Магнитометр

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, представляет собой магнитометр и может использоваться для измерения напряженности магнитного поля. Магнитометр содержит зонд с нелинейной магнитной восприимчивостью, являющийся сердечником соленоида и выполненный в виде проволоки из сверхпроводника второго рода, уложенной змейкой так, чтобы направления тока в соседних звеньях проволоки были противоположны. Техническим результатом изобретения является повышение порога чувствительности магнитометра до уровня 10^-15 Тл в полосе 1 Гц. 1 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности магнитного поля.

Из существующего уровня техники известен сверхпроводящий магнитометр в параллельных полях [1], содержащий сердечник, выполненный из сверхпроводника второго рода, и охватывающие сердечник первый и второй соленоиды. По первому соленоиду пропускается изменяющийся по гармоническому закону ток, а амплитуда переменного напряжения на зажимах второго соленоида с частотой, равной удвоенной частоте изменения тока в первом соленоиде, является мерой напряженности магнитного поля, параллельного оси сердечника

Недостатком данного технического решения является наличие из-за емкостной и индуктивной связи между соленоидами на зажимах второго соленоида напряжения с частотой, равной частоте изменения тока, который из-за нелинейности измерительной схемы приводит к появлению сигнала с частотой, равной удвоенной частоте изменения тока, даже в отсутствие измеряемого поля, что ограничивает порог чувствительности магнитометра.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является магнитометр, работающий в скрещенных магнитных полях [2], содержащий феррозонд с нелинейной магнитной восприимчивостью, по которому протекает изменяющийся по гармоническому закону ток, и соленоид, охватывающий феррозонд. Взаимодействие в нелинейном ферромагнетике магнитного поля протекающего по зонду тока и скрещенного с ним внешнего измеряемого поля создает в феррозонде меняющуюся с частотой, равной удвоенной частоте тока, переменную компоненту магнитного поля, параллельную оси зонда. Эта компонента создает на зажимах соленоида переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна напряженности измеряемого магнитного поля. Недостатком данного технического решения является недостаточная чувствительность, ограниченная шумами феррозонда, обусловленными гистерезисными потерями, джоулевыми потерями вихревых токов и шумами Брокгаузена в нем.

Целью изобретение является повышение чувствительности магнитометра. Технический результат достигается путем уменьшения потерь и шумов в зонде.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, где изображен магнитометр с зондом из сверхпроводника второго рода.

Магнитометр содержит выполненный в виде проволоки из сверхпроводника второго рода зонд 1, охватывающий его соленоид 2 и конденсатор 3.

Магнитометр работает следующим образом. По зонду 1, выполненному из сверхпроводника второго рода, обладающего нелинейными магнитными свойствами, протекает изменяющийся по гармоническому закону ток. Создаваемое этим током переменное магнитное поле взаимодействует с постоянным измеряемым магнитным полем, параллельным оси зонда 1, и создает в зонде 1 меняющуюся с удвоенной частотой тока переменную компоненту магнитного поля, параллельную оси зонда 1. Эта компонента создает на зажимах соленоида 2 переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна напряженности измеряемого магнитного поля. Поскольку потери в сверхпроводниках в радиочастотном диапазоне пренебрежимо малы, это позволяет использовать нелинейную восприимчивость сверхпроводников для измерения слабых магнитных полей.

Доказательством достижимости заявленного технического результата является расчет амплитуды переменного напряжения на зажимах соленоида 2. Пусть зондом 1 магнитометра является тонкая проволока из сверхпроводника второго рода диаметром 2R, причем ξ<<R<<λ, где ξ - длина когерентности, а λ - глубина проникновения. Уравнения Гинзбурга-Ландау [3] для проволоки, находящейся во внешнем продольном однородном магнитном поле, по которой течет ток i (фиг.1), имеют вид

$$\begin{array}{l}{\xi }^2{\left(i\nabla +2\pi A/{Ф}_0\right)}^2\psi -\psi +\psi \cdot {\left|\psi \right|}^2=\mathrm{0,}\\ {\left(i\nabla +2\pi A/{Ф}_0\right)}^{2}n=\mathrm{0,}\left(1\right)\\ rotrolA=-i\left({\psi }^{*}\nabla \psi -\psi \nabla {\psi }^{*}\right){Ф}_0/\left(2\pi {\lambda }^2\right)-{\left|\psi \right|}^{2}A/{\lambda }^2,\end{array}$$ ,

где n - вектор нормали к поверхности сверхпроводника, Ψ(r)=ψ(r)/ψ₀ - нормированный параметр порядка, A(r) - векторный потенциал магнитного поля, Ф₀=2,07×10^-15 Вб - квант магнитного потока.

Выберем цилиндрическую систему координат так, чтобы ось z совпадала с осью проволоки. Пусть напряженность внешнего магнитного поля равна H_e=H_e(r)e_φ=const. Магнитное поле, создаваемое током, имеет вид $$H_i=H_i\left(r\right)e_{\varphi }=const{\overrightarrow{H}}_I=H_I\left(r\right){\overrightarrow{e}}_{\varphi }$$ . Выберем калибровку вектора потенциала $$A^{\overrightarrow{A}}$$ таким образом, чтобы функция Ψ была вещественной. В силу симметрии задачи можно считать, что параметр порядка Ψ и вектор потенциал A зависят только от координаты r. Тогда следует, что A_r(r)≡0 и вектор A имеет только z и φ компоненты: A=A_z(r)e_z+A_φ(r)e_φ. Приближенное решение уравнений (1) имеет вид

$$A_{\varphi }\approx H_e\frac{r}{2}\left(1+\frac{3}{2}{\left(\frac{\varsigma {\lambda }^{2}i}{{Ф}_0{R}^2}\right)}^2\right)$$ .

Отсюда для магнитного потока через поперечное сечение зонда 1 получаем:

$$Ф={\displaystyle \underset{l}{\int }Adl=\pi R^2{H}_e\left[1+\frac{1}{18}{\left(\frac{j}{j_C}\right)}^2\right]},\left(2\right)$$

где $$j_C={Ф}_0/\left(3\sqrt{3}\pi {\lambda }^2\xi \right)$$ - критическая плотность тока, j=i/S, S=πR² - площадь поперечного сечения зонда 1.

Пусть по зонду 1 протекает переменный ток i(t)=i₀sin(ω₀t), создающий в нем плотность тока j(t)=j₀sin(ω₀t), близкую к критической.

Соленоид 2, сердечником которого является зонд 1, и конденсатор 3 образуют колебательный контур с резонансной частотой, близкой к 2 со₀ (фиг.1). Если длинный соленоид 2 содержит n витков, то

$$H_e\left(t\right)=H_0+\frac{L}{nS}\frac{dq}{dt},\left(3\right)$$

где H₀ - постоянное или медленно меняющееся измеряемое магнитное поле,

q(t) - заряд на конденсаторе 3, L - индуктивность соленоида 2.

Колебания в резонансном контуре описываются уравнением

$$n\frac{dФ}{dt}+R_0\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C}=0.\left(4\right)$$

Подставляя в уравнение (4) выражение (2) для магнитного потока через сверхпроводящий зонд с учетом соотношения (3), получим дифференциальное уравнение второго порядка:

где обозначено $${\omega }_1^2=1/2LC\left(1+\alpha \right)$$ , τ=2ω₀t, δ=R₀/2L(1+α), q=q₀x, a=Snα²/(2Lω₀q₀), D=δ/ω₀, $${\omega }_1^2/\left(4{\omega }_0^2\right)=1-\xi$$ , α=(j₀/6j_C)².

В нулевом по малому параметру a«1 приближении решение уравнения (5) имеет вид

.

При точной настройке контура (ξ<<D) для выходного напряжения магнитометра u(t) получаем

$$u\left(t\right)=\frac{q_0{x}_0}{C}=U_0\cos \left(2{\omega }_{0}t\right),U_0=2Qn{\alpha }^2{\omega }_{0}S{H}_0,\left(6\right)$$

где Q=1/D - добротность контура.

Из формулы (6) видно, что выходное напряжение магнитометра u(t) осциллирует с частотой 2ω₀ синхронно с переменным током i(t), текущим по зонду 1, что позволяет использовать для измерения его амплитуды метод синхронного детектирования. Амплитуда U₀ выходного напряжения пропорциональна потоку Ф измеряемого магнитного поля H₀ через поперечное сечение зонда 1.

Критическая частота для сверхпроводника порядка 10¹¹ Гц и для рабочей частоты 30 МГц? ей можно пренебречь. При низких температурах легко получить для контура, содержащего n=100 витков? добротность Q=10³. Если j₀/j_C=0,9, то из формулы (6) следует, что U₀=10¹² Ф.

Собственное шумовое напряжение измерительного усилителя, приведенное к входу, имеет величину порядка 1 нВ в полосе 1 Гц, тогда порог чувствительности магнитометра по магнитному потоку составит $${Ф}_n={10}^{-21}\frac{Вб}{\sqrt{Гц}}=5\cdot {10}^{-7}\frac{{Ф}_0}{\sqrt{Гц}}$$ .

Эффективная глубина проникновения магнитного поля в керамический высокотемпературный сверхпроводник при температуре 77 K порядка 100 мкм. Поскольку в соответствии с формулой (2) поток переменного магнитного поля через сечение сверхпроводника не зависит от направления тока в нем, сверхпроводящую проволоку диаметром 0,1 мм можно уложить змейкой так, чтобы в соседних звеньях направления тока были противоположны. При этом создаваемое током переменное магнитное поле на поверхности зонда не превосходит поля на поверхности одного звена независимо от диаметра зонда 1.

Зонд 1 магнитометра диаметром 1 мм может состоять из 100 таких звеньев и позволит получить порог чувствительности по магнитному полю порядка $$B_n={10}^{-15}\frac{Тл}{\sqrt{Гц}}$$ .

Таким образом, достигаемая чувствительность намного превосходит чувствительность феррозондовых магнитометров, является рекордной даже для квантовых магнитометров и позволит проводить предельные измерения в области гео- и био-магнетизма.

Источники информации

1. Игнатьев В.К., Черных С.В. Сверхпроводящий магнитометр с обратной связью по магнитному полю. Приборы и техника эксперимента. 1996. №2. - С.124-126.

2. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. Л.: Энергия, 1969. - 168 с. (прототип)/

3. Гинзбург В.Л., Ландау Л.Д. К теории сверхпроводимости. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1950. Т.20. Вып.12. - с.1064-1082.

Магнитометр, содержащий зонд с нелинейной магнитной восприимчивостью, через который пропускается изменяющийся по гармоническому закону ток, и охватывающий зонд соленоид, причем амплитуда переменного напряжения на зажимах соленоида с частотой, равной удвоенной частоте изменения тока, является мерой напряженности магнитного поля, параллельного оси зонда, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности магнитометра зонд выполнен в виде проволоки из сверхпроводника второго рода, которая уложена змейкой так, чтобы в соседних звеньях проволоки направления тока были противоположны.