Магнитные сенсоры. Сенсоры на сквидах. Индуктивные сенсоры

12.3. Сверхчувствительные магнитные сенсоры на сквидах

12.3.1. Сверхпроводимость, эффекты Джозефсона и сквид

Наиболее чувствительные магнитные сенсоры используют явление сверхпроводимости и т.н. " эффекты Джозефсона ". Напомним, что при очень низких температурах, ниже т.н. критической температуры (она для каждого материала своя), ряд металлов и сплавов становятся сверхпроводящими. В сверхпроводящем состоянии они не оказывают никакого сопротивления протеканию электрического тока. Сверхпроводимость обусловлена квантовомеханическим взаимодействием между электронами с противоположно направленными "спинами" (собственными вращательными моментами). Благодаря этому взаимодействию при определенных условиях электроны объединяются в устойчивые пары, которые в честь первооткрывателя часто называют "куперовскими парами". Каждая куперовская пара ведет себя как квазичастица с нулевым спином и с электрическим зарядом вдвое больше, чем заряд одного электрона.

Для перехода в другое разрешенное энергетическое состояние им нужна значительная энергия. Поэтому спаренные электроны не могут рассеиваться на атомах, ионах, дефектах кристаллической решетки, из-за чего и пропадает электрическое сопротивление. Если плотность тока остается ниже критической, то в замкнутом контуре из сверхпроводников электрический ток может циркулировать довольно долго при отсутствии всякой сторонней ЭДС.

Известно, что на частицы с целым спином не распространяется принцип Паули. Все они могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, описываются общей волновой функцией, иначе говоря, являются когерентными. Макроскопическая квантовая интерференция волновых функций всех куперовских пар приводит к тому, что суммарный магнитный поток, который пронизывает контур, (он состоит из магнитного потока, обусловленного электрическим током в контуре, и потока, обусловленного внешним магнитным полем) может принимать лишь дискретные значения, кратные величине

( 12.2)

Очень чувствительный к изменениям магнитного поля элемент, так называемый " квантовый интерферометр " или " сквид " (от англ. названия "Super-conducting Quantum Interference Device", сокращенно SQUID), представляет собой электрический контур из сверхпроводников, разделенных одним или двумя переходами Джозефсона (ПД) [ [ 111 ] , [ 211 ] , [ 234 ] , [ 246 ] и Интернет-сайт http://www.superconductors.org/]. В качестве сверхпроводников чаще всего используют ниобий и его соединения. ПД могут быть нескольких типов. Чаще всего это очень тонкий (толщиной около 2 нм) слой окисла между двумя металлическими пленочными сверхпроводниками, – переход типа SIS (сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник). Другой тип имеет структуру SNS (сверхпроводник – нормальный металл – сверхпроводник). Слой нормального металла может иметь толщину больше, чем слой изолятора – порядка 10 нм. Третий тип это т.н. "мостик" – узкая перемычка между двумя относительно широкими пленочными сверхпроводниками.

Пары связанных электронов могут проходить сквозь тонкий ПД благодаря туннельному эффекту – явлению, которое объясняет квантовая механика. Джозефсон обнаружил, что, если ток через переход не превышает некоторое критическое значение , то сверхпроводимость не разрушается, и падение напряжения на переходе равно нулю. Вследствие макроскопической интерференции между волновыми функциями куперовских пар с двух сторон ПД устанавливается постоянная разность фаз , которая и определяет величину сверхпроводящего электрического тока через ПД:

( 12.3)

Если величина электрического тока через ПД превышает критическое значение, то на ПД появляется не нулевое напряжение , которое синусоидально зависит от магнитного потока, пронизывающего сквид.

Если к ПД в сверхпроводящем состоянии приложить постоянное напряжение , то через ПД течет переменный ток с частотой, пропорциональной приложенному напряжению:

( 12.4)

12.3.2. Сверхпроводящие магнитометры

Типичная функциональная схема сверхпроводящего магнитометра с использованием сквида показана на рис. 12.6, а. На нём 1 – это условное изображение сверхпроводящего квантового интерферометра ( сквида ).

Рис. 12.6. а) Функциональная схема сверхпроводящего магнитометра: 1 – сквид, 2 – источник постоянного тока, 3 – измерительный узел, 4 – катушка обратной связи, 5 – трансформатор магнитного потока, 6 – входные рамки. б) Зависимость напряжения на сквиде от магнитного потока

Через сквид 1 от источника 2 пропускают постоянную составляющую электрического тока ("транспортный ток"). Поэтому такие магнитометры называют "магнитометрами на сквидах постоянного тока". Когда транспортный ток превышает критическое значение , то на ПД появляется напряжение , которое измеряет узел 3. Зависимость этого напряжения от магнитного потока, пронизывающего сквид, показана на рис. 12.6, б. Из неё видно, что, измеряя напряжение на сквиде 1 с помощью электронного узла 3, можно определять величину магнитного потока с точностью до малых долей магнитного кванта. Регулируя постоянный ток от источника 2, можно подбирать средний уровень напряжения на сквиде, а с помощью катушки подмагничивания 4, можно выбрать наиболее удобное расположение рабочей точки на шкале магнитного потока или пропорциональной ему магнитной индукции.

Используют и вариант работы, когда на катушку 4 от узла 3 подается небольшой модулированный переменный ток. Тогда напряжение на выходе сквида пульсирует с той же частотой, а амплитуда пульсаций зависит от потока магнитной индукции сквозь контур сквида. При фиксированной площади сквида это будет зависимость от проекции вектора магнитной индукции на нормаль к его плоскости.

Магнитная индукция может измеряться и в отдаленном от сквида месте с помощью входной рамки 6 и трансформатора магнитного потока 5, показанных на рис. 12.6, а штриховыми линиями. Изменения магнитного потока, который пронизывает рамку 6, приводят к соответствующему изменению тока через контур 5 и связанного с ней магнитного потока через контур сквида. Если использовать две одинаковые рядом расположенные рамки 6 и включить их в электрическую цепь трансформатора 5 навстречу одна другой, как это показано на рис. 12.6, а, то сигнал на выходе сенсора становится пропорциональным градиенту магнитного поля в месте расположения рамок 6.

Чувствительность магнитометров характеризуют минимальным изменением магнитного потока, которое можно зафиксировать, отнесенным к единичной полосе частот. Чувствительность наилучших сверхпроводящих магнитометров достигает . Чувствительность по магнитной индукции достигает 10^-13 Тл. И очень важно, что эта чувствительность не зависит от уровня постоянной составляющей магнитного поля, т.е. совсем небольшие изменения можно измерять на фоне сильного постоянного магнитного поля.

Несколько меньшую чувствительность имеют магнитометры на сквидах переменного тока, принцип действия которых показан на рис. 12.7.

Рис. 12.7. Схема магнитометра переменного тока на сквиде: 1 – сквид с одним ПД; 2 – колебательный электромагнитный контур; 3 – генератор переменного тока

Здесь используют сквид 1 с одним ПД, возле которого размещают колебательный контур 2. Между ними возникает индуктивная связь, показанная на рис. 12.7 штриховой стрелкой. На колебательный контур от генератора 3 подают переменный ток с частотой, близкой к резонансной частоте контура. В этом случае импеданс контура 2 становится очень чувствительным к изменениям внешнего магнитного потока , пронизывающего сквид. Выходным сигналом являются падения переменного напряжения на контуре.

12.3.3. Магнитокардиографический сенсор на сквидах

На базе сверхчувствительных магнитометров создан целый ряд интеллектуальных сенсоров. В "От простых сенсоров - к интеллектуальным" мы упоминали о магнитокардиографах [ [ 19 ] , [ 20 ] , [ 91 ] ] – интеллектуальных сенсорах, позволяющих отслеживать незначительные изменения магнитного поля, связанные с работой сердца, и делать на основе этого важные диагностические медицинские выводы. В качестве примера, опишем коротко магнитокардиографический информационно-вычислительный комплекс "Кардиомаг" [ [ 19 ] , [ 20 ] , [ 91 ] ]. Функциональная схема этого комплекса показана на рис. 12.8. Многоканальный (7 каналов) магнитометр 1 на сквидах воспринимает в четырех точках вертикальную компоненту периодических изменений магнитного поля, обусловленных работой сердца пациента, а также все три пространственные компоненты фонового магнитного поля, усиливает их и передает в электронный блок 2.

Рис. 12.8. Функциональная схема интеллектуального магнитнокардиографического сенсора "Кардиомаг": 1 – многоканальный магнитометр на сквидах; 2 – электронный блок; 3 – криостат с жидким гелием; 4 – криогенный модуль; ПК – персональный компьютер; 5 – электрокардиограф; 6 – программное обеспечение

Детали работы и конструкции магнитометра описаны в [ [ 20 ] , [ 21 ] ]. Блок 2, в состав которого входят микропроцессор и мультиплексор, руководит порядком считывания сигналов от разных сквидов, обрабатывает полученные сигналы и передает данные в виде цифровых кодов персональному компьютеру (ПК). Все сквиды находятся при температуре ниже критической. Необходимая температура поддерживается с помощью криостата 3 с жидким гелием. Одной заправки криостата (11 л жидкого гелия) хватает для непрерывной работы магнитометра в течение пяти суток, т.е. на всю рабочую неделю.

Криостат 3 и многоканальный магнитометр 1 конструктивно объединены в криогенный модуль 4. Пациент спокойно лежит на кровати, которую можно перемещать так, чтобы точно установить сквиды в нужную позицию относительно сердца пациента. С целью получения опорных сигналов электрокардиограф 5 регистрирует стандартную электрокардиограмму. Опорные сигналы ЭКГ поступают в ПК и в электронный блок 2, где используются для определения моментов считывания магнитных сигналов, связанных с работой сердца. Электронный блок 2 автоматически компенсирует внешнее магнитное поле, контролирует уровень жидкого гелия в криостате. Он же вырабатывает стандартные сигналы, с помощью которых можно проверять работу и характеристики каждого из каналов, регулировать их.

Программное обеспечение системы состоит из двух автономных пакетов программ [ [ 91 ] ], работа которых разделена во времени. Первый пакет используют во время проведения измерений, а второй – после обследований всей группы пациентов – с целью дальнейшего детального анализа полученных результатов. Программные модули первого пакета обеспечивают прием информации от электронного блока 2, контроль ее качества и размещение в базе данных, цифровую фильтрацию полученных сигналов, прием и анализ ЭКГ сигналов, формирование и выдачу на экран ПК магнитокардиограмм, синхронизированных с электрокардиограммой. Они поддерживают также обратную связь с блоком 2 с целью автоматической оптимизации условий измерения в зависимости от конкретных обстоятельств и особенностей организма пациента. Они также выполняют усреднение полученных данных по нескольким последовательным сердечным циклам, обеспечивают возможность редактирования полученных данных квалифицированным специалистом, организуют работу с базой данных и т.п.

Второй программный пакет содержит модули анализа пространственно-временных изменений магнитного поля сердца, построение их изображений на экране монитора. Другие модули вычисляют ряд заданных медико-диагностических параметров, которые характеризуют динамику работы участков сердца, нарушение сердечных ритмов и т.п. В этот пакет программ входят также модули, которые численно решают так называемую "обратную задачу" теории поля: "исходя из пространственного распределения магнитного поля, найти распределение его источников". По этим данным строятся и выводятся на экран монитора изображения источников магнитного поля (электрических токов) в соответствующем сечении сердечной мышцы в разных фазах сердечного цикла, определяется локализация в сердце аритмогенных зон и т.д.

Интеллектуальный магнитокардиографический сенсор "Кардиомаг" уже много лет успешно работает в Национальном научном центре "Институт кардиологии им. академика М.Д. Стражеско" АМН Украины, что позволило создать и отработать ряд важных медицинских методик обследования пациентов и высококачественной диагностики заболеваний сердца [ [ 19 ] ]. С его применением обследованы тысячи пациентов, уточнены их диагнозы, оптимизированы методики лечения.

По аналогичному принципу построены также магнитоэнцефалографические сенсоры, которые позволяют регистрировать слабые переменные магнитные поля, связанные с работой мозга человека, обнаруживать имеющиеся там нарушения активности и сверхактивные зоны, локализовать места нарушений [ [ 135 ] ].

Перспективы магнитокардиографов и магнитоэнцефалографов на сквидах в последнее время значительно возросли благодаря появлению высокотемпера-турных сверхпроводников [ [ 149 ] ]. Для работы таких сенсоров уже не нужен жидкий гелий, применяют значительно более дешевый жидкий азот.

12.3.4. Сканирующий микроскоп на сквидах

Другим примером интеллектуальных сенсоров на сквидах является сканирующий сквид-микроскоп. Его общая функциональная схема показана на рис. 12.9 слева.

Рис. 12.9. Слева – функциональная схема сканирующего сквид-микроскопа: 1 – исследуемый образец; 2 – координатный стол; 3 – управление столом; 4 – чувствительные элементы на сквидах; 5 – хладопровод; 6 – жидкий азот; 7 – криостат; 8 – электронный блок; справа – сквид-микроскоп ССМ-77

Исследуемый образец 1 устанавливают на прецизионный координатный стол 2, работой которого управляет узел 3. Рядом с образцом, на минимальном расстоянии от него, находятся микроминиатюрные магниточувствительные элементы 4 на сквидах. Чтобы поддерживать температуру ниже критической, они установлены на хладопроводе 5, конец которого погружен в жидкий азот 6, залитый в криостат 7. Сигналы от магниточувствительных элементов подаются в электронный блок 8, где усиливаются, фильтруются, обрабатываются и в виде цифровых кодов передаются в ПК. По команде оператора компьютер организует перемещения координатного стола, на котором установлен образец, вдоль координат Х и Y и измерение в каждом положении, т.е. в каждой точке поверхности образца, проекций вектора индукции магнитного поля и/или его градиента.

Таким способом на экране монитора формируется увеличенное в десятки-сотни раз двух- или трёхмерное изображение магнитного поля объекта. На рис. 12.9 справа показано фото криогенной части сканирующего микроскопа на сквидах марки ССМ-77, созданного на физическом факультете МГУ. На его основе в ИЗМИРАН России с использованием высокотемпературных сквидов создан сканирующий сквид-микроскоп ССМ-300, который уже может исследовать объекты, находящиеся при обычной комнатной температуре до 300 К (см. Интернет страницу http://perst.isssph.kiae.ru/Inform/HiTech/squid.htm).

По сравнению с традиционными методами магнитной, ультразвуковой и радиографической дефектоскопии сквид-микроскопия, благодаря сверхвысокой чувствительности, позволяет обнаруживать скрытые, значительно меньшие по размерам, глубоко погруженные в материал дефекты, даже под защитным слоем. Она позволяет также обнаруживать очень слабые коррозионные и вихревые электрические токи, протекающие в образце, снимать карты токов, которые текут в многослойных электронных платах и в микросхемах. С ее помощью тестируют самые ответственные детали турбин, ракет, самолетов, осуществляют магнитные исследования геологических, минералогических, археологических образцов и проверяют, например, подлинность купюр или важнейших документов, на которые специальными магнитными чернилами нанесены скрытые знаки, и т.п. На таком микроскопе можно проводить не только пассивные, но и активные исследования, когда в исследуемом образце гальваническими, индукционными или другими методами специально возбуждают электрические или магнитные поля и изучают реакции объекта на них.