UA19997U - Method for mechanically balancing a semiconductor magnetic field gradiometer - 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 способу, що забезпечує балансування градієнтометра.

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

Головним методом вирішення цієї проблеми є просторова селекція магнітних полів перешкод, генерованих віддаленими джерелами, тобто використання так званих надпровідникових градієнтометрів. 70 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 1073, тобто одна тисячна частина однорідного поля проходить на вхід СКВІДа, а решта подавлюється. то Для біомагнітних вимірювань суттєвим є те, щоб ступінь небалансу не перевищувала 107. Такий ступінь не 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 го Розглядати і використовувати незалежно один від одного, бо ні один із них не в змозі забезпечити необхідну ступінь балансу.

Відомо спосіб балансування, який було розроблено в Національному Бюро Стандартів в США (проект

Мо2750482, звіт Мо10,736 від 31.03.1972 "ОНгазепзйіме зирегсопацйсіпуд тадпеїйіс дгадіотейег", іттегтап та інші). Ця схема грунтувалася на рухомих надпровідникових пластинках та дисках для досягнення поперечного та 25 поздовжнього (аксіального) балансу. Однак така схема мала два недоліки: налагодження було дуже нелінійне а також існував взаємний вплив між різними пластинками. -

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 їм 30 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 (22) підвищує ціну приладу. Але головний недолік цього підходу є перерозподіл індуктивності вимірювального Фу градієнтометра між власною індуктивністю градієнтометра та індуктивностями тріммінгових елементів. В результаті при введенні трім-кілець чутливість СКВІД-сенсора до вимірюваного сигналу погіршувалася. (22) з В інших попередніх методах для балансування градієнтометра, заснованих на взаємно ортогональних «- надпровідникових елементах, використано зміну ефективних площ витків градієнтометра. Наприклад, надпровідні диски було використано в патентах ОЗ З 976 938 (24.08.76) і 05 4 320 341 (16.03.82). Аналогічно з цією метою також було використано надпровідні пластинки Інаприклад - .). А. Омегмед, М. 9. ММа(ег-Реїегв, Те дезідп ої а зувівет ої адіизіаріе зирегсопацсіїпо ріасез їог раіапсіпоу а дгадіотегег, Стуодепісв, 1978, р.529-534|. «

Суттєвим недоліком вказаних методів є погіршення симетрії градієнтометра при внесенні налагоджувальних з елементів. Пристрій для балансування, що використовує для досягнення балансу трім-диски в поєднанні з с можливістю змінювати відстань між вимірювальними витками описано в патенті 05 4 523 147 (11.06.85). 1» Недоліком цього підходу є більш складна і точна конструкція градієнтометра, отже - суттєво більша ціна приладу.

В патенті О5 З 976 9383 було запропоновано схему, що складається з двох етапів. На 1-му етапі проводиться 415 грубе балансування. Потім градієнтометр зі СКВІД-сенсором виймається з кріостату, а диски механічно - закріплюються (фіксуються) в своїх положеннях. Далі, для точного балансування градієнтометр знову занурюється у рідкий гелій. Але такі методи, що вимагають виймання та повторні занурення градієнтометра в се) рідкий гелій (так зване термоциклювання) потребують багато часу, відносно неточні (бо при термоциклюванні со відбувається зміна лінійних розмірів деталей), а тому - не задовільні.

Найбільш близький аналог описано в патенті 5 3 965 411 (22.06.1976), у якому в якості трімінгових се) елементів використовують взаємно перпендикулярні надпровідникові котушки, які зв'язані з сенсором магнітного «м потоку. Трім-кільця намотані на циліндрі в градієнтометричній конфігурації, а рухомий надпровідний магнітний екран забезпечує зміну зв'язку між відповідними трім-кільцями та магнітним полем. Недолік такого способу полягає у тому, що трім-кільця повинні бути точно намотані на циліндрі, що підвищує ціну приладу. Але головний недолік цього способу є перерозподіл індуктивності вимірювального градієнтометра між власною індуктивністю градієнтометра та індуктивностями тріммінгових елементів. В результаті при введенні трім-кілець с чутливість СКВІД-сенсора до вимірюваного сигналу погіршувалася.

Технічною задачею корисної моделі є розробка способу механічного балансування надпровідникового градієнтометра магнітного поля, що дозволяють збільшити ступінь балансу до 2 .1079, спростити його бор налагодження, а також зменшити вартість приладу для балансування.

Поставлена задача 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 65 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 механічного балансування градієнтометра, підвищення ступеня балансу, та для можливості проводити балансування з урахуванням навколишнього шуму іп зйш, тобто безпосередньо в клініці.

На Фіг.1 зображено загальний вигляд надпровідникового градієнтометра магнітного поля; на Фіг.2 - регулюючий 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 вихідного шуму СКВІД-магнітометра без балансування; на Фіг.5 - спектр вихідного шуму СКВІД-магнітометра після електронного подавлення перешкод (електронного балансу); на Фіг.б - спектр вихідного шуму СКВІД-магнітометра 7/о після механічного балансування; на Фіг.7 - Спектр вихідного шуму СКВІД-магнітометра після 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.

Вказані пристрій являє собою аксіальний градієнтометр 2-го порядку, призначений для реєстрації 2-ї 7/5 просторової похідної вертикальної (аксіальної) компоненти поля. При цьому відбувається просторова селекція сигналів магнітного поля, а саме - для джерел, розміщених на відстані г, близькій до величини бази, послаблення корисного сигналу в нижньому витку антени незначне. В той же час сигнали віддалених джерел ослабляються пропорційно 1/г7. 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 і З а відстанню між котушками (база градієнтометра Б), рівною 60 мм. Нижня котушка З є приймальною котушкою, призначеною для 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 одному витку, намотаних, наприклад, по часовій стрілці, а середня 2 - два витка, намотаних проти часової стрілки, - в такий спосіб утворюється градієнтометр 2-го порядку, що реєструє другу просторову похідну (градієнт) З магнітного поля, направленого вздовж його осі.

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, асаме приймальна

З - 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 о канавку (Фіг.3). Ге»!

Корпус 4 має циліндричну форму і виготовлений з немагнітного матеріалу (графіту) з коефіцієнтом лінійного розширення, рівним такому у ніобію (матеріал проволоки). Витки котушок 1, 2 и З вміщені в кільцеві проточки о глибиною 0,2 мм, розташовані в поперечній площині. Корисний сигнал вводиться в СКВІД 5 за допомогою «- 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 « 70 є точно перпендикулярні до осі. В результаті в антену буде проникати паразитне магнітне поле, яке створить -ш с 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 бмм. В результаті конструкція забезпечує початковий (технологічний)

Ннебаланс по аксіальній компоненті поля в діапазоні 4-8.1071ї поперечній 2-4.107, - Регулюючий пристрій для механічного балансування градієнтометра (Фіг.2) складається з одного со короткозамкнутого трім-кільця 6 змонтованого на немагнітному тримачі. Вказаний тримач забезпечує стабільну фіксацію трім-кільця в поперечній площині, сформований циліндричним каркасом 7, тягою 8 та повзуном 9. Кільце се) б намотано і приклеєно до немагнітного каркасу 7, який зв'язаний з повзуном 9 через тягу 8. Повзун 9 с 50 Кріпиться на силовому гвинті 10 з точною різьбою і переміщується всередині градієнтометра в аксіальному напрямі за рахунок обертання гвинта 10. "м Силовий гвинт 10 є основною частиною приводу переміщення, що забезпечує плавний рух каркасу 7 та трім-кільця б 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 силіконове ущільнення 13. с 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 мм.

В даній реалізації для подавлення зовнішніх перешкод пропонується простий спосіб з використанням трім-кільця 6. Цей спосіб грунтується на зміні ефективної індуктивності котушок градієнтометра внаслідок 60 взаємного магнітного зв'язку між трім-кільцем б та верхньою 1 і середньою 2 котушкою градієнтометра.

Ефективність пропонованого методу забезпечується тим, що трім-кільце 6 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 1 збільшується, а нижньої З - зменшується так, що в антену вноситься додатковий позитивний небаланс, і таким чином, початковий технологічний баланс 65 компенсується.

Тому в даної корисної моделі для подавлення 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 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 використано лак Кей

Татрег Емідепі Зеа! (ЕГЕСТКОГ ОВЕ Я Адмівіоп оїН.К., МУепіжогій І ітіеа, Віаке Ноизе, У/агогаме, ВегкКегпПіге,

Епадіапа|.

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

Причина дії кільця на витки градієнтометра полягає в тому, що під дією ефекту квантування магнітного потоку у кільці наводиться екрануючий струм, що прагне компенсувати внесений градієнтометром магнітний потік. 7/5 При внесенні кільця між котушками градієнтометра за рахунок магнітного зв'язку відбувається взаємне екранування струмів.

Згідно пропонованого способу, спочатку 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 2о небаланс трім-кільця по порядку величини дорівнює, а по знаку - протилежний залишковому негативному небалансу антени.

Таким чином, запропонований спосіб балансування має ряд переваг перед відомими: 1. Балансування здійснюється тільки одним балансуючим елементом - короткозамкнутим кільцем. 2. Відсутність паразитних спотворень горизонтальних компонент поля перешкоди внаслідок малих розмірів

Кільця, обумовлених малим діаметром дроту, що зменшує взаємний вплив між каналами.

З. Сильна чутливість до поля перешкоди внаслідок великого діаметра трім-кільця, приблизно рівного но 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 М зо Між середньою і верхньою котушкою вносить в антену небаланс, протилежний знаку залишкового небалансу антени. б»

Простота та однозначність виконання дій внаслідок того, що існує єдине положення кільця, в якому Ге! досягається умова досягнення балансу, отже - в діапазоні переміщень існує тільки один мінімум сигналу перешкоди. Ме

Суть корисної моделі демонструється графіками вихідного шуму СКВІД-магнітометра з використанням ЕП в о/р діапазоні 0-17Гц. Графік на Фіг.4 демонструє спектральну густину вихідного шуму без якого-небудь подавлення, тобто без механічного балансування та ЕПП. У цьому випадку вихідний сигнал має максимуми на 1/3 субгармоніці мережевої частоти (50/3-16,6Гуц) та на НЧ (декілька Герц та нижче). При використанні тільки ЕПП, подавлення досить ефективне (Фіг.5) як на НУ, так і субгармонік промислової мережі (16-17Гц). Але рівень перешкод все ще «

Залишається значним, тому одного ЕПП недостатньо. При використанні тільки механічного балансування, як на шв с 16,6ГЦ, так і на НЧ шуми зменшилися, але більш ефективне подавлення субгармонік, бо субгармоніка на 16,6Гц подавлена 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 винаході спосіб механічного балансування дозволяє (у - поєднанні з ЕПП) практично повністю подавити зовнішні перешкоди у всьому спектрі корисного МКГ сигналу від со дрейфу нульової лінії до мережевої завади та її субгармонік. о

Claims (1)

1. Формула винаходу о 50 «М Спосіб механічного балансування надпровідникового градієнтометра магнітного поля, який включає переміщення в магнітному полі балансуючого елемента, який відрізняється тим, що в ньому на початку балансування балансуючий елемент розміщують посередині між компенсаційними котушками, а балансування надпровідникового градієнтометра магнітного поля здійснюють переміщенням балансуючого елемента вздовж осі Я циліндричного корпусу в межах відстані між компенсаційними котушками. 60 б5