Высокотемпературный сквид-магнитометр постоянного тока

 

Изобретение относится к электромагнитным измерениям, в частности, переменных магнитных полей и может быть использовано в измерительной технике, радиоастрономии, геофизике, а также медицине, например, для измерения магнитных полей сердца и головного мозга человека. Высокотемпературный СКВИД-магнитометр постоянного тока содержит двуконтактный квантовый интерферометр, катушку обратной связи, индуктивно связанную с двухконтактным квантовым интерферометром, усилитель, выполненный на биполярных транзисторах и находящийся при температуре кипения жидкого азота, интегратор, гальванически развязанные первый и второй источники питания, мостовую схему, в одно плечо которой включены последовательно соединенные первый и второй резисторы, объединенные выводы которых подключены к неинвертирующему входу усилителя, а в другое плечо мостовой схемы последовательно включены соединенные двухконтактный квантовый интерферометр и третий резистор, мостовая схема и катушка обратной связи находятся при темепратуре кипения жидкого азота. Устройство обладает высокой чувствительностью, высокой усойчивостью к помехам и обладат возможностью работы в неэкранированных помещениях. 2 ил.

Изобретение относится к области электромагнитных измерений, в частности, параметров переменных магнитных полей и может быть использовано в измерительной технике, радиоастрономии, геофизике а также медицине, например, для измерения магнитных полей сердца и головного мозга человека.

Известен сверхпроводниковый магнитоградиентометр для биомагнитных измерений (авт.св. СССР N 1624376, кл. G 01 R 33/035). Устройство содержит приемный градиентометрический контур второй производной с крайними и центральными витками, расположенный в хвостовой части немагнитного Дьюара, квантовый интерферометр, катушку связи, блок съема сигнала с квантового интерферометра, резистор, катушку обратной связи квантового интерферометра, блок регистрации, блок управления, управляемый резистивный делитель напряжения. Фильтр нижних частот, усилитель, компенсационную катушку. Устройство предназначено для измерения магнитных полей головного мозга человека.

К недостаткам этого устройства следует отнести его низкую устойчивость к внешним воздействиям, которая определяется его относительно узкой полосой пропускания сигнала, а также его сложность, громоздкость и невозможность работы этого устройства в неэкранированных помещениях.

Известен высокотемпературный сверхпроводящий СКВИД-магнитометр (Appl. Phys. Lett., Vol. 68, 13, 25 March 1996), содержащий двухконтактный квантовый интерферометр, PL-цепь положительной обратной связи, включенную параллельно двухконтактному квантовому интерферометру, катушку обратной связи, индуктивно связанную с двухконтактным квантовым интерферометром, усилитель, выход которого через резистор соединен с инвертирующим входом интегратора, выполненного на операционном усилителе и последовательно соединенных резисторе и конденсаторе, первый и второй источники питания, мостовую схему, в одно плечо которой включены последовательно соединенные резисторы, объединенные выводы которых подключены к неинвертирующему входу усилителя, а в другое плечо мостовой схемы включены последовательно соединенные двухконтактный квантовый интерферометр с параллельно соединенной RL - цепью и резистор, объединенные выводы которых подключены к инвертирующему входу усилителя, при этом первый источник питания включен в диагональ мостовой схемы, а выводы второго источника питания соединены с входами питания усилителя, причем один из выводов катушки обратной связи соединен с выводом другого резистора, объединенные выводы резистора и конденсатора соединены с инвертирующим входом интегратора, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, другой вывод конденсатора подключен к выходу интегратора, а другой вывод резистора соединен с общей шиной, причем мостовая схема и катушка обратной связи находятся при температуре кипения жидкого азота.

Недостатками этого устройства являются его относительно невысокая устойчивость, определяемая его узкой полосой пропускания, лимитированной RL - цепью, а также возможность работы только в экранированных помещениях.

Общими существенными признаками известного устройства и заявляемого устройства являются: двухконтактный квантовый интерферометр, катушка обратной связи, индуктивно связанная с двухконтактным квантовым интерферометром, усилитель, интегратор, выполненный на операционном усилителе и последовательно соединенных резисторе и конденсаторе, первый и второй источники питания, мостовая схема, в одно плечо которой включены последовательно соединенные первый и второй резисторы, объединенные выводы которых подключены к неинвертирующему входу усилителя, а в другое плечо мостовой схемы включены последовательно соединенные двухконтактный квантовый интерферометр и третий резистор, объединенные выводы которых подключены к инвертирующему входу усилителя, при этом первый источник питания включен в диагональ мостовой схемы, а выход второго источника питания соединен с входом питания усилителя, причем один из выводов катушки обратной связи соединен с выводом четвертого резистора, объединенные выводы резистора и конденсатора интегратора соединены с инвертирующим входом интегратора, другой вывод конденсатора подключен к выходу интегратора, а другой вывод резистора соединен с общей шиной, причем мостовая схема и катушка обратной связи находятся при температуре кипения жидкого азота.

Отличительными существенными признаками являются следующие: первый и второй источники питания гальванически развязаны, усилитель выполнен на биполярных транзисторах и находится при температуре кипения жидкого азота, причем балансирующий вход усилителя соединен с управляющим выходом первого резистивного делителя напряжения, один вывод которого соединен с выходом второго источника питания, а другой вывод соединен с общей шиной, при этом сигнальный выход усилителя соединен с неинвертирующим входом интегратора, один вывод катушки обратной связи через четвертый резистор соединен с общей шиной, а другой вывод катушки обратной связи через пятый резистор соединен с управляющим входом второго резистивного делителя напряжения, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод - с выходом интегратора, являющегося выходом устройства.

При этом совокупность признаков заявляемого устройства обеспечивает достижение следующего технического результата: повышение чувствительности устройства, повышение устойчивости его работы за счет расширения полосы пропускания, обеспечение возможности его работы в неэкранированных помещениях.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг.1 изображена структурная схема заявляемого устройства, где 1 - двухконтактный квантовый интерферометр, 2 - катушка обратной связи, 3 - усилитель, 4 - интегратор, 5 - первый источник питания, 6 - второй источник питания, 7 - первый резистор, 8 - второй резистор, 9 - третий резистор, 10 - четвертый резистор, 11 - пятый резистор, 12 - резистор интегратора, 13 - конденсатор интегратора, 14 - первый резистивный делитель напряжения, 15 - второй резистивный делитель напряжения, на фиг. 2 изображена структурная схема усилителя (3), где 16 - входной транзистор левого плеча, 17 - входной транзистор правого плеча, 18 - источник тока левого плеча, 19 - источник тока правого плеча, 20 - эмиттерный резистор левого плеча, 21 - эмиттерный резистор правого плеча, 22 - эмиттерный источник тока, 23 - выходной буферный каскад.

Сущность изобретения заключается в следующем: высокотемпературный СКВИД-магнитометр постоянного тока изготовлен на основе пленки УВСО и включает в себя усилитель (3), выполненный на биполярных транзисторах по известной схеме (5TH INTERNATIONAL SUPERCONDUCTIVE ELEKTRONICS CONFERENCE (ISEC-95) September 18-21, 1985 Nagoya, Japan, Lett. 346), находящийся при температуре кипения жидкого азота с подключенной к нему мостовой схемой, в одно плечо которой включены последовательно соединенные первый (7) и второй (8) резисторы, равные по величине сопротивления, а в другое плечо мостовой схемы включены последовательно соединенные двухконтактный квантовый интерферометр (1) и третий (9) резистор, сопротивление которого должно быть равным сопротивлению двухконтактного квантового интерферометра (1) в рабочей точке. Таким образом удается практически полностью скомпенсировать постоянное напряжение на входе усилителя (3). Все резисторы, включенные в устройство, металлопленочные.

Первый источник питания (5), запитывающий высокотемпературный СКВИД-магнитометр постоянного тока, включен в диагональ мостовой схемы, с другой диагонали которой снимается полезный сигнал, поступающий на усилитель (3). Усилитель (3), находящийся при температуре кипения жидкого азота (77К) и созданный на основе биполярных транзисторов, имеет сверхнизкий уровень белого шума - порядка 200 пВ/Гц и частоту среза шума 1/f около 3 Гц, благодаря этому возможно непосредственное соединение двухконтактного квантового интерферометра (1) с усилителем (3) без трансформатора и без изменения вольт амперной характеристики устройства с помощью дополнительной RL-цепи положительной обратной связи, как это достигается в известном устройстве. Магнитный поток, принятый и преобразованный двухконтактным квантовым интерферометром (1), который вместе с резисторами (7,8 и 9) образует мостовую схему, поступает с одной из диагоналей мостовой схемы на вход усилителя (3), находящегося при температуре кипения жидкого азота (77К). Питание двухконтактного квантового интерферометра (1) осуществляется первым источником питания (5) через другую диагональ мостовой схемы. С выхода усилителя (3) сигнал поступает на неинвертирующий вход интегратора (4). С выхода интегратора (4) усиленный и преобразованный сигнал поступает на второй резистивный делитель напряжения (15), с которого снимается сигнал обратной связи, поступающий через пятый резистор (11) на катушку обратной связи (2), индуктивно связанную с двухконтактным квантовым интерферометром (1). Выходной сигнал СКВИД-магнитометра снимается с выхода интегратора (4). Первый резистивный делитель напряжения (14), подключенный к второму источнику питания (6), используется для выбора рабочей точки усилителя (3) по постоянному току.

Второй резистивный делитель напряжения (15) задает "глубину" обратной связи, то есть максимальный диапазон низкочастотного магнитного потока.

В заявляемом устройстве сигнал усиливается усилителем (3) примерно в 3000 раз до уровня 30-60 мВ и передается к электронной части устройства, находящейся при комнатной температуре, по двухпроводной витой линии длиной 0,6 м, где сигнал усиливается примерно до уровня 5-10 В и формируется сигнал обратной связи. Интегратор (4) может быть выполнен на операционном усилителе ОР-27 или ОР-37, выбор режима работы которого определяется следующими условиями.

Для оптимального согласования его с усилителем (3) он должен иметь входное сопротивление, значительно превышающее выходное сопротивление усилителя (3), что обеспечивается подключением выхода усилителя (3) к неинвертирующему входу интегратора (4), постоянная интегрирующей цепи которого τ = R/12/xC/13 должна обеспечивать необходимую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) сигнала обратной связи для устойчивой работы всего устройства и поддерживать высокий коэффициент усиления сигнала обратной связи для высоких частот. С выхода интегратора (4) сигнал поступает на второй резистивный делитель напряжения (15), с которого снимается сигнал обратной связи, поступающий через пятый резистор (11) на вход системы через катушку обратной связи (2), индуктивность которой 1,5 мкГн. Коэффициент взаимной индукции между двухконтактным квантовым интерферометром (1) и катушкой обратной связи (2) около 70 пГн. Четвертый резистор (10), соединенный с катушкой обратной связи (2), дополнительно уменьшает влияние внешних помех.

Технический результат, который достигается при реализации высокотемпературного СКВИД-магнетометра постоянного тока, - повышение чувствительности, повышение устойчивости работы за счет расширения полосы пропускания, а также обеспечение возможности его работы в неэкранированных помещениях, достигается гальванической развязкой первого источника питания (5), питающего мостовую схему, и второго источника питания (6), питающего усилитель (3), что обеспечивает устойчивость устройства в отношении помех по положительной обратной связи, а также обеспечивает стабильность параметров устройства во всем динамическом диапазоне сигнала. Выполнение усилителя (3) на биполярных транзисторах (16, 17), работающих при температуре кипения жидкого азота (77К), позволяет обеспечить значительное повышение чувствительности за счет достижения низкого уровня белого шума и малого значения частоты среза шума типа 1/f, что недостижимо при выполнении усилителя на таком же количестве полевых транзисторов. Подключение выхода усилителя (3) к неинвертирующему входу интегратора (4) обеспечивает их оптимальное согласование в широкой полосе частот, при этом параметры конденсатора и резистора интегратора (4) выбираются такими, чтобы обеспечить оптимальное согласование с цепями, подключаемыми к выходу интегратора, и исключить тем самым влияние их на параметры устройства в целом. При этом обеспечивается требуемое расширение полосы пропускания частот, обеспечивающее высокую устойчивость работы устройства при внешних воздействиях и, как следствие, возможность его работы в неэкранированных помещениях.

Формула изобретения

Высокотемпературный СКВИД-магнитометр постоянного тока, содержащий мостовую схему, в одно плечо которой включены последовательно соединенные первый и второй резисторы, объединенные выводы которых подключены к неинвертирующему входу усилителя, а в другое плечо мостовой схемы включены последовательно соединенные двухконтактный квантовый интерферометр и третий резистор, объединенные выводы которых подключены к инвертирующему входу усилителя, при этом выходы первого источника питания включены в диагональ мостовой схемы, а выход второго источника питания соединен с входом питания усилителя, а также катушку обратной связи, индуктивно связанную с двухконтактным квантовым интерферометром, четвертый резистор, вывод которого соединен с одним из выводов катушки обратной связи, и интегратор, выполненный на операционном усилителе и последовательно соединенных конденсаторе и резисторе, точка соединения которых подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен с другим выводом конденсатора и является выходом интегратора и высокотемпературного СКВИД-магнитометра постоянного тока, при этом мостовая схема и катушка обратной связи находятся при температуре кипения жидкого азота, отличающийся тем, что первый и второй источники питания гальванически развязаны, усилитель выполнен на биполярных транзисторах и находится при температуре кипения жидкого азота, причем балансирующий вход усилителя соединен с управляющим выходом первого резистивного делителя напряжения, один вывод которого соединен с выходом второго источника питания, а другой вывод - с общей шиной, при этом сигнальный выход усилителя соединен с неинвертирующим входом интегратора, другой вывод резистора которого соединен с общей шиной, к которой подключен четвертый резистор, другой вывод катушки обратной связи через пятый резистор соединен с управляющим входом второго резистивного делителя напряжения, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод - с выходом интегратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2