UA16882U - Superconducting magnetic-field gradient meter - Google Patents

Description

Опис винаходу

Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме до магнітометрії, призначеної для реєстрації надслабких низькочастотних магнітних полів на фоні зовнішніх магнітних перешкод значно більшої амплітуди.

Більш конкретно, корисна модель відноситься до конструкції надпровідникового градієнтометра, а також способу, що забезпечує балансування градієнтометра.

Найбільш складною є проблема заглушення промислових перешкод, що лежать у смузі МКГ сигналу.

Головним методом вирішення цієї проблеми є просторова селекція магнітних полів перешкод, генерованих 710 віддаленими джерелами, тобто використання так званих надпровідникових градієнтометрів. Відомий градієнтометр реєструє просторову похідну магнітного поля і включає циліндричний корпус, приймальну та дві компенсаційні котушки, намотані на циліндричний корпус, 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 12 лінійного розширення, регулюючий пристрій для механічного балансування градієнтометра |див. У. Мгра,

ЗОШІО-дгадіоте(еге іп геаі! епмігоптепів, іп 5ОШІЮ-вепвоге: Еипдатенпіа!в, Рабгісайоп апа Арріїсайопев, Н.

МУеїіпзіосК, Едз, Оосадгеспї: Кішмег Асадетіс Рибіїзпегв, 1996, Р.117-178).

Внаслідок того, що витки градієнтометра відрізняються один від одного, іншими словами - вони не є точно ідеальними і паралельними, після виготовлення градієнтометр завжди має малий залишковий сигнал, породжений однорідним магнітним полем, так званий початковий технологічний механічний небаланс. Типові величини небалансу рівні 107, тобто одна тисячна частина однорідного поля проходить на вхід СКВІДа, а решта заглушується.

Для біомагнітних вимірювань суттєвим є те, щоб ступінь небалансу не перевищувала 107. Такий ступінь не ов Можна забезпечити тільки виготовленням. З іншого боку, не можна очікувати, що ЕПП забезпечить покращення балансу більш ніж на два порядки величини. Тому для покращення початкового технологічного балансу потрібне - механічне балансування градієнтометра на два-три порядки величини. Взагалі, всі вищевказані шляхи можна розглядати і використовувати незалежно один від одного, бо ні один із них не в змозі забезпечити необхідну ступінь балансу. сч

Відома схема балансування, яка була розроблена в Національному Бюро Стандартів в США (проект

Мо2750482, звіт Мо10,736 від 31.03.1972 "ОНгавзепзйіме зирегсопдисіїпд тадпеїййс дгадіотейе", 7іттепап та інші). Ця схема грунтувалася на рухомих надпровідникових пластинках та дисках для досягнення поперечного та со поздовжнього (аксіального) балансу. Однак така схема мала два недоліки: налагодження було дуже нелінійне а також існував взаємний вплив між різними пластинками. (Се)

Інший підхід, описаний в патентах ОБ 3 965 411 (22.06.1976) та 5 З 956 690 (11.05.1976), використовував «- в якості трімінгових елементів взаємно перпендикулярні надпровідникові котушки, які були зв'язані з сенсором магнітного потоку. Трім-кільця були намотані на циліндрі в градієнтометричній конфігурації, а рухомий надпровідниковий магнітний екран забезпечував зміну зв'язку між відповідними трім-кільцями та магнітним полем. Недолік такої схеми полягає в тому, що трім-кільця повинні бути точно намотані на циліндрі, що « 20 підвищує ціну приладу. Але головний недолік цього підходу є перерозподіл індуктивності вимірювального -о градієнтометра між власною індуктивністю градієнтометра та індуктивностями тріммінгових елементів. В с результаті при введенні трім-кілець чутливість СКВІД-сенсора до вимірюваного сигналу погіршувалася. :з» В інших попередніх методах для балансування градієнтометра, заснованих на взаємно ортогональних надпровідникових елементах, використано зміну ефективних площ витків градієнтометра. Наприклад, 415 надпровідні диски було використано в патентах 05 З 976 938 (24.08.76) і 05 4 320 341 (16.03.82). Аналогічно з - цією метою також було використано надпровідні пластинки Інаприклад - 9. А. Омепгмед, М. 9. М/аКег-Рей(егв, Те дезідп ої а зузвіет ої адіивіабіе зирегсопаисіїпу ріагез Тог раіапсіпд а дгадіотейсег, Стуодепісв, 1978, Р.529-534). (о) Суттєвим недоліком вказаних методів є погіршення симетрії градієнтометра при внесенні налагоджувальних со елементів. Пристрій для балансування, що використовує для досягнення балансу трім-диски в поєднанні з можливістю змінювати відстань між вимірювальними витками описано в патенті 05 4 523 147 (11.06.85). (о) Недоліком цього підходу є більш складна і точна конструкція градієнтометра, отже - суттєво більша ціна приладу.

Кз В патенті О5 З 976 9383 було запропоновано схему, що складається з двох етапів. На 1-му етапі проводиться грубе балансування. Потім градієнтометр зі СКВІД-сенсором виймається з кріостату, а диски механічно закріплюються (фіксуються) в своїх положеннях. Далі, для точного балансування градієнтометр знову вв занурюється у рідкий гелій. Але такі методи, що вимагають виймання та повторні занурення градієнтометра в рідкий гелій (так зване термоциклювання) потребують багато часу, відносно неточні (бо при термоциклюванні с відбувається зміна лінійних розмірів деталей), а тому - не задовільні.

В патенті ММО 0227332 ІА. Вакнагем, Сагаютад Ітадіпо, О5А, "Нідп Браїіапсе адгадіотейег", 4.04.20021, який взято за прототип, описано градієнтометр з високим ступенем балансу. У ньому використовується скло Ругех як во матеріал для виготовлення корпусу та кріплення намотаних витків з надпровідного дроту за допомогою ціаноакрилового (суапоасгуіаїе) клею. Досягнутий механічний баланс надалі покращується електронним балансуванням за допомогою використання сигналу З-компонентного референтного магнітометра, що реєструє тільки перешкоди. Недоліком цього способу є те, що початковий баланс сильно залежить від точності намотування витків дроту та їх укладання в спіральні канавки, які дають суттєве погіршення балансу по ве поперечній компоненті. Крім того, тільки ЕПП без механічного балансу не в змозі забезпечити суттєве заглушення перешкод, необхідне для надійної та тривалої роботи СКВІД-магнітометра в неекранованих умовах клініки.

Технічною задачею корисної моделі є створення надпровідникового градієнтометра магнітного поля та способу його механічного балансування, що дозволяють збільшити ступінь балансу до 2-10 2, спростити його виготовлення та налагодження, а також зменшити вартість приладу.

Поставлена задача в надпровідниковому градієнтометрі магнітного поля, що містить 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 70 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 механічного балансування градієнтометра, досягається тим, що в ньому на зовнішній поверхні циліндричного корпусу виконано кільцеві проточки, площини яких перпендикулярні поздовжній осі циліндричного корпусу, причому витки приймальної та компенсаційних котушок розміщено в кільцевих проточках, а витки 75 середньої котушки розміщені на відстані, не менше, ніж половина їх радіусу, при цьому регулюючий пристрій виконано з балансуючим елементом у вигляді короткозамкнутого надпровідникового кільця, розміщеного всередині циліндричного корпусу, і виконано з приводом переміщення вздовж поздовжньої осі циліндричного корпусу. Окрім того, в регулюючім пристрої коротко-замкнуте надпровідникове кільце балансуючого елементу виконане охоплюючим циліндричний корпус і розміщене між компенсаційними котушками. В способі механічного балансування надпровідникового градієнтометра магнітного поля, який включає переміщення в магнітному полі балансуючого елементу, поставлена задача досягається тим, що в початку балансування балансуючий елемент розміщують посередині між компенсаційними котушками, а балансування надпровідникового градієнтометра магнітного поля здійснюють переміщенням балансуючого елементу вздовж осі циліндричного корпусу в межах відстані між компенсаційними котушками.

Технічний результат досягається за рахунок використання одного надпровідного кільця, що рухається вздовж осі градієнтометра. Одне трім кільце створює передумови для спрощення конструкції регулюючого пристрою для З механічного балансування градієнтометра, підвищення ступеня балансу, та для можливості проводити балансування з урахуванням навколишнього шуму іп зйи, тобто безпосередньо в клініці.

На Фіг.1 зображено загальний вигляд надпровідникового градієнтометра магнітного поля; на Фіг.2 - Ге регулюючій пристрій для механічного балансування градієнтометра; на Фіг.3 - схема взаємного розташування короткозамкнутого кільця та аксіального градієнтометра 2-го порядку, зв'язаного зі СКВІДом; на Фіг.4 - спектр со вихідного шуму СКВІД-магнітометра без балансування; на Фіг.3 - спектр вихідного шуму СКВІД-магнітометра ее) після електронного заглушення перешкод (електронного балансу); на Фігб - спектр вихідного шуму

СКВІД-магнітометра після механічного балансування; на Фіг.7 - Спектр вихідного шуму СКВІД-магнітометра після о механічного та електронного балансування (ЕПП). «-

Конструкція надпровідного градієнтометра з високим ступенем балансу, що використовується як вхідна антена СКВІД-магнітометра для вимірювання магнітних сигналів серця в неекранованих умовах, показана на

Фіг.1. Вказаний пристрій являє собою аксіальний градієнтометр 2-го порядку, призначений для реєстрації 2-ї « просторової похідної вертикальної (аксіальної) компоненти поля. При цьому відбувається просторова селекція 70 сигналів магнітного поля, а саме - для джерел, розміщених на відстані г, близькій до величини бази, 8 с послаблення корисного сигналу в нижньому витці антени незначне. В той же час сигнали віддалених джерел а ослабляються пропорційно 1//7. Однак таке співвідношення вірне тільки для градієнтометра з високим ступенем ,» балансу, яка досягається вирівнюванням ефективних площ котушок градієнтометра за допомогою механічного балансування.

Конструктивно градієнтометр складається з кругових котушок 1, 2 и З з радіусом 11мм та відстанню між - котушками (база градієнтометра 6), рівною бомм. Нижня котушка З є приймальною котушкою, призначеною для б реєстрації корисного сигналу, наприклад, від серця людини. Середня 2 та верхня З котушки є компенсаційними, що компенсують сигнали від віддалених джерел магнітних перешкод. Верхня 1 і нижня З котушки мають по (ее) одному витку, намотаних, наприклад, по часовій стрілці, а середня 2 - два витка, намотаних проти часової со 50 стрілки, - в такий спосіб утворюється градієнтометр 2-го порядку, що реєструє другу просторову похідну (градієнт) магнітного поля, направленого вздовж його осі. що) Середня компенсаційна котушка 2 є двовитковою та розміщена посередині корпусу 4, приймальна З котушка та друга компенсаційна котушка 1 є одновитковими, розміщені на протилежних кінцях корпусу 4, а саме: приймальна 3 - внизу, а друга компенсаційна 1 - зверху. Всі котушки намотані цільним відрізком надпровідного дроту з ніобію, та з'єднані за допомогою прямого і зворотного відрізків дроту, скручених та вкладених у вертикальну канавку (Фіг.3). с Корпус 4 має циліндричну форму і виготовлений з немагнітного матеріалу (графіту) з коефіцієнтом лінійного розширення, рівним такому у ніобія (матеріал проволоки). Витки котушок 1, 2 и З вміщені в кільцеві проточки глибиною 0,2мм, розташовані в поперечній площині. Корисний сигнал вводиться в СКВІД 5 за допомогою 60о сигнальної котушки 3, яка разом із градієнтометром утворює трансформатор магнітного потоку.

Досягнення високого ступеня балансу такого типу градієнтометрів обмежено 2-ма факторами: 1) спіральною формою проточок та 2) магнітним зв'язком між витками середньої котушки 2. Причина в тому, що проточки в циліндричному корпусі 4 градієнтометра спіральної форми розташовані в площині, нахиленій до його осі, отже не є точно перпендикулярні до осі. В результаті в антену буде проникати паразитне магнітне поле, яке створить 65 суттєвий небаланс по поперечній компоненті поля. Наявність магнітного зв'язку між витками середньої котушки 2 приводить до збільшення її сумарної індуктивності. Тому, щоб досягти високого технологічного балансу,

градієнтометр в даній реалізації має такі відмінності: 1) проточки мають кільцеву форму, 2) відстань між витками середньої котушки дорівнює 5мм. В результаті конструкція забезпечує початковий (технологічний) небаланс по аксіальній компоненті поля в діапазоні 4-8-107 і поперечній 2-4-1071,

Регулюючій пристрій для механічного балансування градієнтометра (Фіг.2) складається з одного короткозамкнутого трім-кільця 6 змонтованого на немагнітному тримачі. Вказаний тримач забезпечує стабільну фіксацію трім-кільця в поперечній площині, сформован циліндричним каркасом 7, тягою 8 та повзуном 9. Кільце 6 намотане і приклеєне до немагнітного каркасу 7, який зв'язаний з повзуном 9 через тягу 8. Повзун 9 кріпиться на силовому гвинті 10 з точною різьбою і переміщується всередині градієнтометра в аксіальному напрямі за 70 рахунок обертання гвинта 10.

У даній корисній моделі силовий гвинт 10 є основною частиною приводу переміщення, що забезпечує плавний рух каркасу 7 та трім-кільця 6 в аксіальному напрямі. На Фіг.2 схематично показує конструкцію приводу переміщення, що складається з гвинта 10, вставленого в отвір різьбової муфти 11. Ця муфта 11 вставлена в отвір корпусу зонду 12, а гвинт 10 - рухається в ній. Між гвинтом 10 та кришкою кріостату встановлено 75 силіконове ущільнення 13. Обертання гвинта 10 приводить до руху вздовж осі вверх і вниз повзуна 9, вісі тяги 5 і трім-кільця 6. Швидкість руху визначається кроком різьби, і в даній реалізації становить 5 оборотів на 1 мм.

В даній реалізації для заглушення зовнішніх перешкод пропонується простий спосіб з використанням трім-кільця 6. Цей спосіб грунтується на зміні ефективної індуктивності котушок градієнтометра внаслідок взаємного. магнітного зв'язку між трім-кільцем б та верхньою 1 і середньою 2 котушкою градієнтометра.

Ефективність пропонованого методу забезпечується тим, що трім-кільце б вносить в антену позитивний небаланс, який приблизно рівний по величині, але протилежний по знаку технологічному небалансу. При переміщенні трім-кільця вниз ефективна індуктивність верхньої котушки 71 збільшується, а нижньої З - зменшується так, що в антену вноситься додатковий позитивний небаланс, і таким чином, початковий технологічний баланс компенсується.

Тому в даній корисній моделі для заглушення зовнішніх перешкод, спочатку трім-кільце 6 зміщується вниз до тих пір, поки вихідний сигнал СКВІД-магнітометра 5 не досягне мінімуму. Якщо цього не станеться, кільце 6 З зміщується вниз до тих пір, поки вказаний сигнал не досягне мінімуму. Мінімум сигналу відповідає найкращому балансу градієнтометра. Коли балансування завершено, трім-кільце б надійно фіксується за допомогою фіксуючого лаку (позиція 14, Фіг.2), що наноситься між гвинтом 10 та муфтою 11. Може бути використанолакКей с Татрег Емідепі Зеаі (ЕГЕСТКОГОВЕ Є Адмуівіоп оїН.К., ММепіжогпій Гітйеа, Віаке Ноизе, УУагогаме, ВегкепПіге,

Епадіапа). со

У пропонованій реалізації балансування антени виконується одним надпровідниковим короткозамкнутим ее) трім-кільцем б. Трім-кільце б виготовлене з тонкого дроту діаметром 50 мікрон, з якої виготовлено і градієнтометр, яке не спотворює магнітний потік всередині градієнтометра. Вказане кільце 6 при виготовленні о розміщується еквідистантно між верхньою та середньою котушками в площині витків. Для уникнення фазових «- спотворень, кільце б виготовлено з того ж матеріалу, з якого виготовлено і градієнтометр, тобто ніобія.

Для розуміння розглянемо короткозамкнуте надпровідне кільце в зовнішньому магнітному полі. Під дією ефекту квантування магнітного потоку у ньому наводиться екрануючий струм, що прагне компенсувати внесений « магнітний потік. При внесенні кільця між котушками градієнтометра за рахунок магнітного зв'язку відбувається 70 взаємне екранування струмів. Еквівалентна схема приведена на Фіг.З і описується системою лінійних рівнянь - с відносно струмів екранування в балансувальному кільці / і антені Ід . а П-Ф-ІАМА:О, Мд-М1-М-Мо, (У

І тІА-ФА-ІМА-О, ІТ дв, дер РІ ро, (2)

МАК в)!2, Мі2к(Це112, Мо ро) 172, (3) - б | Тут Фі ФА - магнітні потоки перешкоди, що проникають у кільце і антену; ів, Інні І р2 - відповідно, індуктивності нижньої 3, одного витка середньої 2 і верхньої 1 котушок; І, І д і ІЇ т - індуктивності кільця, антени (ее) і трансформатора потоку, утвореного антеною і вхідною (сигнальною) котушкою 15 СКВіДа 5 І 5. Під МА бо 50 позначена сумарна взаємоіндукція антени з кільцем, що складається із взаємоіндукції приймальної котушки М і взаємоіндукції середньої М. і верхньої Мо компенсаційних котушок градієнтометра. Як видно з (1), ці величини що) мають різні знаки згідно напрямку намотування котушок у градієнтометрі 2-го порядку. Величини К, К 4, Ко У (3) - коефіцієнти взаємоіндукції між відповідною котушкою градієнтометра і кільцем. У виразах (2, 3) множник 2 враховує, що середня котушка має два витки.

У системі (1, 2) антена при взаємодії з кільцем розглядається як єдине ціле, тобто не приймається до с уваги взаємоіндукція між котушками самої антени. Це наближення справедливе для градієнтометра з досить високим початковим балансом біля А-10 7. Тоді, при однакових діаметрах кільця і котушок, магнітний потік в градієнтометрі дорівнює 60 ФА-АФ (4) тобто занадто малий у порівнянні з потоком у кільці Фд«Ф, а отже - малі і екрануючі струми в антені (у порівнянні з екрануючими струмами у кільці ). Тому взаємодією між котушками при високому технологічному балансі можна не враховувати. 65 Із системи (1, 2) випливає, що через магнітну взаємодію струми взаємно екрануються, що приводить до зменшення індуктивностей як антени, так і кільця. Подібне зменшення індуктивностей має місце і між вхідною котушкою й індуктивністю СКВІДа і називається взаємним динамічним впливом (див. М. Виапук апа І. Моуїомуси,

Іприї ЗБОШІО-тадпейтесег сігсийв: тасніпуд апа оріїтілайоп, доцгп. де РНузідце ІМ, Мої. 8, Рг.3, 1998, Р. 241-244; З'Я Ецг, Могкепор оп І ом Тетр. ЕІесігопісв (МОЇ ТЕ 3), Зап Міпіаю, Тивсапу, Маїу).

Розв'язок рівняння (1) у загальному випадку має вигляд

І-Ф-0, ФФМАЛ т)ФА, І -І-МАЛ т, (5)

Ф' - ефективний потік перешкоди у кільці з урахуванням впливу антени, І - ефективна індуктивність кільця. 70 Реально при розміщенні балансувального кільця між верхньою і середньою котушками градієнтометра варто врахувати, що взаємоіїндукцією між кільцем і нижньою котушкою можна знехтувати (К-0). Причина полягає в тому, що взаємоіїндукція визначається величиною магнітного поля витка, що змінюється як 1/К З де В - відстань від витка до котушки. Для нижньої котушки ця відстань складає біля К-(3/2)Ю, а для середньої і верхньої в початковому положенні - К.2-Б/2, де Б - база градієнтометра, тобто відстань до нижньої котушки /5 приблизно в З рази більше.

У цьому випадку одержимо наступні вирази для ефективних індуктивностей витка / і антени | д'

ЦІ Цко (Беоу?окціРУМ?2Л-т), (6)

ГСтесдт в, дя А- в, (7

Гена РІ) кора) 2, (8)

Як видно з (8), особливістю градієнтометра є те, що в результаті взаємодії з кільцем ефективна індуктивність середньої котушки зменшується, а індуктивність верхньої - навпаки, збільшується. З огляду на те, що в градієнтометрі всі витки ідентичні і мають індуктивність, рівну індуктивності приймальної котушки | роті р41тІ р, вирази (6-8) спрощуються -

Мд2-кА2 Пр, С -ЦИ-КА? рі, (9)

Сте-СеРКА, Кд-2К4-КЕКо, (10) с де Кд - сумарний коефіцієнт взаємоіндукції градієнтометра. Це дає можливість записати вирази для со індуктивностей кільця й антени в симетричному вигляді (ее)

ГЦИ-кА2ОЇ, САЗІд01-КА? ді, 1) (Се) стріт, д-р, (12) ьо де с, сд - безрозмірні параметри екранування (при даних припущеннях сА-1/4). Принципова можливість балансування полягає в тому, що при певному експериментальному підборі положення кільця, внесений ним магнітний потік Фвді може стати рівним по величині і протилежним по знаку паразитному потоку Фд, що « проникає у градієнтометр в результаті технологічного небалансу, спричиненого неточністю виготовлення антени.

Це добре видно, якщо з рівняння (1), що описує динаміку балансувального кільця знайти струм у кільці в) с ІЕ(ФНАМА)И., а потім підставити його в рівняння (2), що описує градієнтометр. У результаті одержимо "» рівняння антени при наявності кільця п (ви САЛА-Ф'А-О, ФА-ФАФВДІ, (13)

Фвді З(Мда/.Ф-Авді Ф, п4) - б де Ф'д - ефективний потік перешкоди в антені з урахуванням впливу трім-кільця, Ф вді - балансувальний потік, внесений в антену трім-кільцем. Останній зручно подати у вигляді, аналогічному (4), де А вд/-МА/І. - є (ее) ступінь небалансу, що вноситься в антену трім-кільцем. о 20 Умова балансу антени полягає в рівності нулю ефективного потоку в антені ще) Ф'АчО (15) і з урахуванням (4, 13, 14) має вигляд Фрвд) --Фад, що, враховуючи (4) дає

А--МА/.. (16)

Рівняння (16) є загальна умова балансу антени при використанні кільця, що пов'язує конструктивні параметри антени (технологічний небаланс а) і системи балансування (індуктивність кільця |) із во взаємоіндукцією між антеною і кільцем Ме, що є параметром, який підлягає регулюванню при балансуванні.

З урахуванням (1, 3) для взаємоіндукції антени і рівності індуктивностей витків градієнтометра (16) може бути зведене до вигляду

А--кд( РИ, (17) б5 й ' й й

Цю умову можна ще спростити, якщо зневажити магнітним зв'язком з нижньою котушкою і використати кільце такого ж діаметра як і витки антени, що забезпечить рівність їхніх індуктивностей (І -І р), тоді маємо

А--(2К1-Ко)-Ко-2Кк4 (18)

Рівняння балансу (18) означає, що кільце потрібно змістити так, щоб різниця коефіцієнтів взаємоіндукції дорівнювала технологічному небалансу.

При розміщенні кільця посередині між верхньою і середньою котушками на початку процедури балансування коефіцієнти взаємоіндукції дорівнюють деякій величині Код, тоді початкова умова балансу має вигляд

А--ко. (19)

При зміщенні кільця вгору відбувається посилення магнітного зв'язку з верхньою котушкою (збільшується

Ко2Ко) і ослаблення зв'язку із середньою котушкою (зменшується К ««Ко), У результаті відбувається зменшення індуктивності верхньої котушки та збільшення індуктивності середньої котушки. У певному положенні, коли 12 виконується умова Ко-2К, тоді Авді-КА-О, взаємний вплив трім-кільця та антени відсутній. При зсуві витка вниз, навпаки, відбувається ослаблення магнітного зв'язку з верхньою котушкою (зменшується К /о«Ко) і посилення зв'язку із середньою котушкою, в результаті сумарний коефіцієнт взаємоіндукції антена-кільце збільшується КА»Ко, що приводить до посилення небалансу, що вноситься трім-кільцем в антену.

Так як коефіцієнт взаємоіїндукції по визначенню є позитивна величина, умова (19) означає, що така процедура припускає наявність початкового негативного небалансу антени. Покажемо, що градієнтометр 2-го порядку при як завгодно точному механічному виготовленні завжди буде мати кінцевий негативний небаланс.

Такий небаланс визначається не технологією виготовлення, а має фізичні причини. Він обумовлений взаємоіїндукцією М.4-К44Їр між двома витками середньої котушки і негативний тому, що в результаті індуктивність середньої котушки завжди більше індуктивності двох витків І р4-21 (1 кК44/2).

Збільшення індуктивності означає збільшення потокозв'язку, що відповідає збільшенню еквівалентної площі 2 середньої котушки Зергр і внаслідок цього - потоку до величини

ФІ1-ЗЕЕЕН, ЗЕеєв-25(1 д/25), (20) с де Н - однорідне поле перешкоди, 5 - площа витка антени, а дл - збільшення ефективної площі, що со пропорційно К/4. Тоді при ідентичності витків антени потік перешкоди, обумовлений фізичним небалансом дорівнює г)

ФА-Ф-Ф1Фо-Д"М-АФ, А--Д/В. (21) і ч-

Якщо рівняння (19) виконується, це значить, що градієнтометр збалансовано уже в початковому положенні, тобто позитивний небаланс з боку трім-кільця Авду; «Ко дорівнює по величині і протилежний по знаку залишковому негативному небалансу антени А, обумовленому взаємоіїндукцією між витками середньої котушки. Для « досягнення умови балансу, тобто - с АхАвді 70, Авді -2К1-К2, (22) з необхідно зміщувати трім-кільце вниз, бо, як правило, технологічний небаланс перевищує (по величині) небаланс, який вноситься кільцем. Проте, ефективність балансування грунтується саме на тому, що в початковому положенні (посередині між котушками) позитивний небаланс трім-кільця Авді по порядку величини - дорівнює, а по знаку - протилежний залишковому негативному небалансу антени А.

Таким чином, запропонований спосіб балансування має ряд переваг перед відомими:

Ме 1. Балансування здійснюється тільки одним балансуючим елементом - короткозамкнутим кільцем. со 2. Відсутність паразитних спотворень горизонтальних компонент поля перешкоди внаслідок малих розмірів кільця, обумовлених малим діаметром дроту, що зменшує взаємний вплив між каналами. бо З. Сильна чутливість до поля перешкоди внаслідок великого діаметра трім-кільця, приблизно рівного

ГІ діаметру антени, що визначає малий діапазон необхідного його переміщення (між середньою і верхньою котушками). 4. Велика ефективність процедури балансування внаслідок того, що початкове положення кільця посередині між середньою і верхньою котушкою вносить в антену небаланс, протилежний знаку залишкового небалансу антени. с Простота та однозначність виконання дій внаслідок того, що існує єдине положення кільця, в якому досягається умова досягнення балансу, отже - в діапазоні переміщень існує тільки один мінімум сигналу перешкоди. во Суть корисної моделі демонструється графіками вихідного шуму СКВІД-магнітометра з використанням ЕПП в діапазоні 0-17Гц. Графік на Фіг.4 демонструє спектральну густину вихідного шуму без якого-небудь заглушення, тобто без механічного балансування та ЕПП. У цьому випадку вихідний сигнал має максимуми на 1/3 субгармоніці мережевої частоти (50/3-16,6Гц) та на НЧ (декілька Герц та нижче). При використанні тільки ЕПП, заглушення досить ефективне (Фіг.5) як на НУ, так і субгармонік промислової мережі (16-17Гц). Але рівень 65 перешкод все ще залишається значним, тому одного ЕПП недостатньо. При використанні тільки механічного балансування, як на 16,6Гц, так і на НЧ шуми зменшилися, але більш ефективне заглушення субгармонік, бо субгармоніка на 16,6Гц заглушена практично повністю (Фіг.б). Отже самого тільки механічного балансування теж недостатньо, його необхідно поєднувати з ЕПП.

При використанні обох способів балансування, перешкоди зменшуються до рівня, так що ними практично

Можна знехтувати (Фіг.7). Таким чином, пропонований у корисній моделі спосіб механічного балансування дозволяє (у поєднанні з ЕПП) практично повністю заглушити зовнішні перешкоди у всьому спектрі корисного МКГ сигналу від дрейфу нульової лінії до мережевої завади та її субгармонік.

В іншій конкретній реалізації регулюючий пристрій для механічного балансування градієнтометра може бути встановлено не всередині, а зовні корпусу градієнтометра. При цьому короткозамкнуте кільце охоплює корпус, а 70 його діаметр тільки трохи (на декілька міліметрів) перевищує діаметр корпусу. Цей варіант реалізації є перспективним для багатоканальних систем, бо дозволяє збільшити кількість каналів, не збільшуючи діаметр кріостату за рахунок зменшення діаметру градієнтометрів. При цьому не потрібно розміщувати привід переміщення всередині корпусу градієнтометра, що значно важче при його малому (менше 2см) діаметрі. Той же діаметр кріостату забезпечить менші питомі витрати рідкого гелію на один канал.

Claims (2)

Формула винаходу

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 механічного балансування градієнтометра, який відрізняється тим, що в ньому на зовнішній поверхні циліндричного корпусу виконано кільцеві проточки, площини яких перпендикулярні поздовжній осі циліндричного корпусу, причому витки - приймальної та компенсаційних котушок розміщено в кільцевих проточках, а витки середньої котушки розміщені на відстані, не менше, ніж половина їх радіусу, при цьому регулюючий пристрій виконано з балансуючим елементом у вигляді короткозамкнутого надпровідникового кільця, розміщеного всередині циліндричного сч зо Корпусу, і виконано з приводом переміщення вздовж поздовжньої осі циліндричного корпусу.

2. Надпровідниковий градієнтометр магнітного поля за п. 1, який відрізняється тим, що в регулюючім 89 пристрої короткозамкнуте надпровідникове кільце балансуючого елементу виконане охоплюючим циліндричний со корпус і розміщене між компенсаційними котушками.

З. Спосіб механічного балансування надпровідникового градієнтометра магнітного поля, який включає (Се) переміщення в магнітному полі балансуючого елементу, який відрізняється тим, що в ньому в початку «- балансування балансуючий елемент розміщують посередині між компенсаційними котушками, а балансування надпровідникового градієнтометра магнітного поля здійснюють переміщенням балансуючого елементу вздовж осі циліндричного корпусу в межах відстані між компенсаційними котушками. «

-

. и? - (о) (ее) (ее) Ко) 60 б5