Надпровідниковий градієнтометр магнітного поля

1. Надпровідниковий градієнтометр магнітного поля, що включає циліндричний корпус, приймальну та дві компенсаційні котушки, намотані на циліндричний корпус цільним відрізком надпровідного дроту та з'єднані за допомогою прямого і зворотного відрізків дроту, скручених разом та вкладених у вертикальну проточку, причому перша компенсаційна котушка виконана двовитковою та розміщена посередині корпусу, а приймальна та друга компенсаційні котушки виконані одновитковими та розміщені на протилежних кінцях корпусу, який виконано з матеріалу з низьким коефіцієнтом лінійного розширення, регулюючий пристрій для U 1 3 16882 4 ленням. З іншого боку, не можна очікувати, що Але такі методи, що вимагають виймання та поЕПП забезпечить покращення балансу більш ніж вторні занурення градієнтометра в рідкий гелій на два порядки величини. Тому для покращення (так зване термоциклювання) потребують багато початкового технологічного балансу потрібне мечасу, відносно неточні (бо при термоциклюванні ханічне балансування градієнтометра на два-три відбувається зміна лінійних розмірів деталей), а порядки величини. Взагалі, всі вищевказані шляхи тому - не задовільні. можна розглядати і використовувати незалежно В патенті WO 0227332 [A. Bakharev, Cardiomag один від одного, бо ні один із них не в змозі забезImaging, USA, "High balance gradiometer", печити необхідну ступінь балансу. 4.04.2002], який взято за прототип, описано градіВідома схема балансування, яка була розробєнтометр з високим ступенем балансу. У ньому лена в Національному Бюро Стандартів в США використовується скло Руrех як матеріал для виго[проект №2750482, звіт №10,736 від 31.03.1972 товлення корпусу та кріплення намотаних витків з "Ultrasensitive superconducting magnetic надпровідного дроту за допомогою ціаноакриловоgradiometer", Zimmerman та інші]. Ця схема ґрунтуго (cyanoacrylate) клею. Досягнутий механічний валася на рухомих надпровідникових пластинках баланс надалі покращується електронним баланта дисках для досягнення поперечного та поздовсуванням за допомогою використання сигналу 3жнього (аксіального) балансу. Однак така схема компонентного референтного магнітометра, що мала два недоліки: налагодження було дуже неліреєструє тільки перешкоди. Недоліком цього спонійне а також існував взаємний вплив між різними собу є те, що початковий баланс сильно залежить пластинками. від точності намотування витків дроту та їх уклаІнший підхід, описаний в патентах дання в спіральні канавки, які дають суттєве погіUS 3 965 411 (22.06.1976) та US 3 956 690 ршення балансу по поперечній компоненті. Крім (11.05.1976), використовував в якості трімінгових того, тільки ЕПП без механічного балансу не в елементів взаємно перпендикулярні надпровіднизмозі забезпечити суттєве заглушення перешкод, кові котушки, які були зв'язані з сенсором магнітнонеобхідне для надійної та тривалої роботи СКВІДго потоку. Трім-кільця були намотані на циліндрі в магнітометра в неекранованих умовах клініки. градієнтометричній конфігурації, а рухомий надТехнічною задачею корисної моделі є ствопровідниковий магнітний екран забезпечував зміну рення надпровідникового градієнтометра магнітнозв'язку між відповідними трім-кільцями та магнітго поля та способу його механічного балансуванним полем. Недолік такої схеми полягає в тому, ня, що дозволяють збільшити ступінь балансу до що трім-кільця повинні бути точно намотані на 2-10-5, спростити його виготовлення та налагоциліндрі, що підвищує ціну приладу. Але головний дження, а також зменшити вартість приладу. недолік цього підходу є перерозподіл індуктивності Поставлена задача в надпровідниковому гравимірювального градієнтометра між власною індудієнтометрі магнітного поля, що містить циліндриктивністю градієнтометра та індуктивностями трічний корпус, приймальну та дві компенсаційні коммінгових елементів. В результаті при введенні тушки, намотані на циліндричний корпус цільним трім-кілець чутливість СКВІД-сенсора до вимірювідрізком надпровідного дроту та з'єднані за допованого сигналу погіршувалася. могою прямого і зворотного відрізків дроту, скруВ інших попередніх методах для балансування чених разом та вкладених у вертикальну проточку, градієнтометра, заснованих на взаємно ортогонапричому перша компенсаційна котушка виконана льних надпровідникових елементах, використано двовитковою та розміщена посередині корпусу, а зміну ефективних площ витків градієнтометра. приймальна та друга компенсаційні котушки викоНаприклад, надпровідні диски було використано в нані одновитковими та розміщені на протилежних патентах US 3 976 938 (24.08.76) і US 4 320 341 кінцях корпусу, який виконано з матеріалу з низь(16.03.82). Аналогічно з цією метою також було ким коефіцієнтом лінійного розширення, регулюювикористано надпровідні пластинки [наприклад - J. чий пристрій для механічного балансування градіA. Overweg, М. J. Walter-Peters, The design of a єнтометра, досягається тим, що в ньому на system of adjustable superconducting plates for зовнішній поверхні циліндричного корпусу виконаbalancing a gradiometer, Cryogenics, 1978, P.529но кільцеві проточки, площини яких перпендикуля534]. рні поздовжній осі циліндричного корпусу, причому Суттєвим недоліком вказаних методів є погірвитки приймальної та компенсаційних котушок шення симетрії градієнтометра при внесенні наларозміщено в кільцевих проточках, а витки середгоджувальних елементів. Пристрій для балансуньої котушки розміщені на відстані, не менше, ніж вання, що використовує для досягнення балансу половина їх радіусу, при цьому регулюючий притрім-диски в поєднанні з можливістю змінювати стрій виконано з балансуючим елементом у виглявідстань між вимірювальними витками описано в ді короткозамкнутого надпровідникового кільця, патенті US 4 523 147 (11.06.85). Недоліком цього розміщеного всередині циліндричного корпусу, і підходу є більш складна і точна конструкція градівиконано з приводом переміщення вздовж поздоєнтометра, отже - суттєво більша ціна приладу. вжньої осі циліндричного корпусу. Окрім того, в В патенті US 3 976 9383 було запропоновано регулюючім пристрої коротко-замкнуте надпровідсхему, що складається з двох етапів. На 1-му етапі никове кільце балансуючого елементу виконане проводиться грубе балансування. Потім градієнохоплюючим циліндричний корпус і розміщене між тометр зі СКВІД-сенсором виймається з кріостату, компенсаційними котушками. В способі механічноа диски механічно закріплюються (фіксуються) в го балансування надпровідникового градієнтометсвоїх положеннях. Далі, для точного балансування ра магнітного поля, який включає переміщення в градієнтометр знову занурюється у рідкий гелій. магнітному полі балансуючого елементу, постав 5 16882 6 лена задача досягається тим, що в початку баланСередня компенсаційна котушка 2 є двовиткосування балансуючий елемент розміщують посевою та розміщена посередині корпусу 4, приймаредині між компенсаційними котушками, а баланльна 3 котушка та друга компенсаційна котушка 1 сування надпровідникового градієнтометра є одновитковими, розміщені на протилежних кінмагнітного поля здійснюють переміщенням баланцях корпусу 4, а саме: приймальна 3 - внизу, а суючого елементу вздовж осі циліндричного кордруга компенсаційна 1 - зверху. Всі котушки намопусу в межах відстані між компенсаційними котуштані цільним відрізком надпровідного дроту з ніоками. бію, та з'єднані за допомогою прямого і зворотного Технічний результат досягається за рахунок відрізків дроту, скручених та вкладених у вертикавикористання одного надпровідного кільця, що льну канавку (Фіг.3). рухається вздовж осі градієнтометра. Одне трім Корпус 4 має циліндричну форму і виготовлекільце створює передумови для спрощення консний з немагнітного матеріалу (графіту) з коефіцієтрукції регулюючого пристрою для механічного нтом лінійного розширення, рівним такому у ніобія балансування градієнтометра, підвищення ступе(матеріал проволоки). Витки котушок 1, 2 и 3 вміня балансу, та для можливості проводити баланщені в кільцеві проточки глибиною 0,2мм, розтасування з урахуванням навколишнього шуму in шовані в поперечній площині. Корисний сигнал situ, тобто безпосередньо в клініці. вводиться в СКВІД 5 за допомогою сигнальної коНа Фіг.1 зображено загальний вигляд надпротушки 3, яка разом із градієнтометром утворює відникового градієнтометра магнітного поля; на трансформатор магнітного потоку. Фіг.2 - регулюючій пристрій для механічного балаДосягнення високого ступеня балансу такого нсування градієнтометра; на Фіг.3 - схема взаємтипу градієнтометрів обмежено 2-ма факторами: ного розташування короткозамкнутого кільця та 1) спіральною формою проточок та 2) магнітним аксіального градієнтометра 2-го порядку, зв'язанозв'язком між витками середньої котушки 2. Причиго зі СКВІДом; на Фіг.4 - спектр вихідного шуму на в тому, що проточки в циліндричному корпусі 4 СКВІД-магнітометра без балансування; на Фіг.3 градієнтометра спіральної форми розташовані в спектр вихідного шуму СКВІД-магнітометра після площині, нахиленій до його осі, отже не є точно електронного заглушення перешкод (електронного перпендикулярні до осі. В результаті в антену бубалансу); на Фіг.6 - спектр вихідного шуму СКВІДде проникати паразитне магнітне поле, яке ствомагнітометра після механічного балансування; на рить суттєвий небаланс по поперечній компоненті Фіг.7 - Спектр вихідного шуму СКВІД-магнітометра поля. Наявність магнітного зв'язку між витками після механічного та електронного балансування середньої котушки 2 приводить до збільшення її (ЕПП). сумарної індуктивності. Тому, щоб досягти високоКонструкція надпровідного градієнтометра з го технологічного балансу, градієнтометр в даній високим ступенем балансу, що використовується реалізації має такі відмінності: 1) проточки мають як вхідна антена СКВІД-магнітометра для вимірюкільцеву форму, 2) відстань між витками середньої вання магнітних сигналів серця в неекранованих котушки дорівнює 5мм. В результаті конструкція умовах, показана на Фіг.1. Вказаний пристрій явзабезпечує початковий (технологічний) небаланс ляє собою аксіальний градієнтометр 2-го порядку, по аксіальній компоненті поля в діапазоні 4-8-10-4 і призначений для реєстрації 2-ї просторової похідпоперечній 2-4-10-4. ної вертикальної (аксіальної) компоненти поля. Регулюючій пристрій для механічного баланПри цьому відбувається просторова селекція сигсування градієнтометра (Фіг.2) складається з одналів магнітного поля, а саме - для джерел, розного короткозамкнутого трім-кільця 6 змонтованого міщених на відстані r, близькій до величини бази, на немагнітному тримачі. Вказаний тримач забезпослаблення корисного сигналу в нижньому витці печує стабільну фіксацію трім-кільця в поперечній антени незначне. В той же час сигнали віддалених площині, сформовані циліндричним каркасом 7, джерел ослабляються пропорційно 1/r5. Однак тягою 8 та повзуном 9. Кільце 6 намотане і приктаке співвідношення вірне тільки для градієнтомелеєне до немагнітного каркасу 7, який зв'язаний з тра з високим ступенем балансу, яка досягається повзуном 9 через тягу 8. Повзун 9 кріпиться на вирівнюванням ефективних площ котушок градієнсиловому гвинті 10 з точною різьбою і переміщутометра за допомогою механічного балансування. ється всередині градієнтометра в аксіальному наКонструктивно градієнтометр складається з прямі за рахунок обертання гвинта 10. кругових котушок 1, 2 и 3 з радіусом 11мм та відсУ даному винаході силовий гвинт 10 є основтанню між котушками (база градієнтометра 6), рівною частиною приводу переміщення, що забезпеною 60мм. Нижня котушка 3 є приймальною котучує плавний рух каркасу 7 та трім-кільця 6 в аксіашкою, призначеною для реєстрації корисного льному напрямі. На Фіг.2 схематично показує сигналу, наприклад, від серця людини. Середня 2 конструкцію приводу переміщення, що складаєтьта верхня 3 котушки є компенсаційними, що комся з гвинта 10, вставленого в отвір різьбової муфпенсують сигнали від віддалених джерел магнітти 11. Ця муфта 11 вставлена в отвір корпусу зонних перешкод. Верхня 1 і нижня 3 котушки мають ду 12, а гвинт 10 - рухається в ній. Між гвинтом 10 по одному витку, намотаних, наприклад, по часота кришкою кріостату встановлено силіконове ущівій стрілці, а середня 2 - два витка, намотаних льнення 13. Обертання гвинта 10 приводить до проти часової стрілки, - в такий спосіб утворюється руху вздовж осі вверх і вниз повзуна 9, вісі тяги 5 і градієнтометр 2-го порядку, що реєструє другу трім-кільця 6. Швидкість руху визначається кроком просторову похідну (градієнт) магнітного поля, різьби, і в даній реалізації становить 5 оборотів направленого вздовж його осі. на 1мм. 7 16882 8 В даній реалізації для заглушення зовнішніх мають різні знаки згідно напрямку намотування перешкод пропонується простий спосіб з викорискотушок у градієнтометрі 2-го порядку. Величини k, танням трім-кільця 6. Цей спосіб ґрунтується на k1, k2 у (3) - коефіцієнти взаємоіндукції між відповізміні ефективної індуктивності котушок градієнтодною котушкою градієнтометра і кільцем. У вираметра внаслідок взаємного. магнітного зв'язку між зах (2, 3) множник 2 враховує, що середня котушка трім-кільцем 6 та верхньою 1 і середньою 2 котушмає два витки. кою градієнтометра. Ефективність пропонованого У системі (1, 2) антена при взаємодії з кільцем методу забезпечується тим, що трім-кільце 6 внорозглядається як єдине ціле, тобто не приймаєтьсить в антену позитивний небаланс, який приблизся до уваги взаємоіндукція між котушками самої но рівний по величині, але протилежний по знаку антени. Це наближення справедливе для градієнтехнологічному небалансу. При переміщенні трімтометра з досить високим початковим балансом кільця вниз ефективна індуктивність верхньої кобіля α=10-3. Тоді, при однакових діаметрах кільця і тушки 1 збільшується, а нижньої 3 - зменшується котушок, магнітний потік в градієнтометрі дорівнює так, що в антену вноситься додатковий позитивний ФА=αФ (4) небаланс, і таким чином, початковий технологічтобто занадто малий у порівнянні з потоком у ний баланс компенсується. кільці ФA