Магнитометры и градиентометры

Практически в любой отрасли науки и техники используются магнитные измерения: ведутся исследования магнитных полей микрочастиц и планет, растений животных, головного мозга и сердца человека. Для определения величины и структуры магнитных полей используются магнитометры и магнитные градиентометры. Криоэлектроника в этой области оказывается вне конкуренции.

Собственно ПТ СКВИД (как и ВЧ СКВИД) является простейшим измерителем магнитного потока (см. п. 3.4.1). Однако на практике применяются более сложные системы обработки сигнала со СКВИДа. Как правило, измеряемая физическая величина преобразуется в ток, который затем подается на входную катушку, индуктивно связанную с контуром СКВИДа и наводящую в нем магнитный поток. Разрешение по энергии в единичной полосе частот может быть определено из выражения

, (3.45)

где К=М²/L_k·L – коэффициент связи входной катушки с контуром СКВИДа;

М – взаимная индуктивность катушки и СКВИДа;

L_k – индуктивность катушки.

Для максимальной передачи энергии из входной катушки в СКВИД, необходимо стремиться к повышению коэффициента связи (К→1). Важным параметром является коэффициент преобразования

. (3.46)

Оценку порядка величины γ_n можно провести с учетом выражения для глубины модуляции ΔU.

, (3.47)

где R_g=R_Н и можно записать выражение

. (3.48)

С учетом (3.33) для ВЧ СКВИДа оценка дает величину

, (3.49)

где К₀ – коэффициент связи СКВИДа с колебательным контуром;

f – частота накачки.

В связи с достижениями технологии изготовления ПТ СКВИДов, последние получили большое распространение в магнитометрах в силу более простого решения проблемы согласования с усилителем. Использование трансформатора магнитного потока позволяет существенно повысить предельную чувствительность по полю. Трансформатор потока представляет собой сверхпроводящий контур, состоящий из двух катушек (рис. 3.32, а).

а) б)

Рис. 3.22. Входной преобразователь магнитометра (а), градиентометра (б)

Приемная катушка содержит N_n витков, и ее индуктивность L_n, а входная катушка имеет индуктивность L_k и взаимную индуктивность со СКВИДом – М. Магнитное поле, в которое помещена приемная катушка, наводит сверхпроводящий ток в трансформаторе потока, который в свою очередь создает магнитный поток в СКВИДе, пропорциональный входному сигналу. Таким образом, можно получить большую чувствительность к магнитному полю, увеличив площадь приемной катушки. Наименьшее разрешимое измерение магнитного поля в расчете на единичную ширину полосы можно быть определено из выражения:

, (3.50)

где S_ф – спектральная плотность шумового потока;

А_n – площадь витка приемной катушки.

Применение трансформатора потока позволяет повысить предельную чувствительность СКВИДов с 10^-6 А/м до 10^-11 А/м. Основными факторами, ограничивающими чувствительность СКВИДов, являются шумы различного происхождения.

Сверхпроводниковые градиентометры измеряют приращения градиентов различных составляющих магнитного поля в зависимости от расположения входного преобразователя такого градиентометра в пространстве и его схемы. В отличие от магнитометра, входной преобразователь градиентометра содержит не одну, а две или более составляющих контура (рис. 3.22, в), разнесенных на базовое расстояние b.

При появлении градиента напряженности магнитного поля , перпендикулярного плоскости контура входного преобразователя, в контуре возникает затухающий ток:

, (3.51)

где L – индуктивность контура;

S – площадь контура.

Если в пределах площади элементов контура поле Н однородно и линейно нарастает вдоль b, то выражение (3.51) можно преобразовать.

I_r=S(H₁-H₂)/L. (3.52)

Ток I_r может быть измерен гальванометром, который представляет собой СП-магнитометр на базе СКВИДа. Чтобы этот магнитометр не реагировал на внешнее поле и фиксировал только поле катушки, его располагают внутри магнитного экрана.

Если измеряемое поле (градиент поля) является малым, сигнал магнитометра обрабатывают, усиливают или градиентометр становится частью магнитометрической системы. Примеры таких систем мы рассмотрим ниже.