WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

Бурмистров Евгений Владимирович Градиентометр на базе ВТСП СКВИДов для работы в неэкранированном пространстве Специальность 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2010

Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный консультант:

доктор физико-математических наук профессор Снигирев Олег Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Овсянников Геннадий Александрович кандидат физико-математических наук Варлашкин Андрей Валерьевич

Ведущая организация:

Московский Педагогический Государственный Университет (МПГУ), Факультет Физики и Информационных Технологий, Кафедра общей и экспериментальной физики

Защита состоится 18 февраля 2010 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66, кандидат физико-математических наук И.Н. Карташов

Общая характеристика работы

Актуальность темы Рис. 1: Диапазоны частот и амплитуды магнитных сигналов от различных органов человека.

Большой интерес в современной науке и технике представляет использование высокотемпературных СКВИДов постоянного тока в высокочувствительных магнитометрических системах различного назначения, в частности, их практическое применение в диагностических комплексах для исследований биомагнитных сигналов, генерируемых живыми организмами. Выше на Рис.1 представлены диапазоны частот и амплитуды магнитных сигналов, генерируемых различными органами человека [1]. Очевидно, что для достоверной регистрации сигналов в указанном диапазоне частот и амплитуд наиболее предпочтительным представляется использование в качестве детекторов магнитного поля датчиков на базе низко- и высокотемпературных СКВИДов. На настоящий момент в науке и технике уже можно наблюдать успешное 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 - системы для поиска внутренних микродефектов в материалах [11] - [15]. Однако, ряд преимуществ по сравнению в этим могли бы иметь магнитометрические системы на базе ВТСП СКВИДов. Во-первых, смена хладоагента с жидкого гелия на жидкий азот сильно снизило бы стоимость эксплуатации систем.

Второе неоспоримое преимущество ВТСП СКВИД-магнитометров заключается в гораздо большей мобильности измерительных систем по сравнению с системами на базе НТСП СКВИДов.

Однако, существует ряд особенностей в построении высокочувствительных магнитометрических систем на базе высокотемпературных СКВИДов постоянного тока. Во-перых, использование высокотемпературных СКВИДов для детектирования сигналов от биологических источников до недавнего времени было несколько ограничено из-за их недостаточной чувствительности по индукции магнитного поля. Предельная чувствительность стандартных высокотемпературных СКВИДов постоянного тока с автотрансформаторной системой преобразования индукции магнитного поля в магнитный поток в петле СКВИДа находится на уровне 80 - 100 фТл/Гц1/2. При измерении магнитных полей, генерируемых в сердце или мозге человека, такой разрешающей способности оказывается не достаточно для получения диагностически ценной информации о работе проводящей системы сердца и мозга. Поэтому практическое применение высокотемпературных СКВИДмагнитометров в медицине представлялось очень проблематичным, пока не были изготовлены высокотемпературные СКВИД-датчики постоянного тока с предельной разрешающей способностью 15 фТл/Гц1/2 [16] (Исследовательский центр в г. Юлихе, Германия) вместо типичных 100 фТл/Гц1/2 [18], [19].

Данная модель ВТСП-СКВИД-датчиков была доработана авторами [16] до уровня коммерческих образцов, пригодных для использования в реальных измерительных системах, и получила условное обозначение "HTM-8". Такие высокотемпературные СКВИДы уже могут быть использованы в биомагнитных измерениях, так как их разрешающая способность по индукции магнитного поля сравнима с разрешающей способностью низкотемпературных датчиков.

Второй проблемой, которую необходимо преодолеть на пути практического применения таких СКВИД-датчиков в неэкранированном пространстве, является то, что до настоящего времени на ВТСП-материалах не удается реализовать конфигурацию приемных трансформаторов магнитного потока в форме градиометров второго порядка. Возможными решениеми данной задачи является либо построения на базе трех ВТСП-СКВИД-магнитометров электронного градиентометра первого порядка с референтным СКВИДом [20], либо электронного градиентометра второго порядка [21].

В свою очередь, использование магнитометров с высокой чувствительностью по индукции магнитного поля в условиях высокой плотности индустриальных помех требует внесения существенных изменений в стандартную модуляционную СКВИД-электронику для того, чтобы магнитометры с ВТСП-СКВИД-датчиками типа HTM-8 могли стабильно работать в неэкранированном пространстве. Поэтому необходимо разработать новый вариант модуляционной СКВИД-электроники, адаптированной для работы с такими высокочувствительными СКВИД-датчиками без дополнительной магнитной экранировки.

Цель работы Целью данной работы были разработка и создание градиентометра на базе трех ВТСП СКВИДов для измерения слабых магнитных сигналов в неэкранированном пространстве. Так же ставилась задача исследования собственной чувствительности градиентометра.

Задачи работы При выполнении работы ставились следующие задачи.

1. Адаптация модуляционной СКВИД-электроники для работы с ВТСП СКВИД-датчиком типа HTM-8 в открытом пространстве.

2. Создание измерительной вставки с тремя ВТСП СКВИД-датчиками в азотный криостат с прецизионной системой механической балансировки.

3. Создание системы электронного градиентометра.

4. Проведение измерения собственной чувствительности градиентометра.

Измерение магнитного поля от дипольного источника магнитного сигнала.

Научно-практическая ценность диссертации Полученные в данной диссертации результаты крайне важны с точки зрения развития технической базы экспериментальной физики, биологии и методов диагностики в медицине.

Научная ценность данных результатов состоит в демонстрации реальной возможности использования ВТСП СКВИДов в высокочувствительной магнитометрии в неэкранированном пространстве.

Практическая ценность результатов состоит, прежде всего, в том, что использование ВТСП СКВИДов в магнитометрии на порядок снижает стоимость обслуживания магнитометра за счет использования более дешевого хладоагента - жидкого азота. Кроме того, использование ВТСП СКВИДов с криокулерами гораздо легче, удобнее и дешевле в сравнении с НТСП СКВИДами. Так же можно с уверенностью сказать, что возможность использования ВТСП материалов в магнитных измерениях сильно увеличивает мобильность самих диагностических комплексов. Таким образом, открывается новая ниша крайне мобильных магнитометрических систем, которые могут быть интересны не только в экспериментальной физике и медицине, но и в методах неразрушающего контроля материалов.

Апробация работы Результаты 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 двух статьях в научных реферируемых журналах [A1],[A3] рекомендованных ВАК, а также в 3 тезисах докладов конференций [A2],[A4],[A6]. По результатам работы получен патент РФ [A7].

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 107 страниц, включая 44 рисунка.

Список литературы состоит из 70 наименований.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, поставлены цели работы, сформулированы задачи, а также перечислены основные результаты, представляемые на защиту. Кроме того, дано краткое описание содержания глав.

В обзоре литературы дан обзор теории, касающейся темы диссертации.

В главе 1 описана работа СКВИД-магнитометров с модуляционной СКВИД-электроникой. Подробно рассмотрены возникающие преимущества при использовании ВТСП СКВИД-магнитометров нового типа по отношению к стандартным ВТСП СКВИД-магнитометрам. Основные характеристики используемых в работе датчиков приведены с следующей таблице:

Параметр Значение Размах сигнальной характеристики 50 мкВ VSQUID Наклон 150 мкВ/ B Величина 2.8 нТ/ Чувствительность по магнитному полю 50 фТл/Гц1/Собственный шум 18 мк0/Гц1/Эффективная площадь 0.7 ммКоэффициент связи катушки обратной связи 2.5 мкА/В разделе 1.1 рассмотрен принцип работы модуляционной СКВИДэлектроники. Несмотря на то, что модуляционная схема СКВИД-электроники была впервые предложена в 1976 г. [22], она до сих пор остается более широко используемой, чем появившаяся позднее схема с прямым усилением [23]. Основным преимуществом модуляционной схемы является возможность применения согласующего трансформатора перед первым каскадом усиления в электронике, что полезно по двум причинам (см. рис. 2). Во-первых, это увеличивает выходной импеданс СКВИДа в k2 раз, (k - коэффициент трансформации трансформатора), что переводит полевой транзистор в Рис. 2: Функциональная блок-схема нового варианта модуляционной СКВИД-электроники.

первом каскаде усиления в более благоприятный режим его работы с сопротивлением порядка 1 кОм на входе. Во-вторых, сам трансформатор усиливает сигнал в k раз, выступая в качестве малошумящего усилителя.

Важным преимуществом модуляционной схемы является исключение из выходного сигнала низкочастотных шумов усилителей типа 1/f.

В разделе 1.2 подробно описан реализованный в данной работе вариант модуляционной СКВИД-электроники. На Рис. 2 функциональная блок-схема устройства. Первый каскад усиления в СКВИД-электронике всегда играет самую важную усилительную роль, так как именно им определяется входной шум электроники. В нашей электронике он выполнен на базе n-канального полевого транзистора (n-Channel JFET) 2SK369. Основные характеристики разработанной СКВИД-электроники приведены в ниже:

Параметр Значение Полоса пропускания от 20 кГц до 500 кГц Скорость нарастания сигнала 250 к0/c Динамический диапазон 150 дБ Шум входного усилителя < 1 нВ/Гц1/Линейный коэффициент усиления Потребляемая мощность 5 Вт Физический размер 110 мм х 60 мм х 15 мм В разделе 1.3 написано про систему переменного тока смещения, включенную в созданную СКВИД-электронику. Известно, что критические токи IC и нормальные сопротивления в резистивном состоянии RN джозефсоновских переходов, из которых состоят СКВИДы, подвержены низкочастотным флуктуациям. Однако в случае низкотемпературных СКВИДов с туннельными джозефсоновскими переходами эти флуктуации настолько малы, что почти не влияют на низкочастотный шум СКВИДа [24]. В случае же высотемпературных СКВИДов флуктуации критического тока и нормального сопротивления являются доминирующим источником дополнительного низкочастотного шума [25]. Именно для борьбы с дополнительным низкочастотным шумом джозефсоновских переходов предложены схемы с переменным током смещения СКВИДа [23]. Сигнал переменного тока смещения в разработанной электронике формируется с помощью ПЛИС-матрицы и имеет прямоугольную форму, как и сигнал модуляции.

В разделе 1.4 описана работа СКВИД-электроники с ВТСП СКВИДмагнитометром типа HTM-8 в неэкранированном пространстве. Для работы в неэкранированном пространстве в условиях индустриального города с датчиками магнитного поля типа HTM-8 величина коэффициента обратной связи была настроена на значение 8 мВ/0 (коэффициентом обратной связи называют величину напряжения на выходе интегратора схемы, задающего через резистор обратной связи ток в катушку модуляции, формирующий магнитный поток в СКВИДе, равный одному кванту 0). При такой сильной глубине обратной связи СКВИД-магнитометр, состоящий из СКВИДа Рис. 3: Магнитный фон в индустриальном городе и в полевых условиях.

типа HTM-8 и исследуемой электроники, стабильно работал на протяжении нескольких часов в условиях лаборатории, которая находится в центре Москвы. Спектр внешнего магнитного поля был зарегистрирован с помощью спектроанализатора модели SR785 фирмы Stanford Research Instruments (см.

Рис.3).

В главе 2 приведено описание измерительной вставки с тремя ВТСП СКВИД-датчиками. Для расположения СКВИД-датчиков типа HTM-8 в азотном криостате была разработана и изготовлена специальная вставка из пластикового материала, имеющего очень низкий коэффициент температурного расширения. Каждый СКВИД располагается в измерительной вставке как показано на Рис. 4 (а).

При конструировании аксиального "электронного"градиометра СКВИДдатчики были размещены в измерительном зонде на одной вертикальной оси так, чтобы обеспечить максимальную параллельность приемных трансформаторов потока СКВИД-датчиков. Расстояние между датчиками Рис. 4: а) Схема расположения 3-х ВТСП СКВИД-магнитометров в измерительном стержне с механической системой балансировки, б) Схема приемного трансформатора потока в форме аксиального градиентометра второго порядка из ниобиевой проволоки для низкотемпературных СКВИДов.

фактически, являющееся так называемой базой градиометра, равно 50 мм.

Таким образом конструкция из трех ВТСП СКВИД-магнитометров является аналогом градиентометрической приемной петли в случае использования НТСП материалов (Рис. 4 (б)). Диаметр самого измерительного стержня равен 40 мм.

В главе 3 рассмотрена реализация электронной системы градиентометра с подробным анализом необходимых требований, предъявленных к магнитометрической системе в целом.

В разделе 3.1 подробно затронуты методы борьбы с внешними шумами.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»