Магнитометрические системы

В магнитометрию высокого разрешения входят приборы и методы исследований, позволяющие получить картину распределения магнитного поля над поверхностью исследуемого объекта с пространственным разрешением от долей микрометра до единиц миллиметров. Диапазон регистрируемых магнитных полей варьируется от нескольких тесла до долей пикотесла! Наряду с такими известными методами отображения магнитных полей, как магнитооптика и магнитное декодирование в последнее время появилась сканирующая магнитная микроскопия (ССМ), использующая магнитный силовой микроскоп и на основе микродатчиков Холла. В 90-х годах разработана и реализованы сканирующие микроскопы, в которых в качестве чувствительного элемента используют СКВИДы.

В сканирующих магнитометрах на основе СКВИДов образец перемещается в плоскости X-Y относительно СКВИДа, при этом СКВИД измеряет нормальную к поверхности образца компоненту магнитного поля. Во время сканирования выходной сигнал СКВИДа регистрируется в зависимости от текущих координат и преобразуется при помощи компьютера в двумерное или трехмерное изображение распределения магнитного поля. Чувствительность по магнитному полю и пространственное разрешение ССМ являются взаимосвязанными и определяются размерами СКВИДа и расстоянием между СКВИДом и образцом. Оптимальное соотношение параметров достигается в том случае, когда образец находится от СКВИДа на расстоянии, приблизительно равном размеру петли СКВИДа. ССМ могут работать в полях подмагничивания до 10⁴ А/м, имеют широкий (0...200 кГц) частотный диапазон. Специальные схемы регистрации сигналов СКВИДа позволяют расширить этот диапазон до десятков гигагерц.

Первый сканирующий СКВИД – микроскоп был построен в начале 80-х годов в компании IBM. В 1984 г. разработки были приостановлены в связи с сокращением программы по созданию сверхпроводящего компьютера и в начале 90-х были возобновлены в Иллинойсе в связи с успехами технологии ВТСП тонкопленочных микроСКВИДов. Первый ССМ на основе ВТСП СКВИДа дал возможность получить разрешение порядка 50 мкм (1993 г.).

Сочетание высокой чувствительности с пространственным разрешением в единицы микрометров позволяет исследовать с помощью ССМ малоразмерные и слабомагнитные объекты. Достоинством ССМ является и возможность проводить количественные измерения магнитных полей.

Конструктивно ССМ состоит из нескольких основных узлов: СКВИД-датчика, СКВИД-электроники, криостата, системы магнитных экранов, механизма перемещения образца и персонального компьютера, обеспечивающего сбор данных и управление работой ССМ. Функциональная схема ССМ приведена на рис. 3.23.

Рис. 3.23. Функциональная схема ССМ: 1 – шаговые двигатели; 2 – электроника СКВИДа; 3 – магнитные экраны; 4 – криостат с жидким азотом; 5 – криогенная штанга со СКВИДом и механизмом перемещения образца; 6 – блок электроники; 7 – АЦП;
8 – компьютер

Современные ВТСП ПТ – СКВИДы изготавливают в основном по однослойной технологии на основе пленок Y-123. Пленку наносят на бикристаллическую подложку из титаната стронция, сваренного из двух кристаллов с различной ориентацией кристаллографических осей. Д-переходы формируют на границе кристаллов в узких (1...5 мкм) сверхпроводящих мостиках, пересекающих сварной шов подложки. В настоящее время ВТСП СКВИДы несколько уступают по чувствительности их низкотемпературным аналогам. Типичные значения шумового потока ВТСП СКВИДов составляют 7...10 мкФо/Гц. Для регистрации сигналов СКВИДа используют модуляционную потокозапирающую электронную схему (рис. 3.24).

На СКВИД 1 падают постоянный ток смещения I_см, величина которого превышает суммарный ток Д-контактов, а с генератора 6 в катушку 7 вводят переменный ток (100...500 кГц). Создаваемый катушкой поток подмагничивания и постоянный поток смещения Ф_см подводят к СКВИДу. СКВИД соединяют с усилителем 3 через трансформатор 2. После предварительного усиления сигнал СКВИДа регистрируют синхронным детектором 4 и подают на интегратор 5. Выходным сигналом в этой схеме является напряжение V, связанное с регистрируемым потоком соотношением:

ΔV ≡ ΔФ (R_oc/M), (3.53)

где М – коэффициент взаимной индукции между катушкой 7 и
СКВИДом 1.

Рис. 3.24. Функциональная схема СКВИД-электроники: 1 – СКВИД; 2 – согласующий трансформатор; 3 – предварительный усилитель; 4 – синхронный детектор; 5 – интегратор; 6 – генератор; 7 – катушка обратной связи

Такая схема позволяет измерять изменения потока в интервале от десятков мкФо до сотен Фо. Частотный диапазон лежит в пределах от 0 до десятков кГц, максимально отслеживаемая скорость изменения потока – 10⁶ Фо/с.

Разработано несколько температурных групп ССМ: для 4,2 К (гелий), для 77 К (азот), для 300 К. В ССМ последней группы ВТСП СКВИД помещен в жидкий азот, а образцы находятся при комнатной температуре, что позволяет исследовать биологические и другие объекты, не подлежащие глубокому охлаждению.

В 1997 г. был разработан ССМ, в котором совместно со СКВИДом использована магнитомягкая игла повышения пространственного разрешения. Игла располагается между СКВИДом и образцом и является магнитопроводом, воспринимающим вариации магнитного потока вблизи образца и передающим его к петле СКВИДа. Как показала экспериментальная оценка, пространственное разрешение, определяемое острием иглы составляет примерно 100 нм, что сравнимо с разрешением магнитного силового микроскопа, но значительно превышает его чувствительность.

В табл. 3.4 для сравнения представлены основные параметры ССМ, разработанных в стране и за рубежом.

Таблица 3.4

Основные параметры ССМ

Страна, год	Температура, К	Датчик	Сканирование	Пространственное разрешение, мкм
образец	датчик	тип	Аэф, мкм2	, 10-6 ФоГц-2 ( , мТл·Гц-2)	АСК, мм2	Δx, Δy, мкм	h, мкм
Illinois, USA, 1993	~5	~5	НТСП СКВИД		100 (2)	10*10	< 4		<10
New York, USA, 1995	4,2	4,2	НТСП СКВИД	~75	2 (0,05)	0,4*0,4	~0,25	~10
Москва, Россия, 1994			ВТСП СКВИД		20 (0,066)	10*10
Maryland, USA, 1993			ВТСП СКВИД		100 (0,166)	10*10	<10	60…
California, USA, 1995			ВТСП КВИД		18 (0,12)	25*25	5,77
Saarbrűcken, Germany, 1997			ВТСП КВИД	~0,01	20 (4000)	0,015* 0,0015	0,1	0,1	0,1

На основе тонкопленочных СКВИДов в биомагнитной лаборатории ИРЭРАН были разработаны и созданы различные биомагнитные измерительные системы (в том числе и многоканальные).

Как уже отмечалось ранее, значительный практический интерес представляет исследование различных биоэлектрических источников, находящихся в сердце и мозге человека. Необходимо отметить, что ткани человека представляют многослойную проводящую среду, и задачу измерений можно сформулировать как определение положения биоэлектрического источника по измеренной двумерной (или трехмерной) карте магнитного поля, созданного этим источником. Для сравнения отметим, что традиционный подход заключается в измерении электрических потенциалов, создаваемых биоэлектрическими источниками: электрокардиография, электроэнцефалография и др. В этом случае задача интерпретации результатов, например, локализация биоэлектрических источников затруднена, поскольку в потенциалы вносят вклад все токовые диполи и особенно находящиеся в непосредственной близости от поверхности тела.

Измерения магнитной составляющей позволят получить новую информацию о природе и поведении биоэлектрических источников, находящихся в глубине тела биообъектов. Учитывая, что тела организмов представляют собой в электрическом смысле многослойную структуру с различными значениями проводимости, отметим, что границы этих слоев также не вносят искажений в магнитное поле. Разность потенциалов, возникающая на границах слоев из-за скачка проводимости, связана с так называемыми дипольными источниками, но они направлены радиально и не вносят вклад в магнитное поле вне тела биообъекта (хотя дают вклад в распределение потенциалов на его поверхности). Это обстоятельство обуславливает целесообразность применения магнитных методов измерений в кардиологии, поскольку они дают возможность регистрировать неискаженную магнитную компоненту кардиосигнала и получать более достоверную информацию о биоэлектрических источниках в сердце.

Традиционно магнитометрические схемы для биомагнитных исследований включают в себя один или несколько измерительных зондов, считывающую электронику, АЦП для ввода измеряемых сигналов в компьютер и программное обеспечение для управления каналами, ввода и обработки данных. СКВИД – сенсор является основным элементом измерительного зонда. В качестве приемного элемента обычно используется сверхпроводниковый трансформатор потока, выполненный в форме градиентометра первого, второго или третьего порядка. Также в измерительном зонде размещают цепи согласования низкоомного импеданса СКВИДа с высокоомным входом предварительного усилителя.

В электронике применяется модуляционная схема с обратной связью по магнитному потоку, в которой сигнал обратной связи равен измеряемому и подается через сопротивление обратной связи в СКВИД с противоположным знаком, т.е. СКВИД работает как нуль – детектор. Выходное напряжение снимается с сопротивления обратной связи, при необходимости обрабатывается с помощью дополнительных фильтров и усилителей, оцифровывается в АЦП и поступает в компьютер. Обработка сигнала определяется типом задачи, для которой данная система используется.

Необходимо отметить, что перспективы дальнейшего развития биомагнитных исследований напрямую связаны с необходимостью внедрения уже созданных образцов измерительных приборов на основе СКВИДов в клиническую практику и разработку новых методик нейро- и кардио-диагностики на их основе. Успешное применение и сертификация в клиниках США и Западной Европы нейромагнитных измерительных систем с числом каналов более 100, открывают возможности более широкого их практического применения. Появление качественных ВТСП СКВИДов дает дополнительный импульс расширению работ в этой области.

Контрольные вопросы

1. Как работает СКВИД?

2. Опишите, как влияет магнитное поле на работу СКВИДА?

3. Опишите типовую логику на основе СКВИДов.

4. Поясните работу измерительных приборов на основе СКВИДов.

5. Объясните принцип работы СКВИД – магнетометра.

6. Объясните принцип работы СКВИД – градиентометра.

7. Опишите конструкцию СКВИД – микроскопа.

8. Расскажите, как работает СКВИД – кардиомонитор.

Магнитные экраны

В настоящее время необходимость прецизионных магнитных измерений возникает в самых различных областях науки и техники. Все более чувствительные и точные магнитометрические приборы применяются в самых различных отраслях. Однако проведение высокоточных магнитных измерений, исследования и испытания высокочувствительных магнитометрических приборов и устройств, а также их эксплуатация в сильной степени затруднены, а во многих случаях и невозможны из-за высокого уровня магнитных помех. Помехи эти создаются самыми разными источниками: естественными вариациями магнитного поля Земли, электромагнитными полями промышленных установок, линиями электротяги и транспорта и т.д. Например, в лаборатории, расположенной в пределах промышленного города, уровень магнитных полей в среднем составляет 0,4 – 0,6 А/м, в то время как предельная чувствительность большинства магнитометров лежит в пределах 10^-8 – 10^-3 А/м. Отсюда видно, насколько важное значение приобретают усилия, направленные на решение проблем магнитной защиты, на создание магнитных экранов, частично или полностью поглощающих магнитные помехи.

Различают три основных способа экранирования магнитных полей. Первый способ – использование экранов из ферромагнитных материалов. Второй способ – компенсация постоянных и изменяющихся магнитных полей: с помощью системы катушек с током, расположенных оптимальным образом вокруг защищенного объекта, создаются магнитные поля, противоположные полям помехи с той же напряженностью. Третий способ – использование экранов из сверхпроводниковых материалов (НТСП или ВТСП). Действие экранов основано на фундаментальных законах: эффекте Мейсснера, нулевом электрическом сопротивлении, законе сохранения магнитного потока.

Ферромагнитные экраны имеют собственные высокие магнитные шумы, сильные остаточные магнитные поля. Способ компенсации и стабилизации полей дает магнитный коэффициент ослабления (до 50 дБ), сложен в реализации и эффективен только на низких (0,1-10 Гц) частотах. Применение сверхпроводящих (СП) экранов обеспечивает в настоящее время решение практически всех задач по экранированию постоянных и изменяющихся магнитных полей.

Основными характеристиками СП экранов являются коэффициент экранирования S, коэффициент ослабления К, абсолютная dH_i/dt и относительная 1/H_i dH_i/dt стабильности остаточного поля, абсолютная однородность остаточного поля – ∆H_i.

Коэффициент экранирования характеризует степень ослабления внешнего поля, проникающего в экранируемый объем через открытые концы и отверстия СП экрана, и равен отношению изменения напряженности внешнего поля ∆H_e и изменению напряженности внутреннего поля, измеренному в центре экранируемого объема:

S = ∆H_e/∆H_i. (3.54)

Различают коэффициенты экранирования продольного (вдоль оси экрана) S_││ и поперечного S _│ поля.

S_││ = ∆H_e││ / ∆H_i││; S _│ = ∆H_{e │} / ∆H_{i │} . (3.55)

Коэффициент ослабления К экрана связан с выталкиванием поля из полости экрана при его переходе в сверхпроводящее состояние и захватом части магнитного потока в виде замороженных магнитных полей в полости экрана. Коэффициент равен отношению напряженности постоянного остаточного поля H_i в центре экранируемого объема:

K = H_e/H_i. (3.56)

Для продольной и поперечной компонент поля можно записать:

K_││ = H_e││/ H_i││; K _│ = H_{e │} / H_{i │} . (3.57)

Абсолютная однородность остаточного магнитного поля ∆H_i (градиент поля) характеризует пространственное изменение напряженности поля на единицу длины:

∆H_i = (H_i2 – H_i1 ) / L, (3.58)

где L – расстояние между точками l и 2 поля.

Относительная однородность остаточного поля равна отношению абсолютной однородности поля к среднему значению напряженности остаточного поля H_i:

δH_i =ΔH_i /H_i. (3.59)

Абсолютная стабильность остаточного поля характеризует максимальное изменение напряженности поля за единицу времени dH_i/dt, а относительная стабильность поля равна отношению абсолютной стабильности к среднему значению напряженности остаточного поля 1/H_i dH_i /dt.

Существование эффекта Мейсснера и бесконечной проводимости дают возможность использовать сверхпроводники для экранирования изменяющихся магнитных полей: изменение внешнего магнитного поля H_e < H_ec приводит к появлению незатухающих токов. Эти токи будут циркулировать таким образом, что создадут магнитный поток, плотность которого в каждый момент времени повсюду внутри сверхпроводника или сверхпроводникового экрана точно равна по величине и противоположна по знаку плотности потока внешнего поля. Общее изменение магнитного потока в экранируемом объеме будет равно нулю.

Как уже было отмечено (п. 1.2), сверхпроводящий ток течет в поверхностном слое. Используя второе уравнение Максвелла, можно записать выражение для плотности тока:

j = H_e (0) exp (-z / λ_L), (3.60)

где λ_L – лондоновская глубина проникновения;

z – расстояние от поверхности;

H_e (0) – напряженность поля на поверхности.

Из выражения (3.45) следует, что при z >> λ_L H_e → 0, то есть полностью закрытый СП экран со стенкой, толщина которой значительно больше лондоновской глубины, обеспечивает чрезвычайно высокое экранирование магнитного поля. Если учесть, что для НТСП материалов λ_L ≈ 10^-6–10^-5 м, а для ВТСП материалов λ_L ≈ (2–3)·10^-6 м, можно говорить об абсолютном экранировании поля стенками экрана толщиной в доли миллиметра: внешние магнитные поля могут проникать в экранируемую область только через входные отверстия.

Чаще всего применяются экраны в виде полого цилиндра, полого цилиндра с дном и в виде сферы с круглым отверстием. Опуская промежуточные выкладки, приведем выражение, описывающее зависимость напряженности магнитного поля внутри экрана от величины, ориентации внешнего поля и координат для изменяющихся магнитных полей.

Для полого цилиндра с открытыми концами можно записать:

, (3.61)

где l=L/2, L – длина цилиндра;

k – коэффициент, зависящий от угла между осью экрана и напряженностью H_e;

z – текущая координата, совпадающая с осью экрана, в центре z=0;

d – диаметр экрана.

Для полого цилиндра с дном можно записать:

, (3.62)

. (3.63)

Для сферического экрана с дном коэффициенты экранирования поля зависят от диаметра, диаметра отверстия и координаты достаточно сложным образом. Поэтому мы не приводим здесь таблицу определения коэффициентов и отсылаем читателя, например, к [26].

Экранирование постоянных магнитных полей основано на тех же эффектах. В большинстве случаев постоянным полем является поле Земли (50·10^-6 Тл). В этом случае экранируемое поле мало, но присутствует повсеместно. Если в материале экрана имеются неоднородности (дефекты, механические напряжения, примеси и т.д.), то при охлаждении на сверхпроводимость в поле Земли в стенках экрана могут оказаться “замороженные” магнитные потоки. Замороженный поток определяет остаточное магнитное поле, особенно это относится к керамическим ВТСП материалам.

Вопрос о том, как и в какой мере различные физические факторы (внешнее поле, частота материала, дефекты примеси, поверхностные деформации, форма дна) вызывают в сверхпроводниковом экране отклонения от идеальных свойств очень сложен и в общем виде еще не решен. Существуют эмпирические кривые, построенные на основе экспериментальных исследованиях, которыми и можно воспользоваться при проектировании криоэлектронных устройств (например, [16]).

Как низкотемпературные, так и высокотемпературные экраны различной формы выполняются в объемном или пленочном варианте. В случае применения ВТСП материалов необходимо помнить об их сложной структуре и возможности образования “слабых” участков, где может проникнуть или быть замороженным магнитный поток.

Контрольные вопросы

1. В чем необходимость экранирования?

2. Опишите принцип экранирования.

3. Охарактеризуйте способы экранирования.

4. Приведите примеры использования экранов.

5. Перечислите характеристики магнитного экрана и опишите методы их определения.

6. Опишите особенности работы ВТСП магнитных экранов.

ГЛАВА 4