Магнитометр со сверхпроводящим квантовым интерферометрическим датчиком
Владельцы патента RU 2246119:
Научно-исследовательское учреждение Институт Физики им. Л.В. Киренского Сибирского Отделения РАН (RU)
Использование: при проведении магнитных измерений в области физики магнитных явлений, геофизики, медицине, биомагнетизме. Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик магнитометра за счет уменьшения времени и повышения точности установки нуля выходного сигнала. Магнитометр содержит сверхпроводящий квантовый интерферометрический датчик с согласующими электрическими цепями, генератор тока смещения, генератор низкой частоты, фазовращатель, усилитель, синхронный детектор, интегратор, буферный каскад и устройство установки нуля, причем устройство установки нуля выполнено из устройства выборки-хранения и дифференциального усилителя. 2 ил.
Изобретение относится к устройствам для измерения переменных магнитных величин и может быть использовано при проведении магнитных измерений в следующих областях: физика магнитных явлений, геофизика, медицина, биомагнетизм.
Магнитометр со сверхпроводящим квантовым интерферометрическим датчиком (СКВИД) представляет собой прибор для измерения магнитных полей и их градиентов [1]. Его действие основано на эффекте Джозефсона.
Известна конструкция магнитометра со СКВИДом, в которой установка нуля выходного сигнала магнитометра осуществляется путем изменения постоянного тока, подаваемого в катушку модуляции и обратной связи, индуктивно связанную со СКВИДом [2].
Недостатком данной конструкции магнитометра со СКВИДом является необходимость для установки нуля выходного сигнала магнитометра подавать постоянный ток непосредственно в катушку модуляции и обратной связи. Регулировка тока производится вручную. Это требует от оператора затрат значительного времени на проведение данной операции.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является конструкция магнитометра со СКВИДом, имеющего электрическую схему, состоящую из следующих основных узлов: СКВИДа, генератора тока смещения, генератора низкой частоты, фазовращателя, усилителя, синхронного детектора, интегратора, буферного каскада [3]. Установка нуля выходного сигнала осуществляется путем изменения постоянного тока, подаваемого в катушку резонансного колебательного контура, индуктивно связанную со СКВИДом. В качестве регулирующего элемента используется переменный резистор, перестраиваемый вручную.
Недостатком данной конструкции является недостаточная точность и значительное время установления нуля выходного сигнала магнитометра со СКВИДом. Данная процедура отвлекает оператора от процесса собственно измерений на магнитометре со СКВИДом, приводит к потере полезной информации за период времени, в течение которого производится установка нуля, а также расходует часть криогенных ресурсов, необходимых для функционирования магнитометра со СКВИДом.
Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик магнитометра со сверхпроводящим квантовым интерферометрическим датчиком за счет уменьшения времени и повышения точности установки нуля выходного сигнала.
Технический результат достигается тем, что в магнитометре со сверхпроводящим квантовым интерферометрическим датчиком, содержащем устройство установки нуля, сверхпроводящий квантовый интерферометрический датчик (СКВИД) с согласующими электрическими цепями, подключенный ко входу усилителя, выход которого соединен с первым входом синхронного детектора, выход синхронного детектора подключен ко входу интегратора, выходы генератора тока смещения, генератора низкой частоты и интегратора подключены к СКВИДу, между выходом генератора низкой частоты и вторым входом синхронного детектора включен фазовращатель, а буферный каскад своим входом подключен к выходу интегратора, новым является то, что устройство установки нуля содержит устройство выборки-хранения и дифференциальный усилитель, причем вход устройства выборки-хранения и неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключены к выходу буферного каскада, инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к выходу устройства выборки-хранения, выходной сигнал магнитометра снимается с выхода дифференциального усилителя.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: устройства выборки-хранения, дифференциального усилителя и их связью с остальными элементами схемы.
Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения “новизна”.
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию “существенные отличия”.
На фиг.1 представлена блок-схема магнитометра со СКВИДом. На фиг.2 показан пример выполнения устройства установки нуля выходного сигнала магнитометра.
Магнитометр со СКВИДом (фиг.1) содержит сверхпроводящий квантовый интерферометрический датчик (СКВИД) с согласующими электрическими цепями 1, генератор тока смещения 2, генератор низкой частоты 3, фазовращатель 4, усилитель 5, синхронный детектор 6, интегратор 7, буферный каскад 8. СКВИД 1 подключен ко входу усилителя 5, выход которого соединен с первым входом синхронного детектора 6. Выход синхронного детектора 6 подключен ко входу интегратора 7. Выходы генератора тока смещения 2, генератора низкой частоты 3 и интегратора 7 подключены к СКВИДу 1. Между выходом генератора низкой частоты 3 и вторым входом синхронного детектора 6 включен фазовращатель 4. Буферный каскад 8 своим входом подключен к выходу интегратора 7.
Кроме того, магнитометр со СКВИДом содержит устройство установки нуля, состоящее из устройства выборки-хранения 9 и дифференциального усилителя 10. Вход устройства выборки-хранения 9 и неинвертирующий вход дифференциального усилителя 10 подключены к выходу буферного каскада 8. Инвертирующий вход дифференциального усилителя 10 подключен к выходу устройства выборки-хранения 9. Выходной сигнал магнитометра снимается с выхода дифференциального усилителя 10.
Магнитометр со СКВИДом работает следующим образом. Магниточувствительным датчиком магнитометра является СКВИД 1, к нему от генератора тока смещения 2 подводится ток смещения, определяющий рабочую точку СКВИДа1. Генератор низкой частоты 3 служит для модуляции магнитного потока в СКВИДе 1. Сигнал СКВИДа 1 усиливается усилителем 5 и детектируется синхронным детектором 6, который управляется опорным сигналом от генератора низкой частоты 3. Для подстройки фазы опорного сигнала служит фазовращатель 4. Сигнал с выхода синхронного детектора 6 фильтруется интегратором 7 и подводится к СКВИДу 1. Напряжение с выхода интегратора 7 поступает на буферный каскад 8, который служит для устранения воздействия устройства выборки-хранения 9 на устойчивую работу магнитометра.
Устройство установки нуля работает в двух режимах: “установка нуля” и “измерение”. Переключение режимов производится электронным способам. В обоих режимах напряжение с выхода буферного каскада 8 постоянно поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 10.
Установка нулевого напряжения магнитометра происходит в режиме “установка нуля”. В этом режиме устройство выборки-хранения 9 устанавливается в режим отслеживания входного сигнала.
При этом на инвертирующий вход дифференциального усилителя 10 проходит напряжение с выхода буферного каскада 8. Напряжения на обоих входах дифференциального усилителя 10 сравниваются между собой, в результате чего на выходе дифференциального усилителя 10 устанавливается нулевое напряжение.
В режиме “измерение” устройство выборки-хранения 9 переходит в режим хранения мгновенного значения входного сигнала. Таким образом на инвертирующем входе дифференциального усилителя 10 напряжение сохраняется постоянным в процессе измерения. В то же время при изменении входного сигнала происходит изменение напряжения на неинвертирующем входе дифференциального усилителя 10. Вследствие чего на выходе дифференциального усилителя 10 появляется напряжение, значение которого равно разности между текущим значением входного напряжения и напряжением, которое присутствовало на входе устройства для установки нуля в момент переключения устройства из режима “установка нуля” в режим “измерение”.
Устройство установки нуля выходного сигнала магнитометра со СКВИДом может быть выполнено, например, как это показано на фиг.2.
Устройство выборки-хранения 9 выполнено на операционном усилителе 11, конденсаторе 12 и электронном ключе 13. Операциолнный усилитель 11 включен по схеме повторителя напряжения. Конденсатор 12 является запоминающим элементом, он одной обкладкой соединен с неинвертиртирующим входом операционного усилителя 11, другая обкладка заземлена. Электронный ключ 13 служит для переключения режимов работы устройства. Замкнутое положение ключа 13 соответствует режиму “установка нуля”, разомкнутое положение ключа 13 соответствует режиму “измерение”.
Дифференциальный усилитель 10 выполнен на операционном усилителе 14 и резисторах 15-19. Номиналами постоянных резисторов 15-18 определяется коэффициент передачи операционного усилителя 14. Подстроенный резистор 19 служит для балансировки операционного усилителя 14.
В качестве операционных усилителей 11, 14 использовались микросхемы типов КР544УД1А, КР140УД608 соответственно, в качестве конденсатора 12 использовался конденсатор типа К73-17-160В-1,5 мкФ±20%-В, в качестве электронного ключа 13 использовалась микросхема типа КР590КН7, в качестве резисторов 15-18 использовались резисторы типа С2-10-0,25-2,05 кОм±0,5%, в качестве резистора 19 использовался резистор типа СП5-3В-1,0-4,7 кОм±5%.
Эксплуатация заявляемого устройства в составе установки по измерению магнитной восприимчивости показала, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство обеспечивает существенно меньшее время (порядка ~ 1 мс) и более высокую точность (порядка ~ 0,02% от динамического диапазона магнитометра) установки нуля выходного сигнала. Кроме того, была исключена неоднозначность установки нуля, обусловленная мануальным характером действий оператора (человеческий фактор). Это позволило снизить погрешность измерений на магнитометре со СКВИДом, освободить оператора от обременительных действий по настройке нуля вручную, высвободившееся время (которое составляло до 50% от общего времени проведения измерений) использовать непосредственно для сбора полезной информации, уменьшить неэффективные затраты криогенных ресурсов.
Источники информации:
1. Кларк Дж. Принципы действия и применение СКВИДов. - ТИИЭР, 1989, т.77, №8, с.118-137.
2. Уэллстуд, Хейден, Кларк. Быстродействующий интегральный магнитометр на основе СКИП постоянного тока. - Приборы для научных исследований, 1984, №6, с.132-138.
3. Дробин В.М., Лоботка П., Трофимов В.Н. Блок регистрации сверхпроводящего квантового магнитометра. - ПТЭ, 1987, №3, с.158-161 (прототип).
Магнитометр со сверхпроводящим квантовым интерферометрическим датчиком, содержащий устройство установки нуля, сверхпроводящий квантовый интерферометрический датчик (СКВИД) с согласующими электрическими цепями, подключенный ко входу усилителя, выход которого соединен с первым входом синхронного детектора, выход синхронного детектора подключен ко входу интегратора, выходы генератора тока смещения, генератора низкой частоты и интегратора подключены к СКВИДу, между выходом генератора низкой частоты и вторым входом синхронного детектора включен фазовращатель, а буферный каскад своим входом подключен к выходу интегратора, отличающийся тем, что устройство установки нуля содержит устройство выборки-хранения и дифференциальный усилитель, причем вход устройства выборки-хранения и неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключены к выходу буферного каскада, инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к выходу устройства выборки-хранения, выходной сигнал магнитометра снимается с выхода дифференциального усилителя.
