Приемный элемент сквид-магнитометра
Владельцы патента RU 2457502:
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение КРИОТОН" (RU)
Изобретение относится к магнитометрии биологических объектов и может быть использовано в медицине и биологии. Техническим результатом является стабилизация конструкции, повышение надежности и универсальности путем размещения заданного числа градиентометров без изменения конструкции в целом. Дополнительный технический результат состоит в подборе материала каркаса единичного градиентометра, обеспечивающего фильтрацию высокочастотных помех. Приемный элемент СКВИД-магнитометра содержит немагнитный вакуумный криостат с плоской донной частью и фланцем на горловине, скрепленным с подвеской, размещенную в донной части криостата и установленную на подвеске совокупность градиентометров, подключенных к сверхпроводниковым квантовым интерференционным датчикам (СКВИД) постоянного тока, связанным с системой регистрации. Каждый градиентометр выполнен в виде аксиального симметричного градиентометра второго порядка и представляет собой единый со СКВИДом модуль, образованный на цилиндрическом каркасе. Витки градиентометра размещены на внешней поверхности каркаса со стороны донной части криостата, а СКВИД - на противоположной концевой части в капсуле из сверхпроводникового материала, образующей магнитный экран. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к магнитометрии биологических объектов и может быть использовано в медицине и биологии, а также в других областях науки и техники.
Известно, что регистрация собственных магнитных полей живого организма позволяет провести широкий комплекс кардиографических или энцефалографических биофизических исследований. Для этих целей описано использование многоканальных измерительных систем, реализуемых как набор одноканальных приемных элементов в индивидуальных криостатах или размещаемых в одном стеклотекстолитовом криостате (см. ж. «Радиотехника», №8, 1991 г., с.75-77). В последнем случае возможно уменьшить размер регулярной сетки картирования магнитного поля сердца над грудной клеткой пациента, снизить потребление хладоагента, повысить воспроизводимость измерений, а благодаря использованию электронной компенсации помех проводить регистрацию в неэкранированном пространстве.
В изобретении JP 10155758 (A), TSUKADA и др., 16.06.1998 г., описано устройство для магнитных измерений, в котором приемная донная часть криостата некруглая и имеет усечение для головы, обеспечивающее удобство пациенту, однако измерения проводятся в экранированной камере. В другом изобретении описаны криостат и биомагнитная измерительная система, имеющая высокий уровень защиты от электромагнитных высокочастотных помех путем введения в вакуумный объем радиационных экранов, которые дополнительно заземлены (СА 2721407 (A1), ERNE SERGIO NICOLA и др., 22.10.2009). Для измерения магнитных полей мозга пациента, находящегося в положении сидя, при проведении магнитоэнцефалографических исследований описана организация экранирования и подача хладоагента в криостат (JP 2010035595 (A), TSUNEMATSU SHOJI, 18.02.2010 г.). Для облегчения настройки положения приемного элемента СКВИД-магнитометра относительно тела пациента может быть использована трехкоординатная подвеска с манипулятором (US 2008086049 (A1), SEKI YUSUKE и др., 10.04.2008), а также два установленных зеркально приемных элемента. Для проведения сканирования, в дополнение к решетке приемных элементов со СКВИД, предлагается использование подвижного ложемента для пациента (US 2008161190 (A1), KIM IN SEON и др., 03.07.2008).
Описаны аналогичные устройства, содержащие размещенные в одном криостате регулярную сетку градиентометров, подключенных к сверхпроводниковым квантовым интерференционным датчикам (СКВИД) постоянного тока, причем градиентометры установлены в приемной (донной) части криостата (US 6650107 (В2), Bakharev, 18.11.2003). В магнитокардиографическом 6-канальном приемном элементе, сформированном на немагнитной подвеске и размещенном в криостате, имеющем также референсный датчик, за счет сканирования обеспечивается регистрация 36 точек измерений (CN 101194832 (A), KAI TU и др., 11.06.2008). В заявке JP 2009291375 (А), MIKAMI YUKIO, 17.12.2009, описан криостат для биомагнитных измерений с использованием СКВИДов, которые находятся при температуре жидкого гелия и связаны сверхпроводящими проводниками с градинтометрами, размещенными на отдельной не связанной со СКВИДами подвеске, что усложняет конструкцию.
Наиболее близким по технической сущности является приемный элемент СКВИД-магнитометра, содержащий немагнитный вакуумный криостат (сосуд Дьюара) с плоской донной частью и фланцем на горловине, скрепленным с подвеской. Устройство включает размещенные в донной части криостата и установленные на подвеске совокупность градиентометров, подключенных к сверхпроводниковым квантовым интерференционным датчикам (СКВИД) постоянного тока, связанным с системой регистрации (US 4700135 (A), HOENIG ECKHARDT, опубл. 13.10.1987).
Однако такой конструкции свойственны недостатки, а именно различная длина, а соответственно и индуктивность проводников, связывающих градиентометры со СКВИДами, что затрудняет калибровку чувствительности каждого элемента приемной матрицы. Кроме того, подключение градиентометров к СКВИДу рекомендовано через пружинный зажим, который находится при криогенных температурах, что не исключает потери сверхпроводникового контакта между градиентометром и входной катушкой СКВИДа.
Патентуемое изобретение направлено на упрощение конструкции, повышение универсальности при использовании одного типоразмера криостата для решетки с разным числом градиентометров.
Приемный элемент СКВИД-магнитометра содержит немагнитный вакуумный криостат с плоской донной частью и фланцем на горловине, скрепленным с подвеской, размещенную в донной части криостата и установленную на подвеске совокупность градиентометров, подключенных к сверхпроводниковым квантовым интерференционным датчикам (СКВИД) постоянного тока, связанным с системой регистрации.
Патентуемое устройство характеризуется тем, что каждый градиентометр выполнен в виде аксиального симметричного градиентометра второго порядка и представляет собой единый со СКВИДом модуль, образованный на цилиндрическом каркасе. Приемные витки градиентометра размещены на внешней поверхности каркаса со стороны донной части криостата, а СКВИД - на противоположной концевой части в капсуле из сверхпроводникового материала, образующей сверхпроводниковый магнитный экран. Подвеска представляет собой конструкцию из стеклотекстолита, имеющую по меньшей мере три полки, параллельные донной части криостата и скрепленные штангами, а упомянутые модули закреплены в сквозных отверстиях полок.
Элемент может характеризоваться и тем, что криостат имеет внутреннюю и наружную вакуумноплотные оболочки из стеклотекстолита, в пространстве между которыми размещены тепловые экраны и многослойная термоизоляция, при этом на донной поверхности внутренней оболочки выполнены лунки для фиксации в них оконечностей каркасов модулей.
Элемент может характеризоваться также тем, что модули размещены по регулярной сетке на подвеске и их число составляет 2, 3, 4, 6, 9, 18, 36.
Элемент может характеризоваться, кроме того, тем, что цилиндрический каркас в зоне размещения витков градиентометров имеет вставку из пиролитического графита, при этом витки размещены на поверхности вставки.
Элемент может характеризоваться и тем, что витки градиентометров выполнены из провода сплава Nb-Ti, имеют диаметр d=18-22 мм при базе L=2,5-3,5 d, при этом длина проводов витой пары от ближайшей витки до клемм СКВИДА составляет 2L.
Технический результат - обеспечение удобства сборки и юстировки конструкции, а также повышение надежности и универсальности путем размещения заданного числа градиентометров. Дополнительный технический результат состоит в подборе материала каркаса единичного градиентометра, обеспечивающего фильтрацию высокочастотных помех.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где на:
фиг.1 показана конструкция приемного элемента СКВИД-магнитометра в разрезе;
фиг.2 - то же, что на фиг.1, разрез по А-А;
фиг.3 - модуль градиентометра в разрезе;
фиг.4 - вид на конструкцию подвески.
Приемный элемент СКВИД-магнитометра (см. фиг.1, 2) содержит немагнитный вакуумный криостат 1 с плоской донной частью 2 и фланцем 3 на горловине 4, скрепленным с подвеской 5.
В подвеске 5 установлены измерительные модули 6, их выходные клеммы подключены к электрическим разъемам 7, установленным на фланце 3, для присоединения к системе регистрации.
Криостат 1 имеет внутреннюю 11 и наружную 12 стеклотекстолитовые вакуумноплотные оболочки, в пространстве 13 между которыми размещены тепловые экраны 14 и многослойная термоизоляция 15. На донной поверхности 16 внутренней оболочки 11 выполнены лунки 17 для фиксации в них оконечностей каркасов модулей 6.
Подвеска 5 представляет собой конструкцию из стеклотекстолита, имеющую по меньшей мере три полки 511-513, параллельные донной части 2 криостата 1 и скрепленные штангами 52, а модули 6 закреплены в сквозных отверстиях 53 полок 511-513. Такая конструкция позволяет наращивать число модулей, т.е. изменять разрешающую способность приемного элемента СКВИД-магнитометра в рамках типоразмерного ряда.
Каждый модуль 6 (фиг.3) выполнен в виде аксиального симметричного градиентометра 61 второго порядка, подключенного к СКВИДу 62, и представляет собой механически жесткую конструкцию, образованную на стеклотекстолитовом каркасе 63.
Градиентометр 61 второго порядка, схема которого известна из уровня техники, имеет витки приемных трансформаторов потока: одиночный виток 611, сдвоенный виток 612 и одиночный виток 613, разнесенные в пространстве на длине L. Концы витков градиентометра 61 в виде витой пары 614 пропускаются через отверстие 631 и присоединяются непосредственно к СКВИДу 62. В зоне размещения витков 611-613 на каркасе 63 имеется выточка, в которую помещена цилиндрическая вставка 64 из пиролитического графита. В углублениях на поверхности вставки 64 и размещены витки градиентометра 61.
Витки 611-613 градиентометра выполнены из провода сплава Nb-Ti, имеют диаметр d=l8-22 мм при базе L=2,5-3,5 d. Длина проводов витой пары 614 от ближайшей витки 613 до клемм СКВИДа 62 составляет 2L. Этим самым обеспечивается оптимальность согласования индуктивностей приемных трансформаторов магнитного потока и входных катушек используемых СКВИДов.
Крепление модуля 6 в отверстиях 53 полок 51 осуществляется посредством фланца 64 с отверстиями 65 под винт. Каждый СКВИД 62 защищен сверхпроводящим магнитным экраном, конструктивно выполненным в виде цилиндрической ампулы 66 из ниобия. В торцевой части ампулы размещен выходной разъем 67, через который проводами 68 СКВИД подключается к разъему 7. Провода 68 пропущены через трубки 681 из нержавеющей стали.
Модули 6 размещены по регулярной сетке на подвеске 5, и их число может составлять 2, 3, 4, 6, 9, 18, 36 и более.
Изготовление и сборку патентуемого устройства осуществляют следующим образом (см. фиг.4). На цилиндрических графитовых вставках 64 в канавки на их поверхности укладываются витки 611-613 провода из сплава Nb-Ti согласно схеме намотки градиентометра второго порядка. Выходные проводники свиваются в витую пару 614 для исключения их влияния на измерительные свойства. Затем графитовая вставка 64 с изготовленным градиентометром 61 устанавливается на каркас 63. Провод через отверстие 631 пропускается в верхнюю часть измерительного модуля к ампуле 66 СКВИДа 62 и соединяется с его входной катушкой. Таким способом формируется трансформатор потока, передающий измеренный приемными витками 611-613 градиентометра магнитный поток входного поля в СКВИД 62. Выходные сигналы через разъем 67 передаются на внешнюю электронику.
Измерительные модули 6 устанавливаются в отверстиях 53 пластины 511, которая в целом определяет конфигурацию сетки измерений системы СКВИД-магнитометра, и закрепляются в ней винтами посредством фланцев 64. Для придания жесткости всей конструкции на градиометры снизу надеваются две дополнительные пластины 512, 513, скрепленные штангами 52. Соответственным образом конфигурацию отверстий 53 пластин 511-513 должны повторять и лунки 17 на донной поверхности.
Стеклопластиковый криостат и элементы подвески могут быть изготовлены по известной технологии (RU 2312017 C2, Масленников и др., 10.12.2007). Особенности построения системы регистрации сигналов описаны в ст. Ю.В.Масленникова «Магнитокардиографические диагностические комплексы на основе СКВИДов серии «МАГ-СКАН», ж. «Радиотехника и электроника», 2011, том 56, №5, с.1-9.
1. Приемный элемент СКВИД-магнитометра, содержащий
немагнитный вакуумный криостат с плоской донной частью и фланцем на горловине, скрепленным с подвеской, размещенную в донной части криостата и установленную на подвеске совокупность градиентометров, подключенных к сверхпроводниковым квантовым интерференционным датчикам (СКВИД) постоянного тока, связанным с системой регистрации, отличающийся тем, что каждый градиентометр выполнен в виде аксиального симметричного градиентометра второго порядка и представляет собой единый со СКВИДом модуль, образованный на цилиндрическом каркасе, при этом витки градиентометра размещены на внешней поверхности каркаса со стороны донной части криостата, а СКВИД - на противоположной концевой части в капсуле из сверхпроводникового материала, образующей магнитный экран, причем
подвеска представляет собой конструкцию из стеклотекстолита, имеющую по меньшей мере три полки, параллельные донной части криостата и скрепленные штангами, а упомянутые модули закреплены в сквозных отверстиях полок.
2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что криостат имеет внутреннюю и наружную вакуумно-плотные оболочки из стеклотекстолита, в пространстве между которыми размещены тепловые экраны и многослойная термоизоляция, при этом на донной поверхности внутренней оболочки выполнены лунки для фиксации в них оконечностей каркасов модулей.
3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что модули размещены по регулярной сетке на подвеске и их число составляет 2, 3, 4, 6, 9, 18, 36.
4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что цилиндрический каркас в зоне размещения обмоток трансформаторов потока градиометров имеет вставку из пиролитического графита, при этом витки градиентометра размещены на поверхности вставки.
5. Элемент по п.1, отличающийся тем, что витки градиентометра выполнены из провода сплава Nb-Ti, имеют диаметр d=18-22 мм при базе L=2,5-3,5 d, при этом длина проводов витой пары от ближайшей витки до клемм СКВИДА составляет 2L.
