СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01R33/35 

Предлагаемое изобретение относится к области приборостроения, а конкретно к принципам (способам) измерения постоянных и низкочастотных переменных магнитных полей. Изобретение может быть использовано для создания принципиально нового класса магнитометров измерительных приборов, находящих применение в различных отраслях народного хозяйства: геологоразведке, медицине, обороне, транспорте (организация движения), морское дело (обнаружение затонувших судов, ориентация), авиация (ориентация, безопасность перевозок и др).

В основе предлагаемого изобретения заложено физическое свойство высокотемпературных сверхпроводников высокая чувствительность их электрофизических параметров к внешнему магнитному полю. Из известных технических решений, относящихся к изготовлению магнитометров на основе ВТСП (но не СКВИД-ов) наиболее близким является магнитометр, в котором в качестве чувствительного элемента использовано ВТСП соединение YBa₂Cu₃O₇ в виде керамики, помещенное в приемную катушку, которая в свою очередь помещалась в переменное модулирующее магнитное поле, и сигнал с которой после соответствующего усиления и детектирования поступал на регистрирующий прибор. Недостаток указанного прибора состоит в высоком уровне сопровождающих полезный сигнал нечетногармонических составляющих, наличие которых ухудшает динамические характеристики прибора, ухудшает соотношение сигнал-шум и следовательно ограничивает его чувствительность, а также сужает динамический диапазон магнитометра, усложняет и удорожает его конструкцию.

Цель изобретения расширение динамического диапазона, повышение чувствительности, расширение функциональных возможностей прибора за счет улучшения отношения сигнал-шум. Это достигается тем, что в качестве чувствительного элемента магнитометра (сенсора) используются две отдельные пластины или два отдельных цилиндра из гранулированной сверхпроводящей керамики с температурой сверхпроводящего перехода выше 78 К (например YBa₂Cu₃O₇), расположенные параллельно в непосредственной близости друг от друга на расстоянии, не превышающем заметно характерного размера одной из частей сверхпроводящего чувствительного элемента.

Цель изобретения в первом варианте достигается тем, что сверхпроводящий магнитометр выполнен в виде чувствительного элемента из высокотемпературного проводника, помещенного в индуктивно связанные приемную и модулирующую катушки, модулирующая катушка соединена с генератором переменного напряжения, а приемная катушка соединена с соответствующим в данном случае узкополосным усилителем и далее через детектор с регистрирующим прибором. Отличие сверхпроводящего магнитометра состоит в том, что чувствительный элемент выполнен из двух параллельных отдельных частей, каждая из которых помещена в модулирующую катушку, которые включены встречно, поверх каждой модулирующей катушки намотана приемная катушка, начало одной приемной катушки соединено с концом другого. Обе сверхпроводящие части в виде пластин или цилиндров расположены в непосредственной близости друг к другу на расстоянии, не превышающем заметно характерного размера одной из частей сверхпроводящего чувствительного элемента.

Во втором варианте сверхпроводящий магнитометр выполнен в виде чувствительного элемента из высокотемпературного сверхпроводника, помещенного в индуктивно связанные приемную и модулирующую катушки, модулирующая катушка соединена с генератором переменного напряжения, а приемная катушка соединена с соответствующим, в данном случае фазочувствительным усилителем и далее через детектор с регистрирующим прибором. Отличие сверхпроводящего магнитометра состоит в том, что чувствительный элемент выполнен из двух параллельных отдельных частей, каждая из которых помещена в модулирующую катушку, которые включены встречно, оба чувствительных элемента вместе с модулирующими катушками заключены в одну приемную катушку, которая подсоединена через фазочувствительный усилитель высокой частоты к измерителю разности фаз, причем фазочувствительный усилитель высокой частоты соединен с генератором переменного напряжения через удвоитель частоты.

В третьем варианте сверхпроводящий магнитометр выполнен в виде чувствительного элемента из высокотемпературного сверхпроводника, помещенного в индуктивно связанные приемную и модулирующую катушки, модулирующая катушка соединена с генератором переменного напряжения, а приемная катушка соединена с соответствующим в данном случае фазочувствительным усилителем и далее через детектор с регистрирующим прибором. Отличие сверхпроводящего материала состоит в том, что чувствительный элемент выполнен из двух параллельных отдельных частей, каждая из которых помещена в приемную катушку, начало одной приемной катушки соединено с концом другой, свободные концы приемных катушек присоединены к основному входу фазочувствительного усилителя высокой частоты, модулирующие катушки включены встречно, свободные концы модулирующих катушек через управляющий фазоинвертор соединены с генератором переменного напряжения высокой частоты, который через усилитель частоты присоединен ко входу опорного сигнала фазочувствительного усилителя высокой частоты, управляющий вход фазоинвертера присоединен к генератору низкой частоты, выход фазочувствительного усилителя высокой частоты через детектор соединен с фазочувствительным усилителем низкой частоты, вход опорного сигнала которого соединен с генератором низкой частоты и фазочувствительный усилитель низкой частоты подсоединен к регистрирующему прибору.

Указанные отличительные признаки позволяют достичь поставленную цель - увеличить чувствительность, расширить динамический диапазон магнитометра. Действительно, встречное включение модулирующих катушек приведет к тому, что в отсутствие внешнего магнитного поля в приемных катушках будут индуцированы смещенные по фазе на π идентичные периодические сигналы, имеющие лишь нечетногармонические составляющие, которые при сложении скомпенсируют друг друга и не дадут в результате на свободных концах приемных катушек и следовательно, на входе усилителя заметного сигнала. При наличии слабого внешнего магнитного поля, имеющего компоненту параллельную осям катушек, в приемных катушках наведутся четногармонические составляющие. Поскольку величина и фаза наибольшей из них, второй гармоники, в отличие от нечетногармонических составляющих сильно зависит от величины и знака проекции приложенного внешнего магнитного поля на направление осей, модулирующих противоположно ориентированных катушек, на входе усилителя появляется периодический сигнал с частотой, равной удвоенной частоте модуляции, амплитуда и фаза которого существенно зависит от величины и знака проекции измеряемого поля на направлении осей приемных катушек. Последнее обстоятельство обеспечивает более высокую чувствительность магнитометра по сравнению с известным техническим решением. Определение величины магнитного поля возможно как путем измерения амплитуды сигнала, так и его фазы. При этом сохраняется возможность реализации магнитометра с данным принципом работы в схеме запирания потока (обратной связи по полю), как это имеет место в известном техническом решении, с сохранением всех преимуществ. Так, в первом случае, определение величины измеряемого магнитного поля осуществляется посредством детектирования переменного выходного сигнала и последующего измерения его величины. Во втором варианте определение величины приложенного поля осуществляется по сдвигу фазы между опорным сигналом, фаза которого жестко связана с фаза модулированного поля, и полезным сигналом на выходе (свободных концах) приемных катушек.

В третьем варианте повышение помехозащищенности магнитометра и тем самым дополнительное повышение чувствительности достигается путем применения двойного синхронного детектирования сигнала, для чего с помощью управляемого фазоинвертора производится смещение фазы на p/2 переменного тока питающего модулирующие катушки с частотой F_o≪f, задаваемой генератором низкой частоты (фиг. 3). В результате этого полезный сигнал с выхода детектора будет с частотой F₀ изменять свою полярность, благодаря чему фазочувствительный усилитель низкой частоты осуществит дополнительное отделение полезного сигнала от помех, вызванных флуктуациями или наводками магнитного поля. Расширение динамического диапазона и упрощение электроники обеспечивается почти полной компенсацией первых нечетных гармоник на выходе усилителя, что предотвращает перегрузку по ним входных каскадов и в конечном счете приводит к повышению чувствительности прибора. Отличительные признаки предлагаемого принципа устройства магнитометра на основе ВТСП материалов в других технических решениях с проявлением аналогичных свойств по сведениям автора не используются, что дает основания считать предлагаемое техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена принципиальная схема магнитометра для измерения магнитного поля по амплитуде выходного сигнала, поступающего с чувствительной части прибора, которая содержит две приемные катушки 4, расположенные поверх модулирующих катушек 2, на узкополосный усилитель 5 и затем после детектирования детектором 6, на регистрирующий прибор 7.

На фиг. 2 изображен вариант магнитометра с общей для обоих частей чувствительного элемента приемной катушкой, предназначенный для измерения магнитного поля по фазе выходного сигнала, поступающего с чувствительной части прибора, содержащей одну приемную катушку 4 на фазочувствительный усилитель 12 и затем на регистрирующий прибор 7.

На фиг. 3 изображена принципиальная схема магнитометра, для измерения магнитного поля по амплитуде выходного сигнала, поступающего с чувствительной части прибора, которая содержит две приемные катушки 2, расположенные инверсно по отношению к модулирующим катушкам 4, т.е. модулирующие катушки расположены поверх приемных. Для повышения помехоустойчивости здесь примерно двойное синхронное детектирование, для чего используется фазочувствительный усилитель высокой частоты 12 и фазочувствительный усилитель низкой частоты 13, опорный генератор 11 которого с помощью управляющего фазоинвертора 10 периодически смещают на фазу на π/2 переменного тока задаваемого через модулирующие катушки катушки генератором 11. Подключение описанной электронной схемы точно также возможно и для феррозонд.

Основу магнитометра составляет два чувствительных элемента 1, выполненные из сверхпроводящей керамики в виде двух пластин или цилиндров с температурой сверхпроводящего перехода выше 78К, расположенные таким образом, чтобы их оси были параллельны друг другу. Непосредственно на чувствительные элементы 1 намотаны модулирующие катушки 2, причем их расположение может быть инверсным (фиг. 3). Между собой катушки 2 соединены последовательно таким образом, чтобы начало одной было соединено с началом другой. Свободные концы катушек 2 подсоединены к генератору переменного напряжения 3 с частотой f. Поверх модулирующих катушек порознь (фиг. 1), или объединяя их вместе (фиг. 2), наматываются приемные катушки 4, которые между собой соединяются последовательно таким образом, чтобы начало одной катушки было соединено с концом другой. Оставшиеся свободные концы приемных катушек подключает к узкополосному усилителю 5, настроенному на частоту 2f (фиг. 1) или на фазочувствительный усилитель высокой частоты 12 (фиг. 2 и фиг. 3), вход опорного сигнала которого соединен с генератором 3 через удвоитель частоты 9 (фиг. 2, фиг. 3). Выход узкополосного усилителя 5 подсоединен к регистрирующему прибору 7 через детектор 6 (фиг. 1). Выход фазочувствительного усилителя высокой частоты 12 соединен с регистрирующим прибором 7 через измеритель разности фаз 8 (фиг. 2). В случае исполнения прибора с повышенной помехозащищенностью модулирующие катушки 2 подсоединены к генератору высокой частоты 3 через управляющий фазоинвертор 10, управляющий вход которого соединен с генератором низкой частоты 11. Выход фазочувствительного усилителя высокой частоты 12 соединен через детектор 6 со входом фазочувствительного усилителя низкой частоты 13, выход которого соединен с регистрирующим прибором 7. Вход опорного сигнала фазочувствительного усилителя низкой частоты 13 подсоединен к генератору низкой частоты 11. Чувствительная часть прибора (ограниченная пунктиром) поддерживается при температуре 78К или несколько выше путем помещения ее либо в ванну с жидким азотом, либо в газообразную среду, имеющую с ним тепловой контакт.

Магнитометр работает следующим образом. При пропускании через катушки 2 переменного тока от генератора 3 на чувствительных элементах 1 создается антипараллельные магнитные поля одинаковой амплитуды. В отсутствии внешнего магнитного поля сигнал, поступающий на усилитель со свободных концов катушек 4 будет близок к нулю вследствие взаимной компенсации нечетногармонических составляющих ЭДС, индуцируемой в каждой из катушек 4. При помещении чувствительных элементов 1 в однородное магнитное поле на свободных концах катушек 4 появляется напряжение с частотой 2f, амплитуда и фаза которого будет зависеть от величины этого поля. Этот сигнал поступает на вход узкополосного (селективного) усилителя 5 (фиг 1) или фазочувствительного усилителя высокой частоты 12 (фиг. 2), настроенных на частоту 2f для усиления и отфильтровывания нечетногармонических составляющих сигнала, остающихся вследствие неидеальности их компенсации в катушках 4. После детектирования сигнала детектором 6 (фиг. 1) или измерения фазового сигнала измерителем разности фаз 8 (фиг. 2) осуществляется его регистрация измерительным прибором 7. При необходимости повышения помехозащищенности и тем самым дополнительного повышения чувствительности магнитометра применяется двойное синхронное детектирование сигнала (фиг. 3), для чего с помощью управляемого фазоинвертора 10 производится с низкой частотой F₀, задаваемой генератором низкой частоты 11, смещение на π/2 фазы переменного тока питающего модулирующие катушки 2. В результате этого полезный сигнал с выхода детектора 6 будет с частотой F₀ изменять свою полярность, благодаря чему фазочувствительный усилитель низкой частоты 13 осуществляют дополнительное отделение полезного сигнала от помех, вызванных случайными флуктуациями или наводками магнитного поля.

Пример 1 (см. фиг. 1)
На чувствительные элементы 1, выполненные в виде цилиндров диаметром 2,4 мм и длиной 12 мм с расстоянием между их поверхностями 5 15 мм из сверхпроводящей керамики YBa₂Cu₃O₇ намотаны модулирующие (2) и приемные (4) катушки, содержащие по 200 витков медного провода ⊘ 0,05 мм. Модулирующие катушки соединены между собой последовательно: начало одной с началом другой. Приемные катушки также соединены между собой последовательно: начало одной с концом другой. Модулирующие катушки запитываются переменным током 2 мА частотой 50 кГц от генератора 3 фазочувствительного усилителя PARC 5301A, которым осуществляется измерение выходного сигнала с приемных катушек на частоте 100 кГц. Чувствительная часть прибора размещена внутри металлической трубы, заполненным газообразным гелием. Такой зонд помещается внутрь транспортного сосуда Дьюара с жидким азотом и после захолаживания до температуры 78К готов к работе. Чувствительность магнитометра в данном конкретном примере составляло около 5 нТ.

По сравнению с прототипом чувствительность магнитометра увеличивается не менее чем вдвое, динамический диапазон расширяется за счет резкого улучшения отношения сигнал-шум, и прибор существенно удешевляется за счет использования более простых и дешевых электронных схем.

Пример 2 (см. фиг. 2)
В данном случае обе части чувствительного элемента могут быть расположены боковыми поверхностями друг к другу допустимо близко. В случае измерения фазового сдвига между полезным и опорным сигналами в схеме вместо детектора 6 после усилителя вводится дополнительное электронное устройство измеритель разности фаз 8, например, входящий в состав усилителя PARC5301A (фиг. 2), назначение которого измерение разности фаз между опорным и полезным сигналом. Если измеритель разности фаз откалиброван таким образом, что в отсутствие магнитного поля разность фаз Φ между полезным и опорным сигналами равна нулю, то появление магнитного поля (слабого) приведет к возникновению соответствующей разности фаз v≠0, величина которой будет пропорциональна проекции вектора магнитного поля на направление параллельное осям катушек 2 и 4.

Пример 3 (см. фиг.3).

Для повышения помехозащищенности в данном варианте применяется двойное синхронное детектирование. Возможность его использования в значительной мере обусловлена предложенной конструкцией чувствительной части магнитометра. Свободные концы приемных катушек (здесь применено инверсное расположение приемных катушек по отношению к модулирующим) подключают к фазочувствительному усилителю высокой частоты 12, например PARC5301A (фиг. 3), на который в качестве опорного подается с удвоителя частоты 9, встроенного в усилитель PARC5301A переменное напряжение с частотой 2f. Свободные концы модулирующих катушек запитываются переменным током частоты f от генератора высокой частоты через управляемый фазоинвертор 10, сигнал с которого поступает на модулирующие катушки 2. Напряжение с детектора фазочувствительного усилителя высокой частоты поступает на вход фазочувствительного усилителя низкой частоты 13, на который в качестве опорного подается переменное напряжение F₀ с генератора низкой частоты 11. Выходное напряжение с фазочувствительного усилителя низкой частоты поступает на регистрирующий прибор 7.

По сравнению с прототипом чувствительность магнитометра увеличивается не менее чем вдвое, динамический диапазон расширяется за счет резкого увеличения отношения сигнал-шум. Вследствие улучшения соотношения сигнал-шум расширяются возможности прибора, т.к. он может работать не только на измерении амплитуда выходного сигнала, но и по сигналу фаз между полезным и опорным сигналами.

Применение: измерение постоянных и низкочастотных переменных магнитных полей. Сущность изобретения: магнитометр содержит чувствительный элемент в виде двух параллельных отдельных частей из высокотемпературного сверхпроводящего соединения 1. Каждая из этих частей помещена в модулирующую катушку 2, которые включены встречно, а их свободные концы присоединены к генератору переменного напряжения 3 или управляющему фазоинвертору 10. Поверх каждой модулирующей катушки намотана приемная катушка 4, причем расположение модулирующих и приемных катушек может быть инверсным. Начало одной приемной катушки соединено с другой и их свободные концы присоединены через узкополосный усилитель 5 к детектору 6 или измерителю разности фаз 8 и далее к регистрирующему прибору 7. В том случае, если свободные концы модулирующих катушек присоединены к управляющему фазоинвертору 10, схемное решение выполнено следующим устройством: управляющий вход фазоинвертора присоединен к генератору низкой частоты 11, сигнальный вход фазоинвертора соединен с генератором высокой частоты 3, который через удвоитель частоты 9 присоединен ко входу опорного сигнала фазочувствительного усилителя высокой частоты 12. К основному входу фазочувствительного усилителя высокой частоты присоединены в данном случае свободные концы приемных катушек. Выход фоточувствительного усилителя высокой частоты через детектор 6 соединен с фазочувствительным усилителем низкой частоты 13. Фазочувствительный усилитель низкой частоты присоединен к регистрирующему прибору. 3 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Сверхпроводящий магнитометр, содержащий чувствительный элемент в виде высокотемпературного соединения сверхпроводника, помещенного в индуктивно связанные приемную и модулирующую катушки, модулирующая катушка соединена с генератором переменного напряжения, а приемная катушка соединена с соответствующим усилителем и далее через детектор с регистрирующим прибором, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона, повышения чувствительности и расширения области применения, чувствительный элемент выполнен из двух параллельных отдельных частей, каждая из которых помещена в модулирующую катушку, которые включены встречно, поверх каждой модулирующей катушки намотана приемная катушка, начало одной приемной катушки соединено с концом другой. 2. Сверхпроводящий магнитометр, содержащий чувствительный элемент в виде высокотемпературного соединения сверхпроводника, помещенного в индуктивно связанные приемную и модулирующую катушки, модулирующая катушка соединена с генератором переменного напряжения, а приемная катушка соединена с соответствующим усилителем и далее через детектор с регистрирующим прибором, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона, повышения чувствительности и расширения области применения, чувствительный элемент выполнен из двух параллельных отдельных частей, каждая из которых помещена в модулирующую катушку, которые включены встречно, оба чувствительных элемента вместе с модулирующими катушками заключены в одну приемную катушку, которая подсоединена через фазочувствительный усилитель высокой частоты к измерителю разности фаз, причем фазочувствительный усилитель высокой частоты соединен с генератором переменного напряжения через удвоитель частоты. 3. Сверхпроводящий магнитометр, содержащий элемент в виде высокотемпературного соединения сверхпроводника, помещенного в индуктивно связанные приемную и модулирующую катушки, модулирующая катушка соединена с генератором переменного напряжения, а приемная катушка соединена с соответствующим усилителем и далее через детектор с регистрирующим прибором, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона, повышения чувствительности и расширения области применения, чувствительный элемент выполнен из двух параллельных отдельных частей, каждая из которых помещена в приемную катушку, начало одной катушки соединено с концом другой, свободные концы приемных катушек присоединены к основному входу фазочувствительного усилителя высокой частоты, модулирующие катушки включены встречно, свободные концы модулирующих катушек соединены через управляемый фазоинвертор с генератором переменного напряжения, который через удвоитель частоты присоединен к входу опорного сигнала фазочувствительного усилителя высокой частоты, управляющий вход фазоинвертора подсоединен к генератору низкой частоты, выход фазочувствительного усилителя высокой частоты через детектор соединен с фазочувствительным усилителем низкой частоты, вход опорного сигнала которого соединен с генератором низкой частоты, и фазочувствительный усилитель низкой частоты присоединен к регистрирующему прибору.