Сенсор надслабких магнітних полів

Сенсор надслабких магнітних полів, який містить плату, на якій розміщено RL-шунт, термінали для підключення антени та проміжну плату, на якій розміщені надпровідниковий квантовий інтерференційний детектор (СКВІД) та нагрівач, який відрізняється тим, що до його вхідної котушки підключено фільтр низьких частот, проміжна плата розташована у надпровідному екрані, вихідний провід сенсора розміщений у радіочастотному екрані, а між СКВІДом та вхідною котушкою встановлено концентратор магнітного потоку. Винахід належить до кріогенної апаратури, а саме вимірювальної техніки, призначеної для реєстрації низькочастотних надслабких магнітних полів за допомогою надпровідникових квантових інтерференційних детекторів (СКВІДів) і може бути використаний для реєстрації як власних, так і наведених магнітних полів біологічного походження, в першу чергу таких органів людини, як серце, кров та печінка. Відомо, що життєдіяльність біологічних організмів супроводжується випромінюванням магнітних полів. Ці біомагнітні поля дуже слабкі і їх стало можливим вимірювати тільки після відкриття СКВІДів, чутливість яких сягає діапазону фемтоТесла (10-15). Магнітне поле Землі приблизно дорівнює 50 мкТл, техногенні магнітні завади лежать в діапазоні нТл. В той же час біомагнітні поля лежать в діапазоні фемто- і пікоТесла. Тому реалізація вимірювань за допомогою СКВІДів становить значну технічну проблему, Особливо це стосується біомагнітометрів, тобто магнітометрів призначених для вимірювання магнітних полів біологічного походження. Такі прилади повинні мати одночасно як велику чутливість, так і широкий динамічний діапазон, високу швидкодію, перешкодозахищеність, стабільність характеристик. Це спонукає розробників вдосконалювати сенсори магнітного поля на основі СКВІДів. На сьогодні більш поширені так звані СКВІДи Постійного Струму (ПТ СКВІДи), основою яких є надпровідне кільце, замкнене двома Джозефсонівськими Контактами (ДК). Перші конструкції ПТ СКВІДів являли собою так звані МДМ (модулятор-демодулятор) схеми, побудовані по принципу амплітудної модуляції (AM). їх недоліком були низька амплітуда вихідного сигналу, низька швидкодія та необхідність шунтування ДК для отримання безгістерезисної BAX. З того часу для покращення характеристик ПТ СКВІДів в рамках традиційного AM підходу було запропоновано багато різноманітних вдосконалень - резонансні узгоджувальні трансформатори, охолоджувані попередні підсилювачі, додатковий позитивний зворотній зв'язок (ПЗЗ) (additional positive feedback (APF) – [див. H. Seppa, A. Ahonen, J. Knuutila et al, IEEET. - 1991. - MAG-27, N. 2. - P. 2488-2490], техніка безпосереднього інтегрування (Direct Offset Integration Technique (DOIT) – [див. D. Drung, Supercond. Sci. Technol. - 1991,- 4, N. 2. - P. 377-385], використання послідовного з'єднання багатьох (до сотні) СКВІДів [S. Uchaikin, Journal de Physique IV. -1998. - 8, Рг.З. -р.221-224] та інші. Основною тенденцією останнього десятиліття (19) UA (11) 75434 (13) C2 (21) 2004021169 (22) 18.02.2004 (24) 17.04.2006 (46) 17.04.2006, Бюл. № 4, 2006 р. (72) Мінов Юрій Дмитрович, Будник Микола Миколайович, Шпильовий Павло Борисович (73) ІНСТИТУТ КІБЕРНЕТИКИ ІМ. В.М.ГЛУШКОВА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, Мінов Юрій Дмитрович, Будник Микола Миколайович, Шпильовий Павло Борисович (56) DE 10037519 A, G01R33/035, A61B5/04, 01.03.2001 US 5406201 A, G01R33/035, 11.04.1995 SU 1405508 A1, G01R33/035, 20.06.1996 SU 563161, A61B5/02, 30.06.1977 RU 2145792 C1, A61B5/0295, A61B5/04, 27.02.2000 WO 02058555 A, G01R33/035, 01.08.2002 3 75434 4 є відмова від традиційного AM підходу і пошук ноного потоку. Цей режим по суті є частотною модувих підходів в напрямі розвитку різних цифрових ляцією (ЧМ), де частота змінюється під впливом та імпульсних схем. Висока швидкість переклювхідного сигналу. Перевагою такого ЧМ варіанту є чення ДТК та відносно велика амплітуда імпульсу висока перешкодозахищеність тому, що напруги, що при цьому виникає (мілівольти), ство- імпульси PK мають відносно велику амплітурюють передумови для підвищення швидкодії кріду (декілька мВ), що ослаблює вимоги до перших оелектронних пристроїв реєстрації сигналів, розкаскадів електроніки ширення їх динамічного діапазону та функційних - частота PK практично не залежить від дефоможливостей, підвищення перешкодозахищеності, рмацій BAX СКВІДа (що мають місце внаслідок спрощення технології виготовлення датчиків. паразитних резонансів між СКВІДом і вхідною спіПринцип роботи імпульсно-модульованого (IM) ральною котушкою, несиметрії ДК та/або гілок інСКВІДа полягає в тестуванні його періодичним терферометра). пилкоподібним струмом. При цьому в момент часу, Такий PK СКВІД був запропонований в [А.С. коли тестуючий струм стає рівним критичному 988072 СССР, "Сверхпроводящий генератор", струму, СКВІД переходить в резистивний стан. В.М. Сосницький, П.Г. Сутковий, 1982, та А.С. Імпульси напруги є строб-імпульсами для елект1274467 СССР, "Сверхпроводящий магнітометр", роніки СКВІДа, що формує напругу, пропорційну Ю.Д. Мінов, В.М. Сосницький, П.Г. Сутковий, критичному струму гістерезисного СКВІДа, а отже 1986]. Перевагою такого СКВІДу перед традиційзміні магнітного потоку. Таким чином, тільки моними реалізаціями також є спрощення технології мент появи імпульсу є важливим, а тривалість виготовлення, що не потребує шунтування ДТК імпульсу та його форма не впливають на вихідний малими резисторами для отримання безгістерезисигнал СКВІДа [див. I.D. Vojtovich, V.N. Sosnitsky, сної BAX. P.I. Sutkovoj et al., Ргос. XIII Int. Symp. Low Temp. В патенті "Magnetic field detection circuit having Phys. and Cryoelectronics, Jena (Germany), – 1981. a relaxation oscillator SQUID" [US, 5406201, C. No– P. 203-207]. На цьому ґрунтується винахід по rio, K.Shogo, S. Nobuhiro, Seiko Instr. Inc., Japan, [А.С. 1031314 СРСР, МАГНІТОМЕТР, І.Д. Войто1993] пропонуються різні вдосконалення базисної вич, В.М. Сосницький, П.Г. Сутковий, 1982]. схеми ПТ СКВІДу, направлені на використання PK Проте, наявність зовнішніх джерел тестового в багатоканальних магнітометрах, серед яких струму ускладнює електроніку СКВІДа і вносить ввід вимірюваного потоку не в СКВІД, а в котушку додаткові шуми. Тому перспективним є генерація (індуктивність) шунта, використання послідовного струму опитування безпосередньо в СКВІДі у виз'єднання по струму живлення, використання PK гляді релаксаційних коливань (PK) [Vojtovich LD., ПТ СКВІДу як резонансного контуру ВЧ СКВІДа та Minov Yu.D., Sosnitsky V.N. Proc. XV Int. Symp. Low інші. Але в цьому патенті детально не розглядаTemp. Phys. and Cryoelectronics, Jena (Germany), ються особливості конструкції та схемної реаліза1983. - P. 7-32]. Вперше їх спостерігали та описали ції таких сенсорів. [Vernon F.Z., Pedersen K.J., J. Appl. Phys. 39 (1968), В патенті "Method and device for measuring 2661] при шунтуванні ДТК з великою ємністю C і biomagnetic and in particular cardiomagnetic fields" гістерезисною BAX послідовно з'єднаними опором [WO 0106907, V.Sosnitzky, F.Steinberg, SQUID AG, R і індуктивністю L при подачі струму живлення Ib, Germany, 2001], що має аналог "Apparatus and що задовольняє умові Ic