильно увеличиваетмобильность самих диагностических комплексов. Таким образом, открываетсяновая ниша крайне мобильных магнитометрических систем, которые могутбыть интересны не только в экспериментальной физике и медицине, но и вметодах неразрушающего контроля материалов.Апробация работыРезультаты работы докладывались на- международной конференции "Applied Superconductivity Conference (ASC2008)", Чикаго, Иллиноис, США, 2008;- международной конференции ”Micro- and nanoelectronics - 2009” (ICMNE2009), Звенигород, 2009;Результаты диссертации отражены в 6 публикациях, в том числе в двухстатьях в научных реферируемых журналах [A1],[A3] рекомендованных ВАК, атакже в 3 тезисах докладов конференций [A2],[A4],[A6].
По результатам работыполучен патент РФ [A7].Структура и объем работы5Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, заключенияи списка литературы. Объем диссертации 107 страниц, включая 44 рисунка.Список литературы состоит из 70 наименований.Содержание работыВо введении обоснована актуальность темы диссертации, поставлены целиработы, сформулированы задачи, а также перечислены основные результаты,представляемые на защиту. Кроме того, дано краткое описание содержанияглав.В обзоре литературы дан обзор теории, касающейся темы диссертации.В главе 1 описана работа СКВИД-магнитометров с модуляционнойСКВИД-электроникой. Подробно рассмотрены возникающие преимуществапри использовании ВТСП СКВИД-магнитометров нового типа по отношениюк стандартным ВТСП СКВИД-магнитометрам.
Основные характеристикииспользуемых в работе датчиков приведены с следующей таблице:ПараметрЗначениеРазмах сигнальной характеристики50 мкВ∂VSQU ID∂ΦВеличина ∂B∂Φ150 мкВ/Φ0Чувствительность по магнитному полю50 фТл/Гц1/2Собственный шум18 мкΦ0 /Гц1/2Эффективная площадь0.7 мм2Наклон2.8 нТ/Φ0Коэффициент связи катушки обратной связи 2.5 мкА/Φ0В разделе 1.1 рассмотрен принцип работы модуляционной СКВИДэлектроники. Несмотря на то, что модуляционная схема СКВИД-электроникибыла впервые предложена в 1976 г. [22], она до сих пор остается болеешироко используемой, чем появившаяся позднее схема с прямым усилением[23]. Основным преимуществом модуляционной схемы является возможностьприменения согласующего трансформатора перед первым каскадом усиленияв электронике, что полезно по двум причинам (см.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
