Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений
Для проведения биомагнитных измерений СКВИД магнитометры оснащаются сверхпроводящими градиентометрами, которые должны обеспечивать высокие значения отношения сигнал–шум на низких частотах, достаточную механическую прочность и стабильность свойств при многократных термоциклах, а так-же низкий уровень...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика низких температур |
|---|---|
| Дата: | 2018 |
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175977 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений / Н.Н. Будник, Ю.Д. Минов, В.Ю. Ляхно, В.А. Десненко, А.С. Линник, А.Б. Шопен // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 3. — С. 308-313. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-175977 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Будник, Н.Н. Минов, Ю.Д. Ляхно, В.Ю. Десненко, В.А. Линник, А.С. Шопен, А.Б. 2021-02-03T08:47:25Z 2021-02-03T08:47:25Z 2018 Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений / Н.Н. Будник, Ю.Д. Минов, В.Ю. Ляхно, В.А. Десненко, А.С. Линник, А.Б. Шопен // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 3. — С. 308-313. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 07.55.Ge, 85.25.Dq https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175977 Для проведения биомагнитных измерений СКВИД магнитометры оснащаются сверхпроводящими градиентометрами, которые должны обеспечивать высокие значения отношения сигнал–шум на низких частотах, достаточную механическую прочность и стабильность свойств при многократных термоциклах, а так-же низкий уровень собственных магнитных шумов. Представлена конструкция градиентометра для проведения магнитных кардиографических измерений из композиционного материала с углеродными волокнами. Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) углеволокнистого композиционного материала (углепластика) подбирается соответствующим коэффициенту материала сверхпроводящего про-вода витков градиентометра. Это достигается благодаря различию в ТКЛР углеволокна в продольном и по-перечном направлениях и обеспечивается вариацией в направлениях укладки волокна в композите. Представлены данные по измерениям магнитной проницаемости углекомпозита, которая оказалась в 6 раз меньше, чем у графита. Данная конструкция обеспечивает высокую степень балансировки градиентометра и запатентована наряду с другими специальными методами. Для проведення біомагнітних вимірювань CКВІД магнітометри обладнуються надпровідними градієнтометрами, які повинні забезпечити високий рівень відношення сигнал–шум на низьких частотах, достатню механічну міцність та стабільність властивостей за багаторазовими термоциклами, а також низький рівень власних магнітних шумів. Надано конструкцію градієнтометра для проведення магнітних кардіографічних вимірювань з композиційного матеріалу, що складається з вуглецевого волокна. Термічний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) вуглеволокнистого композиційного матеріалу (вуглепластику) підбирається відповідним до коефіцієнту матеріалу надпровідного дроту витків градієнтометру. Це досягається завдяки різниці в ТКЛР вуглецевого волокна у повздовжньому та поперечному напрямках та забезпечується варіацією у напрямках розташування волокна у композиті. Наведено дані щодо вимірювань магнітної сприйнятливості вуглекомпозита, яка виявилася у 6 разів нижча, ніж у графіту. Ця конструкція забезпечує високу ступінь балансування градієнтометру та запатентована також з іншими спеціальними методами. SQUID magnetometers for biomagnetic measurements are equipped with superconductive gradiometers that must have high SNR at low frequencies, mechanical strength and sustained performance during numerous thermal cycling, with low own magnetic noise. This paper describes the design of the gradiometer intended to operate in magnetic cardiography studies and is made of a composite material reinforced with carbon fibers. Coefficient of thermal expansion (CTE) of proposed carbon-filled plastic can be precisely adjusted to match to that of the detector coils wire. This is guaranteed due to different CTEs for carbon fibbers in their longitudinal and cross directions by putting the filaments in various orientations when forming the composite. The data of measurements of magnetic susceptibility of carbon-filled plastic are reported showing it is about 6 times smaller as compared to that of graphite. The gradiometer design provides its high balance due to advanced patented methods. ru Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України Физика низких температур Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений Development of improved superconductive axial gradiometers for SQUID biomagnetic application Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений |
| spellingShingle |
Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений Будник, Н.Н. Минов, Ю.Д. Ляхно, В.Ю. Десненко, В.А. Линник, А.С. Шопен, А.Б. Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника |
| title_short |
Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений |
| title_full |
Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений |
| title_fullStr |
Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений |
| title_full_unstemmed |
Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений |
| title_sort |
разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных сквид применений |
| author |
Будник, Н.Н. Минов, Ю.Д. Ляхно, В.Ю. Десненко, В.А. Линник, А.С. Шопен, А.Б. |
| author_facet |
Будник, Н.Н. Минов, Ю.Д. Ляхно, В.Ю. Десненко, В.А. Линник, А.С. Шопен, А.Б. |
| topic |
Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника |
| topic_facet |
Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника |
| publishDate |
2018 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика низких температур |
| publisher |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Development of improved superconductive axial gradiometers for SQUID biomagnetic application |
| description |
Для проведения биомагнитных измерений СКВИД магнитометры оснащаются сверхпроводящими градиентометрами, которые должны обеспечивать высокие значения отношения сигнал–шум на низких частотах, достаточную механическую прочность и стабильность свойств при многократных термоциклах, а так-же низкий уровень собственных магнитных шумов. Представлена конструкция градиентометра для проведения магнитных кардиографических измерений из композиционного материала с углеродными волокнами. Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) углеволокнистого композиционного материала (углепластика) подбирается соответствующим коэффициенту материала сверхпроводящего про-вода витков градиентометра. Это достигается благодаря различию в ТКЛР углеволокна в продольном и по-перечном направлениях и обеспечивается вариацией в направлениях укладки волокна в композите. Представлены данные по измерениям магнитной проницаемости углекомпозита, которая оказалась в 6 раз меньше, чем у графита. Данная конструкция обеспечивает высокую степень балансировки градиентометра и запатентована наряду с другими специальными методами.
Для проведення біомагнітних вимірювань CКВІД магнітометри обладнуються надпровідними
градієнтометрами, які повинні забезпечити високий рівень відношення сигнал–шум на низьких частотах,
достатню механічну міцність та стабільність властивостей за багаторазовими термоциклами, а також низький рівень власних магнітних шумів. Надано конструкцію градієнтометра для проведення магнітних
кардіографічних вимірювань з композиційного матеріалу, що складається з вуглецевого волокна.
Термічний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) вуглеволокнистого композиційного матеріалу (вуглепластику) підбирається відповідним до коефіцієнту матеріалу надпровідного дроту витків градієнтометру.
Це досягається завдяки різниці в ТКЛР вуглецевого волокна у повздовжньому та поперечному напрямках
та забезпечується варіацією у напрямках розташування волокна у композиті. Наведено дані щодо
вимірювань магнітної сприйнятливості вуглекомпозита, яка виявилася у 6 разів нижча, ніж у графіту. Ця
конструкція забезпечує високу ступінь балансування градієнтометру та запатентована також з іншими
спеціальними методами.
SQUID magnetometers for biomagnetic measurements are equipped with superconductive gradiometers that must have high SNR at low frequencies, mechanical strength and sustained performance during
numerous thermal cycling, with low own magnetic
noise. This paper describes the design of the gradiometer intended to operate in magnetic cardiography
studies and is made of a composite material reinforced
with carbon fibers. Coefficient of thermal expansion
(CTE) of proposed carbon-filled plastic can be precisely adjusted to match to that of the detector coils
wire. This is guaranteed due to different CTEs for carbon fibbers in their longitudinal and cross directions
by putting the filaments in various orientations when
forming the composite. The data of measurements of
magnetic susceptibility of carbon-filled plastic are reported showing it is about 6 times smaller as compared
to that of graphite. The gradiometer design provides its
high balance due to advanced patented methods.
|
| issn |
0132-6414 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175977 |
| citation_txt |
Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений / Н.Н. Будник, Ю.Д. Минов, В.Ю. Ляхно, В.А. Десненко, А.С. Линник, А.Б. Шопен // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 3. — С. 308-313. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT budniknn razrabotkausoveršenstvovannyhsverhprovodâŝihgradientometrovdlâbiomagnitnyhskvidprimenenii AT minovûd razrabotkausoveršenstvovannyhsverhprovodâŝihgradientometrovdlâbiomagnitnyhskvidprimenenii AT lâhnovû razrabotkausoveršenstvovannyhsverhprovodâŝihgradientometrovdlâbiomagnitnyhskvidprimenenii AT desnenkova razrabotkausoveršenstvovannyhsverhprovodâŝihgradientometrovdlâbiomagnitnyhskvidprimenenii AT linnikas razrabotkausoveršenstvovannyhsverhprovodâŝihgradientometrovdlâbiomagnitnyhskvidprimenenii AT šopenab razrabotkausoveršenstvovannyhsverhprovodâŝihgradientometrovdlâbiomagnitnyhskvidprimenenii AT budniknn developmentofimprovedsuperconductiveaxialgradiometersforsquidbiomagneticapplication AT minovûd developmentofimprovedsuperconductiveaxialgradiometersforsquidbiomagneticapplication AT lâhnovû developmentofimprovedsuperconductiveaxialgradiometersforsquidbiomagneticapplication AT desnenkova developmentofimprovedsuperconductiveaxialgradiometersforsquidbiomagneticapplication AT linnikas developmentofimprovedsuperconductiveaxialgradiometersforsquidbiomagneticapplication AT šopenab developmentofimprovedsuperconductiveaxialgradiometersforsquidbiomagneticapplication |
| first_indexed |
2025-11-24T15:54:02Z |
| last_indexed |
2025-11-24T15:54:02Z |
| _version_ |
1850849159326728192 |
| fulltext |
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3, c. 308–313
Разработка усовершенствованных сверхпроводящих
градиентометров для биомагнитных СКВИД применений
Н.Н. Будник1, Ю.Д. Минов1, В.Ю. Ляхно2, В.А. Десненко2, А.С. Линник2, А.Б. Шопен3
1Институт кибернетики им. В.М. Глушкова НАНУ, пр. Глушкова, 40, г. Киев, 03187, Украина
E-mail: budnyk@meta.ua
2 Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины
пр. Науки, 47, г. Харьков, 61103, Украина
3ООО «НПП Пластар», ул. Разина, 8, пгт. Золочев, 62203, Харьковская область, Украина
Статья поступила в редакцию 7 ноября 2017 г., опубликована онлайн 25 января 2018 г.
Для проведения биомагнитных измерений СКВИД магнитометры оснащаются сверхпроводящими гра-
диентометрами, которые должны обеспечивать высокие значения отношения сигнал–шум на низких часто-
тах, достаточную механическую прочность и стабильность свойств при многократных термоциклах, а так-
же низкий уровень собственных магнитных шумов. Представлена конструкция градиентометра для
проведения магнитных кардиографических измерений из композиционного материала с углеродными во-
локнами. Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) углеволокнистого композиционного
материала (углепластика) подбирается соответствующим коэффициенту материала сверхпроводящего про-
вода витков градиентометра. Это достигается благодаря различию в ТКЛР углеволокна в продольном и по-
перечном направлениях и обеспечивается вариацией в направлениях укладки волокна в композите. Пред-
ставлены данные по измерениям магнитной проницаемости углекомпозита, которая оказалась в 6 раз
меньше, чем у графита. Данная конструкция обеспечивает высокую степень балансировки градиентометра
и запатентована наряду с другими специальными методами.
Для проведення біомагнітних вимірювань CКВІД магнітометри обладнуються надпровідними
градієнтометрами, які повинні забезпечити високий рівень відношення сигнал–шум на низьких частотах,
достатню механічну міцність та стабільність властивостей за багаторазовими термоциклами, а також низь-
кий рівень власних магнітних шумів. Надано конструкцію градієнтометра для проведення магнітних
кардіографічних вимірювань з композиційного матеріалу, що складається з вуглецевого волокна.
Термічний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) вуглеволокнистого композиційного матеріалу (вугле-
пластику) підбирається відповідним до коефіцієнту матеріалу надпровідного дроту витків градієнтометру.
Це досягається завдяки різниці в ТКЛР вуглецевого волокна у повздовжньому та поперечному напрямках
та забезпечується варіацією у напрямках розташування волокна у композиті. Наведено дані щодо
вимірювань магнітної сприйнятливості вуглекомпозита, яка виявилася у 6 разів нижча, ніж у графіту. Ця
конструкція забезпечує високу ступінь балансування градієнтометру та запатентована також з іншими
спеціальними методами.
PACS: 07.55.Ge Магнитометры для измерений в магнитных полях;
85.25.Dq Сверхпроводящие квантовые интерференционные приборы (СКВИДы).
Ключевые слова: СКВИД градиентометр, магнитная восприимчивость, термический коэффициент ли-
нейного расширения, углепластик.
Введение
Современные СКВИД магнитометры обладают пре-
дельной чувствительностью к изменению магнитного
потока, которая определяется собственными шумами
СКВИДа и коэффициентом передачи сигнала от образца
в трансформатор магнитного потока и далее в интерфе-
рометр. Такие трансформаторы магнитного потока, час-
то называемые антеннами, могут быть выполнены в
виде сверхпроводящих градиентометров — последова-
© Н.Н. Будник, Ю.Д. Минов, В.Ю. Ляхно, В.А. Десненко, А.С. Линник, А.Б. Шопен, 2018
Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений
тельным соединением нескольких катушек, изготовлен-
ных из провода (аксиальные) или пленок, нанесенных
на подложку (планарные) [1]. Они позволяют улучшить
отношения сигнал/шум на входе магнитометра и обес-
печить разрешающую способность по магнитному полю
в диапазоне пико- и фемтотесла.
Для близких объектов измерений, расстояние R к ко-
торым порядка расстояния между катушками (база гра-
диентометра), ослабление полезного сигнала незначи-
тельное, а сигнал от далеких источников магнитных
помех ослабляется как (3 )1/ ,MR + где М — порядок гради-
ентометра, R — расстояние к источнику помех (рис. 1).
При проведении измерений биологических объек-
тов, в частности при измерении кардиологических
спектров, полезный магнитный сигнал от измеряемых
объектов сосредоточен в низкочастотном диапазоне
0,1–100 Гц. Общее шумовое окружение, в котором вы-
полняются измерения реальных объектов, определяет-
ся наличием индустриальных источников (радиостан-
ции, мобильная связь, электростатические разряды,
другие источники электромагнитных полей и волн)
магнитных помех. Они во много раз превышают по-
лезный сверхслабый магнитный сигнал, и их значи-
тельное ослабление (в 1000 раз и больше) достигается
лишь при достаточно точном изготовлении градиенто-
метра, а также определяется его конструкцией и конст-
рукционными материалами [2].
Конструктивные особенности градиентометра
Конструкция проволочного градиентометра 2-го
порядка [3] показана на рис. 2 и включает цилиндриче-
ский корпус 1, приемную 5 и две компенсационные
катушки 2 и 4, намотанные на цилиндрический корпус
цельным отрезком сверхпроводящего провода и со-
единенные с помощью прямого и обратного отрезков
провода 3, смотанных вместе и вложенных в верти-
кальную проточку. Компенсационная катушка 4 вы-
полнена двухвитковой и размещена посредине корпу-
са, а приемная и вторая компенсационные катушки
выполнены одновитковыми и находятся на противопо-
ложных концах корпуса.
Витки всех катушек размещены в кольцевых проточ-
ках, плоскости которых инструментально перпендику-
лярны оси корпуса градиентометра. Витки катушек
должны быть разнесены на расстояние не меньше, чем
половина их радиуса. В данной конструкции это рас-
стояние B = 60 мм при диаметре средней линии измери-
тельных витков D = 20 мм. Такая конструкция обеспе-
чивает начальный разбаланс 400–800 (200–400) ppm для
вертикальной (горизонтальной) компоненты поля. Пре-
имуществом такой конструкции является достаточный
(около 20 ppm после механической балансировки) уро-
вень ослабления магнитных помех по вертикальной
компоненте магнитного поля, которая содержит полез-
ный сигнал [4].
Рис. 1. Различные типы градиентометрических антенн: маг-
нитометр (а); градиентометр первого порядка (б); симмет-
ричный градиентометр 2-го порядка (в); несимметричный
градиентометр 2-го порядка (г); планарный градиентометр
первого порядка (д).
Рис. 2. Вид градиентометра 2-го порядка с углепластиковым
каркасом.
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 309
Н.Н. Будник, Ю.Д. Минов, В.Ю. Ляхно, В.А. Десненко, А.С. Линник, А.Б. Шопен
В корпусе антенны имеются также три отверстия,
необходимые для установки механизма балансировки
градиентометра по трем осям с юстировочными эле-
мента из свинца. Процедура балансировки состоит в
смещении указанных элементов относительно витков
антенны до совпадения их эффективных площадей.
Данная конструкция позволяет не только уменьшить
магнитный шум по вертикальной составляющей, но и
градиент шумов от удаленных источников. Это выража-
ется в уменьшении частоты среза шума типа 1/f в спек-
тре выходного сигнала магнитометра с 10 Гц до 0,4 Гц.
На рис. 3 приведена зависимость спектральной плотно-
сти фонового излучения окружения, измеренного в
стеклопластиковом криостате с помощью градиенто-
метра 2-го порядка на базе кардиомагнитного комплекса
CARDIOMOX MCG9. На рис. 4 представлен более под-
робный спектр фонового сигнала в области низких час-
тот для иллюстрации области проявления 1/f шума.
При разработке корпусов антенн в качестве конст-
рукционных возможно использование целого ряда ма-
териалов, однако уже накоплен значительный экспери-
ментальный опыт и определены требования к свойствам
конструкции градиентометра. Так, практика использо-
вания корпусов из различных видов текcтолитов, пла-
стиков или плотного графита выявила ряд недостатков.
Это прежде всего низкая механическая прочность кор-
пуса антенны и изменение балансировки антенны при
термоциклировании из-за различного поведения терми-
ческого коэффициента линейного расширения (ТКЛР)
материала корпуса и провода при охлаждении. Поэтому
в данной работе предлагается конструкция градиенто-
метра, которая одновременно обеспечивает механиче-
скую прочность, высокую степень ослабления маг-
нитных помех и стабильность характеристик при
многократных циклах охлаждения–отогрева во время
эксплуатации.
Определяющие свойства композита
Углеродным волокнам присущи экстремально высо-
кие значения модуля упругости и прочности, химиче-
ская и термическая стойкость, низкий коэффициент ли-
нейного термического расширения, специфические три-
бологические свойства, повышенные (по сравнению с
другими волокнами) тепло- и электропроводность и ряд
других ценных свойств. Комплекс их полезных характе-
ристик определяется и природой исходного материала,
и разнообразием структурных особенностей [5]. Вели-
чина удельного электрического сопротивления в зави-
симости от условий получения может меняться на де-
вять порядков. Термический коэффициент линейного
расширения может принимать не только положитель-
ные, но и отрицательные значения. Это объясняется тем,
что углеродные волокна сами имеют слоистую структу-
ру. Эти слои преимущественно ориентированы вдоль
волокна, т.е. аналогично графиту в направлении, пер-
пендикулярном главной кристаллографической оси, что
Рис. 3. Измеренный логарифмический спектр плотности шумового потока для 9-канального магнитного кардиологического
сканера CARDIOMOX MCG9 (Oxford Science Park, 16 августа 2017).
Рис. 4. Линейный измеренный спектр плотности шумового потока для CARDIOMOX MCG9 (Oxford Science Park, 16 августа 2017).
310 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3
Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений
приводит к отрицательному значению ТКЛР вдоль во-
локна. В поперечном направлении у углеродного волок-
на, как и у графита, ТКЛР вдоль кристаллографической
оси положителен и больше абсолютного значения ТКЛР
волокна в продольном направлении.
Используя простую структуру композита, его можно
представить многократным повторением двух слоев с
различным направлением укладки армирующих воло-
кон (рис. 5), а общий ТКЛР определяется уравнением
совместной деформации обоих слоев. При этом каждый
слой имеет свойства однонаправленного композита. С
изменением температуры композитного материала бла-
годаря совместной деформации слоев в нем возникают
напряжения, в одном слое — сжатие, а в другом — рас-
тяжение. Линейная деформация материала в каждом
слое описывается законом Гука, а объемное содержание
связующего и волокон в каждом слое обеспечивается
технологическим оборудованием и одинаково в попе-
речном сечении композита. Тогда разное количество
волокон в слоях обеспечит разные толщины этих слоев.
Для каждого слоя композита с упорядоченным на-
правлением волокон можно записать выражения [6]
для ТКЛР вдоль ||α и поперек ⊥α их ориентации:
|| ( ) 1
1/ f f
f m f
f m
E
E
ν
α = α + α − α + − ν
, (1)
____________________________________________________
( ) 2 21 1,1 12(1 )( 1) 2
1,1 1
[ ]/ /f f f
m m f m m m m m
f m m
E E
C C
E C E⊥
+ ν α = α − α − α + µ µ − − µ + µ − ν + ν −
. (2)
_______________________________________________
Константа C в (2) для цилиндрических волокон равна
1,1 (1 1,1 )f fC = ν − ν и , , , , ,m f m f m fE Eα α ν ν —
ТКЛР, модули Юнга, объемное содержание в композите
полимерной матрицы (индекс m) и волокон (индекс f)
соответственно, mµ — коэффициент Пуассона поли-
мерной матрицы.
Отсюда видно, что ТКЛР композита регулируется
как относительным содержанием связующего в мате-
риале и его типом, так и относительным количеством
армирующих волокон в слоях и их ориентацией. Для
цилиндрического каркаса антенны рассчитывают сум-
марные ТКЛР композитного материала с кратным ко-
личеством слоев с однонаправленными волокнами.
При ортотропном армировании, когда ориентация во-
локон в одном слое совпадает с осью каркаса, а в дру-
гом слое обеспечено поперечное его армирование, ре-
зультирующий C⊥α будет задавать деформацию в
радиальном направлении, а ||Cα осевую и угловую
деформации.
Исходя из необходимости изготовления каркаса с
толщиной стенки не больше 1,0 мм, был отработан тех-
нологический процесс с использованием эпоксидной
смолы типа ЭД-22, армированной высокопрочными
углеродными волокнами типа ВМН-4. Используя спра-
вочные данные по свойствам этих материалов [5,7],
имеем для углеродных волокон: || 240 ГПа,E =
||
–6 –1–0,9 10 К ,α = ⋅ 6 –1 6,7 ГПа, 75 10 К .E −
⊥ ⊥= α = ⋅
Тогда по теореме о совместности деформаций, составив
систему линейных уравнений для двух слоев с однона-
правленными волокнами, получим зависимость компо-
нент результирующего термического коэффициента от
относительных толщин этих слоев, т.е. от количества
нитей в разных направлениях (рис. 6).
Поскольку разбаланс градиентометра происходит
при смещении поперечных витков антенны, следова-
Рис. 5. Фото скола углепластика на интерфейсе двух слоев с
различным направлением углеродных волокон. Выполнено с
помощью растрового электронного микроскопа РЭМ-106И.
Рис. 6. Расчетная зависимость результирующего ТКЛР ком-
позита вдоль оси каркаса от отношения толщин слоев с про-
дольной и поперечной ориентациями углеродных волокон.
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 311
Н.Н. Будник, Ю.Д. Минов, В.Ю. Ляхно, В.А. Десненко, А.С. Линник, А.Б. Шопен
тельно, необходимо добиться равенства термических
деформаций корпуса в угловом и осевом направлении
||( )Cα и материала провода 6 1
Nb 7,1 10 К− −α = ⋅ [8].
Видно, что выбор таких материалов обеспечивает зна-
чительную технологическую гибкость в подборе коли-
чества волокон в матрице и их отношения в разных сло-
ях композитного материала для выравнивания ТКЛР
композита и материала провода.
Магнитные свойства углепластика
Проведенные экспериментальные исследования по-
казывают, что сочетание этих типов материалов в ком-
позите обеспечивает уменьшение его магнитной вос-
приимчивости. На рис. 7 показаны зависимости маг-
нитной восприимчивости графита (треугольники) и
углепластика (кружки) в диапазоне температур 5–50 К.
Измерения проведены с помощью лабораторного сасеп-
тометра с чувствительностью к магнитному моменту не
хуже 4⋅10–10 А⋅м2, который позволяет проводить преци-
зионные измерения с помощью СКВИД магнитометра
СГМ-5 [9].
Измерения для углекомпозита проводили в сравне-
нии со значениями магнитной восприимчивости для
графита, взятого из каркаса используемого ранее гра-
диентометра.
На рис. 7 видно, что при уменьшении температуры
магнитная восприимчивость обоих материалов увеличи-
вается и при Т = 5 К становится равной 52,27 10−− ⋅ (ед.
СИ) у графита, а у углепластика 63,89 10−+ ⋅ (ед. СИ).
Следовательно, экспериментальные данные указывают,
что графит является диамагнетиком, а композитный ма-
териал — парамагнетиком, но восприимчивость компо-
зитного материала по абсолютному значению приблизи-
тельно в 5,8 раз меньше. По мнению авторов, это
объясняется взаимной компенсацией парамагнетизма
эпоксидной смолы и диамагнетизма углеродных волокон.
Таким образом, при применении композитного ма-
териала для каркаса градиентометра магнитные иска-
жения полезного сигнала будут в несколько раз слабее.
Кроме того, будут меньше внутренние магнитные шу-
мы каркаса, вызванные флуктуациями температуры
при кипении жидкого гелия, согласно рис. 8, где пока-
зана температурная зависимость производных магнит-
ной восприимчивости обоих материалов.
Проведем количественную оценку магнитных по-
мех, которые генерируется каркасом антенны на осно-
ве расчета флуктуаций магнитного момента dM от ма-
териала объемом V в магнитном поле H при
вариациях температуры dT:
ddM VHdT
dT
χ
= . (3)
Для материала объемом 1 см3 при температуре
T = 4,2 К и колебаниях температуры за счет кипения
гелия dT = 10–4 К в магнитном поле Земли H = 50 мкТл
получаем из экспериментальных данных, приведенных
на рис. 8, для графита /d dTχ = –1,13⋅10–5 К–1 и угле-
пластика /d dTχ = –0,9⋅10–5 К–1. Отсюда, согласно вы-
ражению (3), флуктуация магнитного момента dM ≈
≈ –5,65⋅10–20 Вб⋅м и dM ≈ –4,5⋅10–20 Вб·м. Следова-
тельно, магнитные помехи от углепластика в 1,3 раза
меньше, чем у графита.
Конкретная реализация
Технология изготовления каркаса градиентометра из
углепластика отработанна для применения в четырех 9-
канальных кардиомагнитных сканерах CARDIOMOX
MCG9, созданных на протяжении 2015–2017 гг. в ИК
им. В.М. Глушкова НАНУ (г. Киев) по проекту Р624
УНТЦ. В устройстве использован ряд уникальных раз-
работок, защищенных международными и националь-
ными патентами [10–16].
Рис. 7. Зависимость магнитной восприимчивости от темпе-
ратуры в постоянном магнитном поле B = 20 мТл для графи-
та () и углепластика (). χ измеряется в ед. СИ.
Рис. 8. Зависимость производной магнитной восприимчиво-
сти от температуры для графита () и углепластика () в
постоянном магнитном поле 20 мТл.
312 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3
Разработка усовершенствованных сверхпроводящих градиентометров для биомагнитных СКВИД применений
Выводы
Основным преимуществом данной конструкции яв-
ляется практическое отсутствие механических дефор-
маций и сдвигов измерительных витков, вызванных
тепловым расширением материалов. Это обеспечивает
неизменность положения и площадей катушек гради-
ентометра, что, в свою очередь, гарантирует стабиль-
ность степени разбаланса антенны в результате много-
разовых термоциклов между температурами жидкого
гелия и комнатной.
Создаются условия для достижения начального раз-
баланса по аксиальной компоненте поля 800 ppm, а в
поперечном направлении 400 ppm, что достаточно для
сверхчувствительных измерений в неэкранированных
условиях без применения дополнительных средств по-
давления помех (адаптивная компенсация помех, маг-
нитоэкранированная комната или камера). Дополни-
тельным преимуществом композита является его
лучшие магнитные свойства (в 6 раз меньшая магнитная
восприимчивость), что обеспечивает меньшие искаже-
ния полезного сигнала.
Значение удельного объемного электрического со-
противления углепластика, измеренное четырехзондо-
вым методом, оказалось равным 43,5 10 Ом м.−⋅ ⋅ Это
примерно в 20 раз выше, чем у используемого ранее
графита, что обеспечит существенное поглощение вы-
сокочастотных помех электромагнитного поля.
_______
1. Silvano D'Angelo, Ivo Modena, and Gian L. Romani, Patent
US 4 523, 147 (1985).
2. A. Bakharev, Int. Patent Application WO 2002027332 (2002).
3. Ю.Д. Мінов, М.М. Будник, ТОВ Київська медична
група, Патент України на винахід UA, 16882 (2006).
4. Yu.D. Minov and M.M. Budnyk, Int. Patent Application
WO, 2012173584 (2012).
5. А.И. Мелешко, С.П. Половин, Углерод, углеродные
волокна, углеродные композиты, Сайнс-Пресс, Москва
(2007).
6. А.Б. Круглов Теплофизические свойства стекло-
эпоксидов и эпоксидных смол при криогенных темпе-
ратурах, Дисс. канд. физ.-мат. наук, Москва (2007).
7. Углеродные волокна, С. Симамур (ред.) Мир, Москва
(1987).
8. М.П. Малков, И.Б. Данилов, А.Г. Зельдович, А.Б.
Фрадков, Справочник по физико-техническим основам
криогеники, Энергоатомиздат, Москва (1985).
9. А.В. Федорченко, В.Ю. Ляхно, В.И. Шнырков, ВАНТ, Сер.
Физика рад. поврежд. и рад. матер. 1(65), 150 (2010).
10. V.M. Sosnytskyy, Yu.D. Minov, and M.M. Budnyk, Int.
Patent Application, WO2013115749 (2013).
11. В.M. Сосницький, Ю.Д. Мінов, М.М. Будник, Патент
України на винахід, UA 102163 (2013).
12. Yu.D. Minov, M.M. Budnyk, V.Yu. Lyakhno, O.B. Shopen,
and O.B. Kivirenko, Int. Patent Application, WO 2016114742
(2016).
13. Ю.Д. Мінов, М.М. Будник, В.Ю. Ляхно, О.Б. Шопен,
О.Б. Ківіренко, Патент України на винахід, UA 112235
(2016),
14. M. Budnyk, N. Dudchenko, O. Stavynska, Yu. Alekseytsev,
O. Dudchenko, I. Chaikovsky, Yu. Minov, P. Sutkovyi,
P. Shpylyovy, and T. Ryzhenko, Mater. Werkstoff. 40, 302
(2009).
15. M. Budnyk, O. Zakorcheny, V. Budnyk, V. Koshelnyk,
V. Lukashyk, Yu. Minov, P. Sutkovyi, and T. Ryzhenko,
IFMBE 28 Proceedings Series, Springer Verlag, Berlin (2010).
16. M. Budnyk, V. Sosnytskyi, I. Voitovych, V. Maiko, Yu.
Minov, P. Sutkovyi, O. Zakorchenyi, T. Ryzhenko, and
V. Budnyk, Proc. IEEE 6th Workshop «Intelligent Data
Acquisition & Advanced Computing Systems IDAACS» 2011,
Prague (2011).
___________________________
Development of improved superconductive axial
gradiometers for SQUID biomagnetic application
M.M. Budnyk, Yu.D. Minov, V.Yu. Lyakhno,
V.A. Desnenko, A.S. Linnik, and O.B. Shopen
SQUID magnetometers for biomagnetic measure-
ments are equipped with superconductive gradiome-
ters that must have high SNR at low frequencies, me-
chanical strength and sustained performance during
numerous thermal cycling, with low own magnetic
noise. This paper describes the design of the gradi-
ometer intended to operate in magnetic cardiography
studies and is made of a composite material reinforced
with carbon fibers. Coefficient of thermal expansion
(CTE) of proposed carbon-filled plastic can be pre-
cisely adjusted to match to that of the detector coils
wire. This is guaranteed due to different CTEs for car-
bon fibbers in their longitudinal and cross directions
by putting the filaments in various orientations when
forming the composite. The data of measurements of
magnetic susceptibility of carbon-filled plastic are re-
ported showing it is about 6 times smaller as compared
to that of graphite. The gradiometer design provides its
high balance due to advanced patented methods.
PACS: 07.55.Ge Magnetometers for magnetic field
measurements;
85.25.Dq Superconducting quantum interfer-
ence devices (SQUIDs)
Keywords: SQUID gradiometer, magnetic susceptibil-
ity, coefficient of thermal expansion, carbon-filled
plastic.
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 313
Введение
Конструктивные особенности градиентометра
Определяющие свойства композита
Магнитные свойства углепластика
Конкретная реализация
Выводы
|