Градиентометр на базе ВТСП СКВИДов для работы в неэкранированном пространстве (1102791), страница 2
Текст из файла (страница 2)
рис. 2). Во-первых,это увеличивает выходной импеданс СКВИДа в k 2 раз, (k - коэффициенттрансформации трансформатора), что переводит полевой транзистор в6Рис. 2: Функциональная блок-схема нового варианта модуляционной СКВИД-электроники.первом каскаде усиления в более благоприятный режим его работы ссопротивлением порядка 1 кОм на входе. Во-вторых, сам трансформаторусиливает сигнал в k раз, выступая в качестве малошумящего усилителя.Важным преимуществом модуляционной схемы является исключение извыходного сигнала низкочастотных шумов усилителей типа 1/f .В разделе 1.2 подробно описан реализованный в данной работе вариантмодуляционной СКВИД-электроники. На Рис.
2 функциональная блок-схемаустройства. Первый каскад усиления в СКВИД-электронике всегда играетсамую важную усилительную роль, так как именно им определяется входнойшум электроники. В нашей электронике он выполнен на базе n-канальногополевого транзистора (n-Channel JFET) 2SK369. Основные характеристикиразработанной СКВИД-электроники приведены в ниже:7ПараметрЗначениеПолоса пропусканияот 20 кГц до 500 кГцСкорость нарастания сигнала250 кΦ0 /cДинамический диапазон150 дБШум входного усилителя< 1 нВ/Гц1/2Линейный коэффициент усиления60000Потребляемая мощность∼5 ВтФизический размер110 мм х 60 мм х 15 ммВ разделе 1.3 написано про систему переменного тока смещения, включеннуюв созданную СКВИД-электронику. Известно, что критические токи IC инормальные сопротивления в резистивном состоянии RN джозефсоновскихпереходов, из которых состоят СКВИДы, подвержены низкочастотнымфлуктуациям.
Однако в случае низкотемпературных СКВИДов с туннельнымиджозефсоновскими переходами эти флуктуации настолько малы, что почти невлияют на низкочастотный шум СКВИДа [24]. В случае же высотемпературныхСКВИДов флуктуации критического тока и нормального сопротивленияявляются доминирующим источником дополнительного низкочастотногошума [25]. Именно для борьбы с дополнительным низкочастотным шумомджозефсоновских переходов предложены схемы с переменным током смещенияСКВИДа [23].
Сигнал переменного тока смещения в разработанной электроникеформируется с помощью ПЛИС-матрицы и имеет прямоугольную форму, каки сигнал модуляции.В разделе 1.4 описана работа СКВИД-электроники с ВТСП СКВИДмагнитометром типа HTM-8 в неэкранированном пространстве. Для работыв неэкранированном пространстве в условиях индустриального города сдатчиками магнитного поля типа HTM-8 величина коэффициента обратнойсвязи была настроена на значение 8 мВ/Φ0 (коэффициентом обратной связиназывают величину напряжения на выходе интегратора схемы, задающегочерез резистор обратной связи ток в катушку модуляции, формирующиймагнитный поток в СКВИДе, равный одному кванту Φ0 ). При такойсильной глубине обратной связи СКВИД-магнитометр, состоящий из СКВИДа8Рис. 3: Магнитный фон в индустриальном городе и в полевых условиях.типа HTM-8 и исследуемой электроники, стабильно работал на протяжениинескольких часов в условиях лаборатории, которая находится в центреМосквы. Спектр внешнего магнитного поля был зарегистрирован с помощьюспектроанализатора модели SR785 фирмы Stanford Research Instruments (см.Рис.3).В главе 2 приведено описание измерительной вставки с тремя ВТСПСКВИД-датчиками.
Для расположения СКВИД-датчиков типа HTM-8 вазотном криостате была разработана и изготовлена специальная вставка изпластикового материала, имеющего очень низкий коэффициент температурногорасширения. Каждый СКВИД располагается в измерительной вставке какпоказано на Рис. 4 (а).При конструировании аксиального "электронного"градиометра СКВИДдатчики были размещены в измерительном зонде на одной вертикальнойоситак,чтобыобеспечитьмаксимальнуюпараллельностьприемныхтрансформаторов потока СКВИД-датчиков. Расстояние между датчиками9Рис.
4: а) Схема расположения 3-х ВТСП СКВИД-магнитометров в измерительномстержне с механической системой балансировки, б) Схема приемного трансформаторапотока в форме аксиального градиентометра второго порядка из ниобиевой проволоки длянизкотемпературных СКВИДов.фактически, являющееся так называемой базой градиометра, равно 50 мм.Таким образом конструкция из трех ВТСП СКВИД-магнитометров являетсяаналогом градиентометрической приемной петли в случае использованияНТСП материалов (Рис. 4 (б)).
Диаметр самого измерительного стержня равен40 мм.В главе 3 рассмотрена реализация электронной системы градиентометрасподробныманализомнеобходимыхтребований,предъявленныхкмагнитометрической системе в целом.В разделе 3.1 подробно затронуты методы борьбы с внешними шумами.На Рис.3 показан спектр фонового магнитного поля в индустриальномгороде.
Измерять магнитные сигналы от биологических объектов (см. Рис.1)в таком шуме практически невозможно. Существует несколько способовподавления магнитного шума окружающего пространства при измерениях спомощью СКВИДов: магнитоэкранированная комната, градиентометрическиеприемные петли и электронная компенсация внешнего магнитного поля.Применение магнитоэкранированных комнат оказывается слишком дорогим и10неприемлемым для биомагнитных и медицинских применений.Известно, что магнитные поля от удаленных источников гораздо болееоднородны, чем поля от источников, находящихся непосредственно рядомс магнитометром. Исходя из этого очевидно, что сигнал, равный разницесигналов, измеренных в двух близко расположенных точках, будет иметьамплитуду на несколько порядков меньше, чем амплитуда исходного сигнала.При этом полезный сигнал практически не будет потерян, так как его источниквсегда находится рядом с магнитометром, а шум будет уменьшен существенно.К сожалению, до настоящего времени на ВТСП-материалах не удаетсяреализовать конфигурацию приемных трансформаторов потока в формеградиометров второго порядка.
Альтернативным подходом подавлениявнешнего магнитного шума может служить использование одного или болеереференсных магнитометров. В качестве референсных магнитометров могутвыступать либо СКВИД-датчики, либо магнитометры любого другого типа.После вычитания сигнала, измеряемого референсным магнитометром, издругого СКВИД-магнитометра получается градиентометрический сигнал.Таким образом, для измерения градиентометрического сигнала 2 порядка спомощью ВТСП СКВИДов необходимо измерение магнитного сигнала каждымСКВИД-датчиком и дальнейшее сложение сигналов на электронном уровне поформуле:γ(αA − B) − (βB − C) = αγA − 2(β + γ)B − C(1)где A, B, C - исходные сигналы с 3 СКВИД-магнитометров, α, β, γ подстроечные коэффициенты.В разделе 3.2 приведено полное описание созданной электронной системы,производящей необходимое сложение сигналов с трех датчиков магнитногополя.
Также тут приведена вся информация по системе электронногоуправления всем электронным градиентометром 2 порядка на базе трех ВТСПСКВИД-магнитометров.В главе 4 описана настройка, калибровка и балансировка созданноймагнитометрической системы.Врезультатевсейработыбыла11созданасистемаэлектронногоРис. 5: Градиентометр 2 порядка.Рис.
6: Блок-схема всей системы, состоящей из измерительной вставки в азотном криостатес тремя ВТСП СКВИД-магнитометрами типа HTM-8, блока трех СКВИД-электроник иблока электронного градиентометра. Управление системой осуществляется с персональногокомпьютера.12градиентометра, позволяющая измерять градиентометрический магнитныйсигнал от различных источников. Система состоит из 3 каналов СКВИДэлектроники, адаптированных для работы с ВТСП СКВИДами в открытомпространстве, блока электронного градиентометра и цифрового блокауправления системой. Три СКВИД-датчика располагаются в специальномпластиковом измерительном стержне. Вся система управляется с помощьюперсонального компьютера.
На Рис.6 изображена блок схема созданнойсистемы, основными частями которой являются:1. 3 ВТСП СКВИД-магнитометра типа HTM-82. пластиковая вставка в азотный криостат3. азотный криостат из неметаллического материала4. пенопластовое горло в азотный криостат5. жидкий азот6. блок 3-х канальной СКВИД-электроники7. модуляционная СКВИД-электроника, адаптированная для работы с ВТСПСКВИД-магнитометрами типа HTM-88. соединительный кабель с разъемами типа SCSI9. система электронного градиентометра10. соединительный кабель с разъемами типа DVI-2911. блок электронного градиентометра, управляемый микроконтроллеромтипа AVR12.
блок питания всей системы13. электронный блок управления системой на базе микроконтроллера типаARM7В заключении сформулированы основные результаты работы.13Заключение1. Создана модуляционная СКВИД-электроника, адаптированная дляработы с ВТСП СКВИДами постоянного тока как в экранированном, таки в открытом пространстве. У созданного варианта СКВИД-электроникирасширен динамический диапазон до 150 дБ и имеется возможность подаватьв СКВИД переменный ток смещения.2.ДляСКВИД-магнитометрасдополнительнымконцентратороммагнитного потока, обеспечивающим чувствительность в экранированномпространстве 50 фТл/Гц1/2 на частотах выше 10 Гц, продемонстрированастабильная работа СКВИД-магнитометров типа HTM-8 в неэкранированномпространстве в условиях индустриального города с чувствительностью науровне 100 фТл/Гц1/2 .3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
