Биомагнитные измерения - Кнеппо П.
ISBN 5-283-00557-7
Скачать (прямая ссылка):
в городской лаборатории;
(r) ? W ^ 1~И 4 - сквид-магнитометр с
градиомет-
ром второго порядка (диаметр катушек 2,9 см, база 5 см, возможна
балансировка по градиенту) в пригородной лаборатории; 5 - сквид-
магнитометр с градиометром второго порядка (диаметр катушек 4,8 см,
база 12 см) вдали от источников магнитных помех; 6 - сквид-
магнитометр с градиометром первого порядка в пригородной
лаборатории (во
время работы местной радиостанции и когда она не работает); 7 - простой
сквид-магнитометр (диаметр катушки 2,8 см) в камере с магнитной
экранировкой Массачусетского технологического института, где
чувствительность измерения ограничивалась собственным шумом датчика; 8-
простой сквид-магнитометр (диаметр катушки 5 см) в камере с магнитной
экранировкой в Западном Берлине, где чувствительность измерений
ограничивалась внешними магнитными помехами; 9 - сквид-магнитометр с
градиометром второго порядка (диаметр катушек 2,7 см, база 4,5 см) в
неэкранированной лаборатории ''Биомаг" в Братиславе
пературах ниже критической (несколько градусов по термодинамической
шкале). Поэтому пока не утратили своего значения магнитометры других
типов. В некоторых случаях их успешно применяют для измерения магнитных
полей биологических объектов [25,47,106,159 и др.]. Сравнение спектров
шумов магнитометров разных типов представлено на рис. 1.2.
Принцип действия сквид-магнитометра. Сквид-магнитометр был впервые
применен для измерения биомагнитного поля Коэном с соавторами в 1970 г.
[84], а в настоящее время приборы этого типа используются подавляющим
большинством исследователей, работающих в области биомагнетизма. Теория
магнитометрических приборов, основанных на эффектах Джозефсона,
разработана довольно подробно и изложена в многочисленных книгах и
статьях [9, 12, 15, 21, 26-28, 33, 36, 39, 53, 70, 72, 118, 119, 165,
179, 182, 192, 205, 207, 208, 210 и др.]. Сведения о сквид-магнитометрах,
используемых для биомагнитных измерений в СССР, можно найти в [7, 9].
Ниже будет дано лишь самое общее представление о принципе действия,
конструкции и условиях эксплуатации сквид-магнитометров.
18
Электронные устройства при комнатной температуре
С осу В с жидким гелием
Рис. 1.3. Структурная схема сквид-магнитометра [159, с. 123]
Основными частями сквид-магнитометра являются: измерительная катушка (или
система катушек), сквид-датчик и электронная схема управления (рис. 1.3).
Главный элемент сквид-датчика - это сверх-проводниковый квантовый
интерферометр, или сквид, чувствительный к магнитному потоку. Сквид
представляет собой кольцеобразную структуру из сверхпроводящего материала
(например, из ниобия) с одним или двумя так называемыми слабыми звеньями,
или слабыми связями (джозефсоновскими контактами),. Кольцо с одним
контактом возбужается высокочастотным сигналом, поэтому соответствующий
датчик называется высокочастотным сквид-датчиком. Кольцо с двумя
контактами возбуждается постоянным током, и соответствующий датчик
называется сквид-датчиком постоянного тока. Известны различные
топологические модификации сквидов, причем физические свойства слабой
связи могут различаться в зависимости от технологии ее изготовления.
Наиболее известны слабые связи типа точечного контакта, туннельного
перехода и мостика. На рис. 1.4 показаны некоторые практические
конструкции сквидов. На высокочастотном сквиде непосредственно
устанавливают сверхпроводящую входную катушку и высокочастотную катушку
колебательного контура управляющей электронной схемы. Применяются и более
сложные конструкции сквидов, в том числе многопетлевые, с катушками
различных форм и тд.
Для намотки измерительной катушки, или антенны, применяют проволоку из
сверхпроводника. Во многих случаях измерительная катушка имеет сложную
структуру - состоит из нескольких определенным образом соединенных
катушек, что обеспечивает подавление (компенсацию) магнитных помех от
удаленных источников. Такие системы катушек, называемые
градиометрическими, будут рассмотрены ниже. Входная катушка также
является сверхпроводящей и вместе с измерительной катушкой создает
замкнутую сверхпроводящую цепь - трансформатор магнитного потока, который
преобразует изменения измеряемого магнитного потока в пропорциональные им
изменения магнитного потока, создаваемого входной катушкой.
19
а)
Рис. 1.4. Некоторые типы сквидов [39; 72, с. 69]:
а - цилиндрический тонкопленочный высокочастотный сквид (1 - входная
катушка, 2 - слабая связь типа мостика, 3 - высокочастотная катушка, 4 -
диэлектрический каркас, 5 - тонкая сверхпроводящая пленка); 6 -
двухдырочный высокочастотный сквид (6 - ниобиевый корпус, 7 -
высокочастотная катушка, 8 - винт с заостренным концом, 9 - слабая связь
типа точечного контакта, 10 - входная катушка); в - тороидальный
высокочастотный сквид (11 - входная катушка, 12 - высокочастотная
катушка, 13 - ниобиевый корпус, 14 - винт с заостренным концом, 15 -
слабая связь типа точечного контакта); г - сквид постоянного тока (16 -
