Магнитометр на ЖИГ пленке с колеблющейся намагниченностью Российский патент 2024 года по МПК G01R33/02 

Магнитометр на ЖИГ пленке с колеблющейся намагниченностью (далее – магнитометр) относится к измерительной технике и предназначен для измерения постоянных или переменных магнитных полей. Магнитометр предназначен для измерения индуктивности относительно слабых полей (до десятков пТл), локализованных в малой области (от 5 мм³).

Среди существующих в настоящий момент изобретений можно выделить следующие аналоги магнитометра.

Магнитометр (патент GB 1510732, 17.05.1978), содержащий катушку индуктивности с переменным сигналом, намотанную на насыщенную магнитным полем пленку. Поле оценивается нулевым методом путем уравновешивания измеряемого поля за счет системы обратной связи.

Тонкопленочный магнитометр, использующий ортогональный вентиль потока (патент US 4007417, 08.02.1977), содержащий катушку индуктивности с синусоидальным сигналом и системой обратной связи.

Способ измерения магнитных полей и магнитометр для осуществления способа (патент GB 1402798, 13.08.1975), содержащий катушку, намотанную вокруг монодоменной пленки, в составе колебательного контура, а также имеющий уравновешивающую катушку обратной связи.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по совокупности существенных признаков является магнитометр (патент DE 1909435, 20.08.1970), содержащий параллельный колебательный контур с подстроечным конденсатором; резонансная частота контура отстроена от частоты кварцевого генератора 10 МГц. Имеется компенсирующая катушка обратной связи, намотанная на магниточувствительный элемент.

Существенным отличием предлагаемого магнитометра от прототипа является использование в качестве чувствительного элемента магнитометра тонкой ЖИГ плёнки с широким частотным диапазоном (сотни МГц) и предельно низкими электромагнитными потерями (до 20 Дб/мкс). Данный компонент магнитометра обладает анизотропией типа лёгкая плоскость, поэтому ориентация плёнки относительно катушек колебательных контуров и обратной связи не имеет значения. Другим отличием является наличие дополнительного опорного колебательного контура, на который подается инвертированный сигнал с кварцевого генератора. Параллельное соединение двух контуров образует балансную схему, за счет которой снижается уровень шумов от опорного генератора. В схему устройства добавлен полосовой фильтр на частоту кварцевого резонатора для предотвращения непериодических шумов от чувствительного элемента схемы. Для формирования сигнала обратной связи и выходного сигнала магнитометра используется умножитель опорного и изменяемого сигнала, а также линейный интегратор.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях.

Техническим результатом является повышение чувствительности магнитометра.

Технический результат достигается тем, что магнитометр содержит ЖИГ плёнку с анизотропией типа лёгкая плоскость, полосовой фильтр, умножитель опорного и изменяемого сигналов и интегратор для формирования сигнала обратной связи и выходного сигнала магнитометра, дополнительный опорный колебательный контур, образующий с основным колебательным контуром балансную схему.

На фиг. 1 представлена общая схема магнитометра.

В качестве чувствительного элемента в магнитометре используется ЖИГ плёнка 1 с анизотропией типа лёгкая плоскость. ЖИГ плёнка 1 выступает в роли сердечника катушки, входящей в состав основного колебательного контура 2, отстроенного с помощью подстроечного конденсатора от частоты задающего кварцевого генератора 10 МГц 3. Для снижения собственных шумов генератора включён дополнительный опорный колебательный контур 4, являющийся компонентом балансной схемы с основным колебательным контуром 2. Балансной схемой в данном случае называется соединение в одной точке двух колебательных контуров – основного колебательного контура 2 и дополнительного опорного колебательного контура 4. Значение индуктивности дополнительного опорного колебательного контура 4 соответствует индуктивности основного колебательного контура 2 в монодоменном рабочем состоянии при отсутствии измеряемых внешних полей. Поддержание ЖИГ плёнки 1 в монодоменном состоянии и стабилизация вектора намагниченности обеспечивается за счёт катушки обратной связи 5, намотанной вокруг ЖИГ плёнки 1 перпендикулярно катушке основного колебательного контура 2. Ток катушки обратной связи 5 формируется усилителем 6 катушки обратной связи выходного сигнала магнитометра. Формируемые кварцевым генератором 3 и подаваемые на контуры 2 и 4 сигналы, корректируются по амплитуде с помощью усилителей 7 и 8. При этом усилитель 8 на выходе имеет инвертированный сигнал. Далее сигнал с балансной схемы контуров 2 и 4 обрабатывается полосовым фильтром 9 для исключения шумовых составляющих, производимых ЖИГ плёнкой 1. Важным элементом схемы является умножитель опорного и изменяемого сигналов 10, на который приходит отфильтрованный сигнал с контуров 2 и 4 и сдвинутый на 90° по фазе 11, усиленный усилителем 12 опорный сигнал с кварцевого генератора 3. В зависимости от величины внешнего измеряемого поля вектор намагниченности ЖИГ плёнки 1 может менять свою величину и направление, меняя, таким образом, индуктивность катушки обратной связи 5 в основном колебательном контуре 2 и, соответственно, сдвигая ток относительно напряжения. По этой причине сигнал на выходе умножителя опорного и изменяемого сигналов 10 изменяется в зависимости от измеряемого магнитного поля. Для линеаризации переменного сигнала с умножителя опорного и изменяемого сигналов 10 и его последующего использования в ветке обратной связи в качестве компенсирующего сигнала используется интегратор 13. Сигнал с интегратора 13, поданный на катушку обратной связи 5, поддерживает ЖИГ плёнку 1 в монодоменном состоянии, а также является выходным сигналом магнитометра.

Одним из вариантов реализации магнитометра может стать его использование в составе измерительного комплекса для характеризации распределения ферромагнитных материалов в различных объектах. Например, в перспективной области медицины тераностике онкологических заболеваний изобретение может выступать в качестве детектора биосовместимых ферромагнитных наночастиц, способных прикрепляться к раковым клеткам. После воздействия на частицы внешнего импульсного поля они становятся точечными источниками магнитного поля, величину которого должен обнаруживать детектор. Массив детекторов позволяет получить набор данных, по которым можно определить место локализации частиц и, таким образом, решить обратную томографическую задачу.

Устройство магнитометра может быть реализовано на печатной плате с помощью современных компонентов поверхностного монтажа. Материалом для обмотки вокруг плёнки может быть выбран кабель ПЭЛШО (провод эмалированный с изоляцией на масляной основе и шелковой обмоткой). Комбинированный тип изоляции повышает механическую, электрическую и тепловую прочности обмоточных изделий. Использование кабеля с шелковой обмоткой позволяет уменьшить паразитную ёмкость колебательного контура, обеспечивая более высокий по сравнению с обычным кабелем уровень добротности. Для снижения паразитных шумов от наводок ЖИГ плёнку следует экранировать медной фольгой, соединённой с цепью земли электрической схемы.

Описанный магнитометр способен регистрировать в безмагнитной камере поля от ферромагнитных наночастиц с индукцией в десятки пТл. Аналоговый сигнал на выходе устройства можно оценить с помощью осциллографа или оцифровать и исследовать на ЭВМ.

Предполагаемые характеристики магнитометра на ЖИГ плёнке с колеблющейся намагниченностью можно охарактеризовать следующим образом. Верхняя граница частотного диапазона магнитометра до 100 кГц, а нижняя граница силовых значений измеряемых магнитных полей – десятки пТл.

Таким образом, предлагаемый магнитометр обеспечивает достижение требуемого технического результата, заключающегося в повышении чувствительности магнитометра.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения постоянных или переменных магнитных полей. Магнитометр содержит ЖИГ плёнку с анизотропией типа лёгкая плоскость, полосовой фильтр, умножитель опорного и изменяемого сигналов и интегратор для формирования сигнала обратной связи и выходного сигнала магнитометра, дополнительный опорный колебательный контур, образующий с основным колебательным контуром балансную схему. Технический результат – повышение чувствительности магнитометра. 1 ил.

Магнитометр на ЖИГ плёнке с колеблющейся намагниченностью, содержащий основной колебательный контур с подстроечным конденсатором и отстроенный от частоты кварцевого генератора, включающий систему обратной связи в виде компенсирующей катушки, отличающийся тем, что магнитометр содержит ЖИГ плёнку с анизотропией типа лёгкая плоскость, катушку обратной связи, намотанную вокруг ЖИГ плёнки перпендикулярно катушке основного колебательного контура, дополнительный опорный колебательный контур, образующий с основным колебательным контуром балансную схему, полосовой фильтр, усилители, обеспечивающие корректировку сигнала по амплитуде, формируемого кварцевым генератором и подаваемого на основной колебательный контур, и дополнительный опорный колебательный контур, при этом в электрической схеме магнитометра используется отфильтрованный сигнал, полученный с основного колебательного контура и дополнительного опорного колебательного контура и сдвинутого на 90° по фазе, передаваемого на умножитель опорного и изменяемого сигналов, кроме того, в электрической схеме магнитометра содержится интегратор, осуществляющий линеаризацию переменного сигнала с умножителя опорного и изменяемого сигналов и его последующую передачу на катушку обратной связи для поддержания ЖИГ плёнки в монодоменном состоянии.