Биомагнитные измерения - Кнеппо П.
ISBN 5-283-00557-7
Скачать (прямая ссылка):
диэлектрические барьеры, образующие слабую связь типа туннельного
перехода, 17 - сверхпроводник, 18 - резистивный шунт, 19 -сверхпроводник)
20
Все сверхпроводящие элементы сквид-магнитометра размещены в криостате.
Обычно это сосуд Дьюара с жидким гелием, имеющий хорошую тепловую
изоляцию; в нем поддерживается температура 4,2 К, обеспечивающая
требуемое состояние сверхпроводимости.
Работа сквид-датчика основана на сложном физическом явлении -
макроскопической квантовой интерференции. В сверхпроводящем кольце, тесно
связанном индуктивно с входной катушкой, возникает электрический ток,
который является сложной функцией параметров джо-зефсоновского контакта,
индуктивности кольца и магнитного потока входной катушки, а также зависит
от способа возбуждения сквид-датчика. Сигнал сквида поступает в
электронную схему управления, которая вырабатывает выходное напряжение,
пропорциональное магнитному потоку, воздействующему на сквид, а
следовательно, и измеряемому магнитному потоку. Сквид-датчик можно
уподобить преобразователю тока в напряжение, обладающему очень большим
коэффициентом усиления, чрезвычайно низким уровнем шума, большим
динамическим диапазоном, линейностью передаточной характеристики и
широкой полосой пропускания, начинающейся от нулевой частоты. Типичный
коэффициент преобразования сквид-датчика имеет порядок 107 В/А.
В высокочастотном сквид-магнитометре (рис. 1.5, а) кольцо сквида
индуктивно связано с высокочастотным колебательным контуром, который
накачивается при помощи внешнего генератора с частотой от нескольких
десятков до нескольких сотен мегагерц, равной собственной частоте
контура. Влияние на этот колебательный контур квантовых
электродинамических процессов, происходящих в сквиде, можно рассматривать
феноменологически как изменение полного сопротивления контура. При
изменении входного магнитного потока (создаваемого током входной катушки)
полное сопротивление и, следовательно, выходное напряжение контура
испытывают изменения, периодические по потоку с периодом, равным кванту
магнитного потока Ф0 = 2,07 х х]0~15 Вб. Управляющая электронная схема,
содержащая обратные связи, обеспечивает усиление и детектирование
высокочастотного сигнала, линеаризацию выходного напряжения по отношению
к входному магнитному потоку, а также поддержание оптимального режима
работы сквида и колебательного контура. При этом сквид фактически служит
нуль-индикатором, а сквид-датчик в целом работает как высококачественный
параметрический усилитель, на выходе которого получается сигнал,
пропорциональный измеряемому магнитному потоку.
В сквид-магнитометре постоянного тока (рис. 1.5, 6) кольцо сквида имеет
два джозефсоновских контакта с одинаковыми характеристиками, причем на
кольцо подается постоянный ток, протекающий параллельно через оба слабых
звена. В этом случае изменения входного магнитного потока через кольцо
при определенном уровне постоянного тока, индуктивности кольца и
определенных параметрах джозеф-
21
Генератор постоянного -тока
ПКидкий гелий
Трансформатор магнитного потока
L.
Усилитель
переменного
тока
Синхронный детектор '
О
Выход
Опорный X сигнал
Модуляционный
генератор
О
Рис. 1.5. Структурные схемы высокочастотного сквид-магнитометра (а) и
сквид-магнитометра постоянного тока (б) [39]
ооновских контактов оказывают влияние на выходное напряжение. Таким
образом, здесь выходное напряжение сквида, как и выходное напряжение
колебательного контура высокочастотного сквид-датчика, является
периодической по магнитному потоку функцией входного магнитного потока с
периодом, равным кванту магнитного потока. Обычно сквид-датчик
постоянного тока также имеет управляющую электронную схему с обратной
связью, которая поддерживает постоянство магнитного потока через кольцо
сквида и обеспечивает получение выходного сигнала, пропорционального
измеряемому магнитному потоку. В схеме предусмотрены дополнительные
устройства - резистивные шунты для слабых звеньев, устраняющие явление
гистерезиса, контур для согласования малого полного сопротивления сквида
с большим входным полным сопротивлением усилителя и др.
22
Шумы на выходе сквид-датчика по происхождению делятся на три группы:
собственный шум сквида, шум колебательного контура и шум усилителя.
Обычно у высокочастотных -сквид-датчиков преобладают шумы колебательного
контура и усилителя, тогда как у сквид-датчиков постоянного тока -
собственный шум сквида.
Существуют разные способы оценки суммарного влияния всех указанных выше
шумов на чувствительность сквид-датчика. Практически наиболее удобная
характеристика - это входная энергетическая чувствительность, которая
определяется как средняя спектральная плотность энергии, подаваемой на
входную катушку сквида, при которой напряжение на выходе сквид-датчика
имеет спектральную плотность мощности, равную спектральной плотности
мощности суммарного шума. Входная энергетическая чувствительность зависит
