Двоканальний сквід-магнітометр зі змінною базою

Двоканальний СКВІД-магнітометр зі змінною базою, що включає магнітопрозорий склопластиковий кріостат та два вимірювальних зонди, вставлені у кріостат і занурені у кріогенну рідину, до 3 34263 якому пропонують схему, яка складається з трьох модульних магнітометрів, один з яких разом з двокомпонентим магнітометром розміщено у подвійній ортогональній кільцевій системі, та двох блоків автоматичної компенсації, виходи яких з'єднані з виходами двокомпонентного магнітометра. У даному патенті з метою підвищення точності додатково введено 2 рознесених у просторі подвійні ортогональні кільцеві системи, 2 двокомпонентних магнітометра і 4 блоки автоматичної компенсації. Використання такої конструкції забезпечує те, що в кожній з подвійних кільцевих систем залишається некомпенсованою лише одна компонента вектора індукції магнітного поля. Також відомо патент US 5093618 G01R33/035 «Multi-channel SQUID fluxmeter with time division feedback». Тут в багатоканальному СКВІДфлуксметрі для детектування магнітного потоку застосовано масив СКВІД-сенсорів, кожний з яких включає цифровий СКВІД для генерації вихідних імпульсів, а також мультиплексори, використані для подання вихідних імпульсів із СКВІД-сенсорів, які переключаються послідовно в часі для отримання сигналу магнітного потоку в кожному каналі. Отже, велику кількість СКВІД-сенсорів забезпечує тільки одна електронна схема, в результаті прилад має малі розміри. У іншому винаході US 5243281 G01R33/035 «Multi-channel magnetic flux detector comprising a magnetometer modular construction in a vessel containing a cooling medium» описано надпровідниковий пристрій для вимірювання надслабких магнітних полів, особливо для полів, генерованих мозком людини і детектованих одночасно над усією головою. Згідно винаходу надпровідникові магнітометричні чи градієнтометричні елементи під'єднуються роз'ємами до з'єднувального елемента, який, у свою чергу, - під'єднується до елемента, який вміщує електричні частини необхідні для під'єднання СКВІДів до електроніки при кімнатній температурі. Вказаний з'єднувальний елемент кріпиться до горловини дюара і виготовлений із теплоізоляторів для уникнення конвекції і вміщує резинові кабелі зі зкручених пар проводів, які мають відносно великий опір для мінімізації протікання тепла між кріогенним обладнанням та обладнанням при кімнатній температурі. Додатковий шум, породжений резистивними контактами може бути компенсовано збільшенням підсилення СКВІДа з використанням позитивного зворотного зв'язку. Інший винахід US 5451871, G01R33/022, G01R33/035, «Pick-up coil assemblies and system for use in a multi-channel squid magnetometer» стосується конструкції вхідної котушки багатоканального СКВІД-магніто-метра. Конструкція включає основну пластину, набір тримачів, закріплених на ній так, що вони утворюють матрицю, і набір модулів вхідних котушок, закріплених на вказаних тримачах, кожен з яких вміщує блок першої і другої котушок. Кожен із цих блоків має корпус, пару котушок, з'єднувальні лінії та контактні площадки. Останні три складові формують на корпусі за допомогою літографії. 4 У заявці RU 2003102274 G01R33/035 «Магнитометр со сверхпроводящим квантовым интерферометрическим датчиком» засоби вміщують надпровідниковий інтерференційний датчик з узгоджувальними електричними колами, генератори струму зміщення та низької частоти, фазоповертач, підсилювач, синхронний детектор, інтегратор, буферний каскад і пристрій встановлення нуля. Магнітометр відрізняється тим, що пристрій встановлення нуля виконано на основі схеми вибірки-зберігання та диференційного підсилювача. У іншому патенті RU 1405508 G01R33/035 «Цифровой СКВИД-магнитометр» запропоновано конструкцію магінтометра, що складається зі СКВЩа з резонансним контуром, генераторів високих та низьких частот, високочастотного підсилювача, амплітудного детектора, формувачів коротких імпульсів та меандрів, помножувача частоти, елемента затримки, фазового детектора, реєстратора, фільтра нижніх частот, D-тригера та очікуючого мультивібратора. Вказаний цифровий СКВІД-магнітометр має підвищену перешкодозахи щеність. Недоліком відомого рівня техніки є відсутність конструкції багатоканального магнітометра, яка б дозволяла змінювати відстані між його вхідними антенами, в результаті чого змінювалися б його режими роботи. Новизна пропонованої корисної моделі полягає в особливій конструкції зондів каналів, у яких положення вхідних антен зміщені відносно осей зондів на 5,75мм, що забезпечує зміну відстані між антенами вимірювальних каналів. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення конструкції двоканального СКВІДмагнітометра з можливістю зміни відстані між антенами каналів. Поставлена задача досягається шляхом розміщення у магнітопрозорому склопластиковому кріостаті двох вимірювальних каналів, які конструктивно мають вигляд двох зондів, вставлених у кріостат і занурених у кріогенну рідину, до складу яких входять СКВІД-сенсори магнітного поля, а також вхідні магнітні антени у вигляді градієнтометрів магнітного потоку, та зміною відстані між базами каналів шляхом обертання зондів у кріостаті відносно осей зондів на 5,75мм, що дозволяє реалізувати 3 різні бази: мінімальну, рівну 16,8мм, яка відповідає початковому положенню зондів, середню, рівну 28,3мм та максимальну, рівну 40мм, які досягаються обертанням на 180°, відповідно, будь-якого одного чи обох зондів. Це дозволяє забезпечити реалізацію 3 якісно різних режимів функціонування даного вимірювального пристрою: 1) формування синтетичного градієнтометру більш високого порядку (мінімальна база); 2) 1-канального магнітометру з одним референтним каналом (максимальна база); 3) режиму диференційного магнітометру (середня база), близького до режиму 1 (2) у разі застосування антен одинакової (різної) конструкції і відносно великій (малій) відстані до джерела, тобто відстані, більшій (меншій) подвоєної середньої бази. Короткий опис ілюстрацій: 5 34263 Фіг.1. Блок-схема СКВІД-магнітометра. Фіг.2. Блок-схема вимірювального СКВЩканалу. Фіг.3. Поперечний розріз магнітної антени - аксіального градієнтометра магнітного поля 2-го порядку. Фіг.4. Магнітопрозорий склопластиковий кріостат із встановленим кріогенним зондом. Фіг.5. С хема переміщень реєструючих зондів всередині кріогенного зонду. А (Б) - це положення зондів каналів з мінімальною (максимальною) відстанню між ними, В - допустимі обертання зондів. Технічною задачею корисної моделі є створення двоканального СКВІД-магнітометра зі змінною базою. Двоканальний СКВІД-магнітометр складається із таких 7-ми основних частин: 1) Два вимірювальні СКВІД-канали, 2) Кріогенний Зонд, 3) Кріостат, 4) Аналого-цифровий перетворювач (АЦП), 5) Персональний комп'ютер (ПК), 6) Електронні блоки управління та вводу сигналів 7) Програма управління магнітометром. Блок-схема пристрою наведена на Фіг.1, де лінії вказують на функціональні зв'язки між його елементами. СКВІД-магнітометр призначений для вимірювання магнітного поля від об'єкта, наприклад людини або тварини. При цьому два вимірювальні СКВІД-канали безконтактне реєструють магнітне поле, вихідні сигнали з яких вводяться в Блоки електроніки. Далі через блок живлення сигнали в аналоговому вигляді подаються на вхід АЦП, з виходу якого вони у цифровій формі поступають у ПК. Управління роботою вимірювальних СКВІД-каналів здійснюється за допомогою програми управління магнітометром з ПК. Кріостат заповнено рідким гелієм і забезпечує знаходження надпровідних елементів (СКВІД-сенсорів і приймальних антен) при температурі 4,2К. На Фіг.2 подана блок-схема вимірювального СКВІД-каналу. Його основу складає одноканальний кріогенний зонд, в нижній частині якого змонтовано приймальну антену - аксіальний градієнтометр 2-го порядку. В середній частині змонтовано СКВІД-сенсор, а зверху на зонді кріпиться Блок електроніки, з виходу якого сигнал каналу кабелем подається на вхід блоку живлення. У даній реалізації застосовано антену у вигляді аксіального градієнтометра 2-го порядку діаметром 8мм і базою 35мм. Така антена призначена для просторової селекції джерел магнітного поля, а саме - квазі-однорідні магнітні поля від далеких джерел послаблюються за рахунок того, що сигнали від них в такій антені пропорційні другій похідній (градієнту) від магнітного потоку, що проникає в антену. Градієнтометр намотано ніобієвим дротом діаметром 50мкм на циліндричному каркасі із текстоліту по схемі 2-4-2, на якому з великою точністю зроблено радіальні канавки. Матеріал каркасу вибрано із умови приблизної рівності термічних коефіцієнтів лінійного розширення ніобія і текстоліту. Поперечний розріз магнітної антени наведено на Фіг.3. 6 Висока точність виготовлення каркасу, ретельність намотки ніобієвого дроту і фіксація його спеціальним клеєм забезпечують ступінь небалансу (астатизму) градієнтометра рівну (0,8¸1)·10 -3 [Патент UA 16882. Надпровідниковий градієнтометр магнітного поля / Ю. Мінов, М. Будник (Україна). Бюл. №8. - 2006. - 14с. - 7іл.]. Генерований джерелом в антені вхідний сигнал зменшується зі збільшенням відстані «джерело-антена», тобто чутливість магнітної антени до джерел спадає при віддалені від неї. Тому вказану чутливість кількісно оцінюють за допомогою характерної відстані - зони чутливості, яку визначають як відстань, на якій сигнал в антені (чутливість антени) зменшується до 1/23»0,125 (відносно сигналу від джерела, розташованого на нульовій відстані). При цій умові для антени, яка складається лине з одного витка вказана зона дорівнює його діаметру. Як показано в [Будник М., Кириченко Л. Дослідження просторових властивостей надпровідникових градієнтометрів магнітного потоку // Вісник Київського Університету, 1999, вип.2, с.358-362] зона чутливості градієнтометра 2-го порядку при В/А>>1, де В і А - відстань між витками і їх радіус, визначається як Z»(48А3/В 2)15 , (1) де Z - зона чутливості. Для пропонованої реалізації А=4мм, В=35мм, В/А=8,75>>1 отримаємо з (1) величину 7=3,13см. Детектор магнітного поля включає струмовий СКВЕД-сенсор, трансформатор потоку, зовнішні термінали для підключення антени, сигнальних кабелів та кабелів живлення. Вказані елементи розміщено на друкованій платі, закритій циліндричним ніобієвим екраном (капсулою) [Патент UA 75434. Сенсор надслабких магнітних полів / Ю.Д. Мінов, М.М. Будник, П.Б. Шпильовий (Україна). Бюл. №4. - 2006. - 12с. - 7іл.]. У даній реалізації СКВІД-детектор розміщено на відстані приблизно 120мм над верхнім витком антени. Цю відстань вибрано із вимоги мінімізації впливу надпровідного екрану СКВІД-детектора на ступінь балансу градієнтометра. Вита пара ніобієвих дротів прокладена від антени до СКВІДу, її кінці затискують гвинтами до ніобієвих контактів, що забезпечує надійний надпровідний контакт. Балансування антен виконують за допомогою переміщення двох надпровідних свинцевих пластин, розміщених ортогонально у вертикальних площинах, які здійснюють балансування горизонтальних компонент магнітного поля Х і Y. Надпровідні свинцеві пластини розміщено на плоских текстолітових тяга х, які приводяться в рух механізмом балансування зонда, і мають площу приблизно 3кв.мм. Балансування антен по Z-ій (вертикальній) компоненті магнітного поля здійснюють за допомогою розміщеного у горизонтальній площині надпровідного кільця [Патент UA 19997. Спосіб механічного балансування надпровідникового градієнтометра магнітного поля / Будник М., Мінов Ю. (Україна). Бюл. №1.- 2007. - 11с., 4іл.]. У даній реалізації діаметр кільця становить приблизно 8,5мм. 7 34263 Процедура механічного балансування виконується в магнітному полі з високим ступенем однорідності. Ступінь балансу градієнтометра після механічного балансування складає 10-5¸5·10-6. Кращий результат досягається, коли балансування виконувати безпосередньо на місці вимірювань. Це пов'язано з наявністю в робочих приміщеннях неоднорідних магнітних завад з великими градієнтами, що призводить до зниження ступеня балансу градієнтометра при переміщенні його від місця балансування до місця проведення магнітних вимірювань. Кріогенний зонд виготовлено із немагнітних матеріалів, що мають малі теплові коефіцієнти розширення. Він складається з каркасу, в який вставляються 2 зонди вимірювальних каналів. Корпуси всіх зондів складаються з окремих прилагоджених деталей з використанням полімеризаційно-твердіючих клеїв. На зонди встановлюють високочастотні (ВЧ) і теплові екрани та проводять сигнальні кабелі. Для встановлення Блоків електроніки у верхній частині зонда кожного каналу передбачено відповідні роз'єми. У середній частині зонда встановлено СКВІД-сенсори, а у нижній частині - приймальні антени (аксіальний градієнтометр 2-го порядку). На фланці кріостату також передбачено отвори для кріплення датчика рівня гелію. У верхній частині зонда знаходяться кінцівки осей зі шліцами для механічного балансування градієнтометра. Зонд вставляють у горловину магнітопрозорого склопластикового кріостату, який заповнюють рідким гелієм. У даній реалізації застосовано блок електроніки для СКВІДів постійного струму, принцип роботи якої полягає в наступному: вихідна напруга СКВІДсенсора підсилюється низькошумовим диференційним підсилювачем (еквівалентний вхідний шум 0,35нВ/Гц1/2), інтегрується, через резистори у котушку зворотного зв'язку вводиться струм, який компенсує зміну зовнішнього потоку в СКВІДі. В результаті вихідна напруга блоку електроніки пропорційна струму через котушку зворотного зв'язку, отже -і до зовнішнього сигналу (градієнту магнітного потоку в антені). Схема компенсації змін зовнішнього потоку в СКВІДі називається Flux Locked Loop (FLL). Симетрична конструкція підсилювачів і джерел живлення забезпечує температурну стабільність і низький дрейф вихідного сигналу. Крім того, для живлення СКВІДа застосовано окреме джерело струму. Вихідний буфер блоку електроніки перетворює вихідний сигнал з диференційної в однополярну форму, а вбудо ваний АЦП - перетворює його в цифрову форму для введення в ПК. Програма управління магнітометром розроблена для роботи в операційних системах Microsoft Windows Qx/NT/2000/XP. При цьому існує дві можливості встановлення робочої точки СКВІДу - вручну або автоматично. У першому випадку за допомогою відповідних слайдерів у вікні програми струм через детектор і робоча точка СКВІДа встановлюється вручну користувачем. В автоматичному режимі можна активувати або блокувати зчитування вихідного сигналу СКВІДа. Додатково можна 8 включити режим скидання, в якому відслідковується амплітуда вихідного сигналу і коли він перевищує максимальний діапазон вихідної напруги блок електроніки автоматично переключається в холостий режим. Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) призначений для перетворення вихідних сигналів блоків електроніки з аналогової форми в цифрову для подальшого вводу в ПК. У даній реалізації з урахуванням смуги частот, динамічного діапазону та амплітуди напруги на виході блоку електроніки, було використано АЦП з такими характеристики: виконання -внутрішнє, АЦП вставляється в РСІ слот на материнській платі ПК, режим вхідних каналів - диференційний, кількість каналів - 8, частота дискретизації - 250 тисяч зчитувань/секунду, кількість розрядів - 16 біт, діапазон вхідних напруг - ±10Вольт. Вимоги до ПК в основному обумовлені програмним забезпеченням. Основні з них такі: процесор - Intel Pentium 3 або AMD Athlon 64, частота ³866МГц, RAM ³256Мб, жорсткий диск ³40Гб, відеопам'ять ³64Мб, монітор ³17 дюймів з роздільною здатністю 1024×768 піксел і 65 тисячами кольорів. Вимоги до операційної системи - Windows ХР Prof SP1. Гелієвий кріостат для магнітометра - досить складний виріб кріогенної техніки. Основна вимога - він повинен бути магнітопрозорий, тобто виготовлений із немагнітних діелектриків, які пропускають магнітне поле. Як правило - це різноманітні склопластики, які підбираються з огляду на коефіцієнт дифузії атомів гелію, який повинен бути якнайменший, щоб вакуум всередині кріостату не погіршувався. Кріостат містить мінімальну кількість металу, що зроблено для зниження рівня власних магнітних шумів та спотворень магнітних полів від зовнішніх джерел. Конструкція кріостата в зборі із зондом показана на Фіг.4. Кріостат складається із двох склеєних колб - вн утрішньої кріогенної колби й зовнішньої колби. Штуцер 1 збоку кріостата використовується для підключення вакуумного насоса. Простір між внутрішньою і зовнішньою колбами відкачується до залишкового тиску не вище 5·102 мм.рт.ст. Вводи 2,3 призначені для вставляння переливачки і скидання газоподібного гелію, який утворюється під час заливання кріостата рідким гелієм. Об'єм внутрішньої колби кріостата 5,5л, що забезпечує роботу магнітометра на одній заливці рідкого гелію не менше 4-х діб. Згідно пропонованої корисної моделі магнітометр має особливу конструкцію, яка забезпечує зміну відстані між антенами вимірювальних каналів. На Фіг.5 подана схема обертання зондів окремих каналів всередині кріогенного зонду. У даній реалізації діаметр кріогенного зонда становіть 50мм, а вхідної антени - 8мм. Зонди окремих каналів виконані так, що їх антени зміщено відносно осей зондів на 5,75мм. Це дозволяє за рахунок обертання вказаних зондів змінювати відстань (базу) між антенами каналів. Вихідним сигналом 2-канального СКВІДмагнітометра є різниця вихідних сигналів обох каналів. Режим магнітометра залежить від співвід 9 34263 ношення величини бази b та зони чутливості Z (1), рівної для антен, застосованих у даній реалізації, Z=3,13см. При Z>b формується синтетичний градієнтометр вищого порядку, тому що біля обох антен існує область простору, до якої чутливі обидві антени. У випадку Zb, отже різницевий сигнал для джерел, розташованих далі 6см, еквівалентний вихідному сигналу 1-канального магнітометра з антеною, еквівалентною градієнтометру більш високого порядку. Тобто у такий спосіб формується синтетичний градієнтометр більш високого порядку. У даній реалізації в кожному каналі застосовано аксіальні градієнтометри 2-го порядку, що реєструють другу просторову похідну від вертикальної компоненти магнітного поля Hz, тобто G2=d2Hz/dZ2 . В результаті віднімання сигналів каналів утвориться синтетичний градієнтометр 3-го порядку, який реєструє похідн у dG 2/d X=d3Hz/d XdZ2, де Х - координата у горизонтальній площині, вісь якої проходить через центри антен. Положення зондів Б є кінцевим і відповідає максимальній відстані, рівній 40мм. Воно досягається обертанням обох зондів на половину повного оберту, тобто на 180° (не має значення по чи проти годинникової стрілки). У цьому випадку виконується умова Z>b, отже різницевий сигнал для близьких (6см цей режим близький до режиму синтетичного градієнтометра. Проте, при вимірюваннях реалізувати малі відстані