Устройство для настройки сверхпроводящего квантового магнитометра Советский патент 1991 года по МПК G01R33/35 

(Л С

Изобретение относится к технике магнитных измерений и предназначено для установок оитимальногю уровня модуляции сверхпроводящего квантово го магнитометра с одним переходом Джозефсона и с обратной связью по магнитному потоку.

Цель изобретения -повьшение точ ности настройки сигнала модуляции.

На фиг.1 показана структурная схема устройства; на фиг. 2 - диаграммы, иллюстрирующие работу устройства, где на фиг,2а приведена зависимость огибающей напряжения на резонансном контуре Up от-потока Ф магнитного поля через сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД) в единицах кванта потока Ф -2,07 10 Вб с наложенным на нее прямоугольным модулируютим сигналом «Ф цод и форма напряжения на ко туре,если постоянный магнитный поток равен целому числу квантов п или числу п + -г- ( на графике соответственно точки О и 1/2); на фиг.26 - зависимость напряжения на выходе первого синхронного детектора от потока магнитного поля через СКВВД при разомкнутой цепи обратной связи, если размах модулирующего сигнала оптимален (равен половине периода функции и„(ф); на фиг.2в - временная зависимость напряжения на

выходе ключа II

с

если размах модулирующего сигнала меньше оптимального на величинуЛФ од на фиг.2г приведена зависимость напряжения на выходе второго синхронного детектора U от размаха сигнала модуля1ши,

Устройство содержит СКВИД 1, индуктивно связанный с резонансным контуром 2,, соединенным с генератором 3 высокой частоты и выходом аттенюатора А сигнала модуляции усилитель 5 высокой частоты, вход которого связан с резонансным контуром 2 а выход через последовательно соединенные амплитудный детектор 6 и первый синхронный детектор 8 связан с интегратором 8, выход которого соединен с резонансным контуром 2, последовательно соединенные электронный ключ 9, второй синхронный детектор 10 и блок 11 регулирования, причем сигнальный вход ключа 9 связан с выходом амплитудного детектора 6, управляемой вход электронного ключа 9

подключен к выходу формирователя 12 строб-импульсов, а выход блока II регулирования соединен с управляе- мым входом аттенюатора 4, генератор I3 сигнала модуляции с подключенными к его выходу опорным входом первого синхронного детектора 7 и входами формирователя I2 строб-импуль- сон и делителя 14 частоты. Выход делителя 14 частоты соединен с опор- входом второго синхронного детектора 10, а также с управляемым входом блока 15 инверсии, сигнальный вход которого связан с выходом генератора 13 сигнала модуляции, а вход соединен с сигнальным входом аттенюатора 4,

СКВИД 1 имеет тороидальную конст- рукшоо, изготовлен из ниобия, переход Джозефсона - точечный. Параллельный резонансный контур 2 образован катушкой индуктивности величиной 0,22 мкГ и конденсатором емкостью 200 пФ. Генератор 3 высокой частоты выполнен на транзисторе КТ347А, а его частота (25 МГц) стабилизирована кварцевым резонатором. Аттенюатор 4 - электронный, выполнен на полевом транзисторе КП305Д. Усилитель 5 высокой частоты вьтолнен на транзисторе КП307Ж и микросхемах К265УВ6, амплитудный детектор 6 собран на диоде ГД508А, первый 7 и второй 10 сиихрон- ные детекторы построены на основе микросхемы К590КН2, интегратор 8 - на микросхеме К140Д7. Электронный ключ 9 может быть выполнен на аналоговом коммутаторе К590КН2. Блок 11 регулирования состоит из низкочастотного автогенератора (микросхема К561ЛА7), счетчика-дешифратора (микросхема К561ИЕ11), цифроаналогового преобразователя (микросхемы К572ПА2Б и К140УЛ7), дешифратора НАПРАВЛЕНИЕ СЧЕТА (микросхема К140УД7 и диоды КД522А) и нуль-органа (микросхема К140УД7). Формирователь 12 строб- импульсов и генератор 13 сигнала мо- дуляции собраны на микросхемах

К561ЛА7, частота последнего (50 кГц) стабилизирована кварцевым резонатором. Делитель 14 частоты выполнен на микросхеме К561ИЕ8,

В отличие от прототипа блок I5 инверсии в разработанном устройстве - логический, не содержит навесных элементов и может быть вьтолнен на микросхеме К561ЛС2 И-ИЛИ.

Устройство рг|ботае.т следующим образом.

Перед началом измерений включают электропитание магнитометра. Выходной сигнал делителя 14 частоты, сформированный из напряжения прямоугольной формы генератора 13 сигнала модуляции, меняет состояние логического блока 15 инверсии, В результате этого осуществляется манипуляция фазы выходного напряжения блока 15 инверсии, и за период управляющего сигнала оно в первый полупериод син- фазно с напряжением генератора 13 сигнала модуляции, а во второй - сдвинуто относительно него по фазе на угол 180 , Принцип действия устройства не изменяется, если инверсия сигнала модуляции будет осуществляться в первый полупериод управляющего сигнала а во второй выходные напряжения блока 15 инверсии и генератора 13 сигнала модуляции будут синфаз- ны.

Инверакя фазы сигнала модуляции в Первый момент времени после ее осуществления аналогична включению между любыми узлами цепи обратной связи (1,2,5-8) находящегося в устойчивом состоянии магнш ометра дополнительного инвертирующего звена. Обратная связь магнитометра становится положительной, начинается быстрое изменение тока обратной связи и соответственно потока магнитного поля через СКВИД 1, Когда магнитный поток изменится на Фо/4 относительно исходного, обратная связь опять становится отрицательной, но ток обратной связи продолжает изменяться, пока рабочая точка не сиестится на Ф(,/2 относительно исходного состоян11Я, Таким образом, периодический сдвиг фазы выходного напряжения блока 15 инверсии относительно сигнала генератора 13 сигнала модуляции на угол 180 сопровождается периодическиг и скачкообразными переходами рабочей точки магнитометра между состояниями пФ и (п+1/2)ф. (на фиг, 26 - переходы между точками пересечения графика Uj.. , () с осью абсцисс, где UCAI выходное Напряжение синхронного детектора 10),

В свою очередь, как видно из фиг,2а, этот переход вызывает изменение напряжения на резонансном контуре 2 F) моменты амплитудных значений модулирующего потока, если м о раЭ- мах по величине отличается от полу- периода зависимости Ир (Ф). Ключ 9 открывается строб-импульсами формирователя 12 fia короткое время в моменты амплитудных значеН1Ш сигнала модуляции, пропуская на вход дополни- тельного синхронного детектора 10 им пульсную последовательность (фиг,2в), причем количество импульсов N в каждом состоянии блока 15 инверсии равно коэффициенту деления делителя 14 частоты. Если размах модулирующего сигнала не оптимален, то г1мплитуда импульсов на входе второго синхронного детектора 10 изменяется синхронио с сигналом делителя 14 частоты, бла- годаря чему на выходе второго синхронного детектора 10 появляется напряжение расстройки, пропорциональное разнице между размахом потока магнитного поля модуляции и оптимальным размахом (фиг,2г), причем знак этого напряжения изменяется при изменении знака расстройки. Поступая на вход блока II регулирования, напряжение расстройки формирует на ее выходе управляющий потенциал, который через аттенюатор А изменяет уровень сигнала модуляции в сторону уменьщения абсолютной величины расстройки от оптимального значения. Тем самым замы- кается цепь отрицательной обратной связи по сигналу модуляции и прсТис- ходит его автоматическая настройка,

Уменьшение абсолютной величины расстройки модулирующего сигнала соп- ровождается уменьшением абсолютной величины напряжения на выходе второго синхронного детектора 10. Когда это напряжение становится близким к нулю (оптимальный размах сигнала модуляции), блок 11 регулирования вырабатывает команду на о.жлючекие электропитания ключа 9, детектора 10, блока II, формирователя 12 и делителя 14 при сохранении оптимального управляющего потенциала для ат;тенюа- тора 4 на своем выходе и магнитометр готов к работе.

Б случае необходимости настройку повторяют, включая электропитание люча 9 - формирователя 12 и делитея 14 частоты.:

Коэффициент деления частоты N выирают достаточно большим, чтобы ремя, за которое происходит переход

магнитометра из одного устойчивого состояния в другое, было меньше времени его нахождения в каждом из сос. тояннй. Длительность нмпульсов формирователя 12 выбирают много меньше периода сигнала модуляции, чтобы снизить ошибку, CJ9язaинyю с кривизной его формл-.

Формула изобретения

Устройство для настройки сверх- проврдяяего квантового магнитометра, содержащее сверхпроводящий датчик магюггного потока с одиим переходом Джозефсона, индуктивно связанный с резонансным контуром, подключенным к выходу генератора высокой частоты, выходу интегратора, выходу аттенюатора сигнала модуляции и к входу усилителя высокой частоты, выход которого через последовательно соединенные амплитудный детектор и первый синхронный детектор соединен с интегратором, а также последовательно соеднненные электронный ключ, второй синхронный детектор и блок регулнро- вання, причем снгнальньо) вход электронного ключа .соединен с выходом амп- лнтудного детектора, управляемый вход электронного ключа подключен к выходу (формирователя строб-импульсов, а выход блока регулирования соедннен с управляемым входом аттенюатора сигнала модуляцнн, генератор сигнала модуляции с подключенными к его выходу опорным входом первого синхронного детектора и входами фО1жирователя строб-импульсов и делителя частоты, выход которого соединен с опорным входом второго синхронного детектора, а также с у11равляе «11М входом блока инверсии, отличающ е е с я тем, что, с целью повышения точности настройки снгнала модуляции, сигнальшай вход блока инверсии связан с выходом генератора сигнала модуляции, ,а выход блока инверсии

подключен к сигнальному входу аттенюатора сигнала модуляции.

Изобретение предназначено для установок оптимального уровня модуляции сверхпроводящего KBaHTOBOt o магнитометра с одним переходом Джо- эефсона и с обратной связью по магнитному потоку. Цель изобретения - повышение точности настройки сигнала модуляции. Устройство для настройки сверхпроводящего квантового магнитометра содержит сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик I, резонансный контур 2, генератор 3 высокой частоты, аттенюатор 4 сигнала модуляции, усилитель 5 высокой частоты, амплитудный и синхронные детекторы 6 и 7, 10, интегратор 8, электронный ключ 9, блок И регулирования, формирователь 12 строб-импульсов, генератор 13 сигнала модуляции, блок 15 инверсии, делитель 14 частоты. 2 ил. с S

Фи9. Г

(Pue.2