Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 1 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001274-5
Скачать (прямая ссылка):
определяются характеристиками контакта, в особенности точным видом соотношения между током через слабое звено и разностью фаз волновых функций куперовских пар по разные стороны слабого звена. Существует, однако, простая качественная модель такого процесса, хорошо описывающая большинство наблюдаемых при этом явлений (Silver, Zimmerman, 1967). В этой модели предполагается, что сквид полностью «самоэкранирован», пока ток через слабое звено не превосходит критического значения. Когда же ток становится больше критического по абсолютной величине, квант потока либо проникает в кольцо, либо выходит из него в зависимости от того, увеличивается или уменьшается внешнее магнитное поле. Проникновение или выход кванта потока сопровождается возбуждением импульсов напряжения в контуре, связанном со сквидом. Фаза всех этих событий (достижение током критического значения, вход или выход кванта потока, возникновение импульсов напряжения в контуре) по отношению к фазе поля накачки определяется величиной постоянной составляющей Ф магнитного потока, пронизывающего кольцо сквида (рис. 4.8). Амплитуда высокочастотного напряжения на контуре также оказывается связанной с этой составляющей магнитного потока зависимостью
Vm ос cos (2яФ/Ф0). (19)
Это похоже на ситуацию в феррозондовом магнитометре-приборе, хорошо знакомом многим геофизикам.
Таким образом, регистрируя амплитуду высокочастотного напряжения на контуре, связанном со сквидом, можно измерять магнитный поток в кольце датчика. При реализации такой схемы измерений
А
Рис. 4.8. Измерение поля с помощью сквида. А. Зависимость тока в петле сквида от поля накачки В при разных уровнях квазистатического внешнего поля, Б. Временные диаграммы физических процессов в сквиде. Сплошные линии - внешнее поле равно нулю, пунктирные-поток внешнего поля равен 0,2Фо.
возникают две проблемы. Первая состоит в том, что часто встречающуюся задачу наблюдения за сравнительно низкочастотными сигналами (обычно < 1 кГц) трудно решить, обрабатывая такие сигналы непосредственно, из-за сильного влияния всевозможных дрейфов на низкочастотную электронику. Вторая проблема связана с нелинейностью зависимости выходного напряжения датчика от величины измеряемого потока. Это обстоятельство сильно затрудняет проведение точных измерений с большим динамическим диапазоном из-за того, что чувствительность к
потоку изменяется периодически, достигая максимума при
(20)
Для решения первой проблемы вводят дополнительную низкочастотную модуляцию потока в кольце сквида (обычно с частотой около 50 кГц) и измеряют амплитуду Ет соответствующей частотной составляющей напряжения на контуре датчика. Для значений магнитного потока, меньших Ф0, Ет в первом приближении пропорциональна производной функции Кт(Ф). Т.е. в соответствии с формулой (19)
Следовательно, Ет также представляет собой периодическую функцию измеряемого потока Ф и может служить его мерой. В то же время величина Ет, являясь амплитудой сигнала сравнительно высокой частоты, менее подвержена влиянию температурных и других возмущений. На частоте дополнительной модуляции легко осуществить также синхронное детектирование, которое может сильно увеличить отношение сигнал/шум.
Вторая проблема, связанная с нелинейностью зависимости выходного напряжения сквида от магнитного потока Ф, может быть решена введением отрицательной обратной связи с использованием сквида в качестве нуль-детектора для удержания магнитометра в рабочей точке, соответствующей максимальной чувствительности. Блок-схема подобного устройства приведена на рис. 4.7. В такой системе изменение потока в кольце сквида приводит к возникновению в цепи обратной связи тока, который, протекая через катушку накачки, компенсирует вызвавшее его изменение потока.
Чтобы увеличить динамический диапазон магнитометра, нужно несколько модифицировать цепь обратной связи. Часто предусматривают ряд диапазонов чувствительности, для которых полная шкала выходного индикатора соответствует потоку, равному 1, 10 и 100 Ф0. В диапазоне 1Ф0 чувствительность прибора определяется разрешением, с которым может быть измерен ток в цепи обратной связи. Эта чувствительность обычно превосходит величину 10~3Фо. Как правило, в электронную схему прибора вводят устройство, которое производит процедуру установки на нуль тока в цепи обратной связи, когда поток достигает величины, максимальной для данного диапазона чувствительности, например 1, 10 или 100 Ф0. В результате на сквид подается полный поток с измерительной катушки, достаточный для того, чтобы индуцировать в кольце ток, больший критического, и вызвать проникновение кванта потока в кольцо при росте потока. На начальном этапе конструирования сквид-магнитометров большое значение придавали стабильности описанной процедуры, и для ее обеспечения схему установки на нуль делали относительно медленной (постоянная времени-порядка нескольких миллисекунд). В настоящее время благодаря
