Феррозондовый магнитометр для измерения магнитной индукции до 1 нТл Текст научной статьи по специальности «Приборостроение»

Научная статья на тему 'Феррозондовый магнитометр для измерения магнитной индукции до 1 нТл' по специальности 'Приборостроение' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии ВАК
Авторы
Коды
  • ГРНТИ: 59.29.33 — Приборы для измерения характеристик магнитных полей, магнитных свойств материалов
  • УДK: 621.317.4
  • Указанные автором: УДК: 621.317.444

Статистика по статье
  • 779
    читатели
  • 877
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 1
    соц.сети

Ключевые слова
  • КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР
  • МАГНИТОМЕТР
  • ПЛАНАРНЫЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ ДАТЧИК
  • МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
  • FINEMET
  • QUANTUM COMPUTER
  • MAGNETOMETER
  • PLANAR FLUXGATE SENSOR
  • MAGNETIC INDUCTION

Аннотация
научной статьи
по приборостроению, автор научной работы — Баранов Павел Федорович, Муравьев Сергей Васильевич, Огай Виталия Евгеньевна, Учайкин Сергей Викторович

Представлен опыт разработки однокомпонентного магнитометра на базе миниатюрного планарного феррозондового датчика для измерения магнитной индукции в диапазоне от 10 мкТл до 1 нТл и обеспечения работы сверхпроводящего квантового компьютера. Описаны способ изготовления феррозондового датчика и принцип работы схемы кондиционирования сигналов с датчика.The article introduces the experience in developing one component magnetometer based on a miniature planar flux-gate sensor for measuring magnetic induction in the range from 10 mT to 1 nT and supporting operation of superconducting quantum computer. The authors describe the method for producing the flux-gate sensor and the operational principle of signal conditioning from the sensor.

Научная статья по специальности "Приборы для измерения характеристик магнитных полей, магнитных свойств материалов" из научного журнала "Известия Томского политехнического университета", Баранов Павел Федорович, Муравьев Сергей Васильевич, Огай Виталия Евгеньевна, Учайкин Сергей Викторович

 
close Похожие темы научных работ
Читайте также
Читайте также
Рецензии [0]

Похожие темы
научных работ
по приборостроению , автор научной работы — Баранов Павел Федорович, Муравьев Сергей Васильевич, Огай Виталия Евгеньевна, Учайкин Сергей Викторович

Текст
научной работы
на тему "Феррозондовый магнитометр для измерения магнитной индукции до 1 нТл". Научная статья по специальности "Приборы для измерения характеристик магнитных полей, магнитных свойств материалов"

УДК 621.317.444
ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Д01 нТл
П.Ф. Баранов, С.В. Муравьев, В.Е. Огай, С.В. Учайкин*
Томский политехнический университет *D-Wave Systems Inc., г. Бёрнаби, Канада E-mail: muravyov@tpu.ru
Представлен опыт разработки однокомпонентного магнитометра на базе миниатюрного планарного феррозондового датчика для измерения магнитной индукции вдиапазоне от 10 мкТл до 1 нТл и обеспечения работыы сверхпроводящего квантового компьютера. Описаныы способ изготовления феррозондового датчика и принцип работыы схемыы кондиционирования сигналов сдатчика.
Ключевые слова:
Квантовый компьютер, магнитометр, планарный феррозондовый датчик, магнитная индукция, Finemet Key words:
Quantum computer, magnetometer, planar fluxgate sensor, magnetic induction, Finemet.
Введение
Измерение малых магнитных полей требуется при создании сверхпроводящего квантового компьютера, элементы которого - кубиты - представляют собой сверхпроводящие кольца, в одном или нескольких местах прерванные джозефсонов-скими контактами. Кубиты очень чувствительны к внешнему магнитному полю, и для получения неискажённых результатов вычислений требуется обеспечить для их функционирования условия, близкие к магнитному вакууму. Для сверхпроводящего чипа это означает отсутствие захвата квантов магнитного потока 2,07-10-15 Вб, что эквивалентно остаточной магнитной индукции менее 100 пТл [1].
Измерение абсолютного магнитного поля при рабочей температуре квантового чипа от 20 до 50 мК с высокой точностью традиционными способами связано с определенными трудностями. Измерение магнитного поля с помощью сквидов затруднено из-за периодичности вольт-потоковой характеристики [2], а использование магниторезистивных феррозон-довых сенсоров и вибрационных преобразователей ограничено большим тепловыделением [3].
Наиболее широкое применение в качестве датчиков абсолютного магнитного поля при низких температурах нашли феррозондовые магнитометры [4]. Феррозонд обладает меньшей чувствительностью, чем сквид, но может измерять быстро меняющиеся поля с высокой амплитудой.
В статье представлен опыт разработки прототипа однокомпонентного магнитометра на базе миниатюрного феррозондового датчика для обеспечения работы сверхпроводящего квантового компьютера.
Конструкция феррозондового датчика
К конструкции феррозондового датчика, предназначенного для работы в области сверхнизких температур в вакууме, предъявляются особые требования: низкая теплоемкость; малое время терма-лизации; низкое газовыделение.
Для уменьшения массы и габаритов датчика была выбрана планарная конструкция. Такой под-
ход позволил минимизировать габаритные размеры и упростить создание обмоток. Проводники изготавливались из меди, обладающей высокой теплопроводностью при низких температурах. Для придания обмоткам сверхпроводящих свойств, медные проводники покрывались слоем свинцовооловянного сплава с температурой сверхпроводящего перехода около 5,3 К. Покрытие наносилось методом HALS (Hot Air Solder Leveling), при котором соответствующим образом подготовленная печатная плата вытягивается из свинцово-оловянного расплава в потоке горячего воздуха.
С целью минимизации стоимости и большей гибкости в выборе параметров феррозонда использовалась упрощенная технология однослойных печатных плат.
По этой технологии изготовлены отдельные платы обмоток возбуждения (рис. 1, а) и считывания (рис. 1, б).
На одной стороне платы с обмоткой возбуждения располагаются печатные проводники, на другую сторону приклеен сердечник из магнитомягкого ферромагнитного материала Finemet, вырезанный механическим способом (рис. 2).
Для создания одной обмотки возбуждения на плату с сердечником накладывалась вторая печатная плата с обмоткой возбуждения. Соединения между платами осуществлялись с помощью покрытого медью титанониобиевого провода диаметром
0,05 мм путем спайки.
После спайки обмотка возбуждения пропитывалась двухкомпонентной эпоксидной смолой Sty-cast 2850 FT. Сушка производилась в камере с давлением не более 1 Па. Затем на заготовку с двух сторон накладывались платы с обмоткой считывания. Соединения проводников обмоток производились с помощью того же титанониобиевого провода. Затем датчик снова пропитывался клеем Sty-cast с сушкой в вакууме в течение суток.
Схема размещения обмоток феррозондового датчика представлена на рис. 3, а, а внешний вид готового датчика - на рис. 3, б. Геометрические размеры датчика 10x6x2 мм.
Сердечник
Обмотка
считывания
Обмотка возбуждения
шающие 20 % от потерь сердечников из аморфного железа; чрезвычайно низкая магнитострикция и др. Указанные свойства позволяют улучшить метрологические характеристики феррозондов при замене обычного материала сердечника на Fine -met.
Рис 1. Печатная плата с обмоткой (а) возбуждения и (б) считывания
Материал сердечника Біпешеї производится фирмой НйасЫ из магнитомягкого ферромагнитного композита путем специальной термообработки [5, 6], в результате которой в материале образуются нанокристаллы, придающие ему такие уникальные физические свойства, как высокая магнитная индукция насыщения, сравнимая с индукцией насыщения материалов на основе аморфного железа; высокая магнитная восприимчивость, сравнимая с магнитной восприимчивостью материалов на основе аморфного кобальта; низкие потери на перемагничивание сердечника, не превы-
Рис 2. Формирование сердечника
Схема кондиционирования сигнала
с феррозондового датчика
Для формирования управляющего воздействия на феррозондовый датчик магнитного поля и считывания с него ЭДС, пропорциональной магнитной индукции измеряемого поля, была предложена функциональная схема кондиционирования сигнала контроллера, рис. 4.
Возбуждение феррозондового датчика осуществляется с помощью задающего генератора на логических элементах, который формирует униполярные прямоугольные импульсы частотой, равной 4f. Для установления частоты сигнала f и скважности импульсов, равной двум, используются последовательно включенные два D-триггера. С выхода второго D-триггера сигнал с частотой f подается
а
Рис. 3. Схема размещения обмоток феррозондового датчика (а) и датчик в сборе (б)
а
Рис. 4. Функциональная схема кондиционирования сигнала с феррозондового датчика
на управляющий вход модулятора, на сигнальный вход которого подано постоянное напряжение с регулируемого источника опорного напряжения (ИОН). В результате на выходе модулятора формируется биполярный сигнал скважностью равной двум и частотой /, который через преобразователь напряжения в ток поступает на обмотку возбуждения феррозондового датчика.
Сигнал с измерительной обмотки феррозонда усиливается широкополосным усилителем и поступает на вход синхронного детектора, на второй вход которого поступает сигнал с выхода первого Б-триггера с частотой 2/ В результате на выходе синхронного детектора выделяется сигнал, пропорциональный амплитуде второй гармоники, которая, в свою очередь, соответствует значению измеряемого магнитного поля. Выделенный сигнал фильтруется с целью устранения высокочастотного шума и через резистор отрицательной обратной связи Д,.с задает компенсационный ток в измерительной обмотке феррозонда, а также через фильтр нижних частот поступает на регистрирующий прибор. Амплитуда напряжения на выходе фильтра нижних частот пропорциональна значению магнитной индукции.
Генератор сигналов прямоугольной формы собран на микросхеме 74НСТ14, Б-триггеры выполнены на микросхеме НСБ4013, источник опорного напряжения собран на микросхеме АБ584, схемы модулятора и синхронного детектора построены на основе микросхемы АБ630. Широкополосный усилитель собран на микросхемах АБ797 и АБА4627-1, фильтры нижних частот выполнены на микросхемах АБ8610.
Внешний вид устройства кондиционирования сигнала с феррозондового датчика представлен на рис. 5.
Проверка разработанного прототипа магнитометра и установление коэффициента преобразования осуществлялась методом прямых измерений магнитной индукции внутри системы экранов, поле создавалось соленоидом. В качестве образцового магнитометра использовался феррозондовый магнитометр Mag-01H производства Bartington Instruments. Магнитометр Mag-01H позволяет измерять одну компоненту магнитной индукции с разрешением не более 1 нТл в диапазоне температур от 300 до 4 К [7].
Результаты измерений приведены в таблице.
Таблица. Результатыы измерений магнитной индукции
Значение магнитной индукции, полученное с помощью Мад-01И, нТл Напряжение на выходе одноканального магнитометра, В Коэффициент преобразования, В/мТл
98 9,703.10-3 99,01
9,701.10-3 98,99
9,709.10-3 99,07
9,705.10-3 99,03
9,704.10-3 99,02
1 98,9.10-6 98,9
98,8.10-6 98,8
98,7.10-6 98,7
99,0.10-6 99,0
99,1.10-6 99,1
0,9-104 89,0922.10-2 98,9913
89,0917.10-2 98,9907
89,0918.10-2 98,9908
89,0924.10-2 98,9915
89,0921.10-2 98,9912
В результате установлено значение коэффициента преобразования прототипа одноканального магнитометра. Результаты измерений показали удовлетворительное качество прибора и его пригодность для измерения слабых магнитных полей.
ИОН
Рис. 5. Устройство кондиционирования сигналов с феррозондового датчика
Дальнейшие исследования имеют целью создание прототипа 3Б магнитометра на основе трех расположенных ортогонально друг к другу ферро-зондовых датчиков и повышение чувствительности магнитометра.
Выводы
1. Предложена конструкция феррозондового датчика с геометрическими размерами 10x6x2 мм для работы в области сверхнизких температур.
2. Разработана схема кондиционирования для формирования управляющего воздействия на феррозондовый датчик и считывания с него ЭДС, пропорциональной магнитной индукции измеряемого поля.
3. Испытания магнитометра показали, что он обеспечивает диапазон измерения магнитной индукции от 10 мкТл до 1 нТл.
Работа выполнялась при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. в рамках государственного контракта № 14.740.11.0950.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Johnson M.W., Amin M.H.S., Gildert S., et al. Quantum annealing with manufactured spins // Nature. - 2011. - V. 473. - Iss. 7346. -P. 194-198.
2. Uchaikin S., Likhachev A., Cioata F., et al. Sample 3D magnetometer for a dilution refrigerator // Proc. of the 26th Intern. Conf. on Low Temperature Physics (LT26). - August 10-17, 2011, Beijing, China, Institute of Physics at Chinese Academy of Sciences. - Beijing, 2011. - P. 332-338.
3. Uchaikin S.V. Fluxgate Magnetometer for Cryogenics // Czechoslovak Journal of Physics. - 1996. - V. 46. - P. 28-29.
4. Ando B., Baglio S., Bulsara A.R., Trigona C. Design and characterization of a microwire fluxgate magnetometer // Sensors and Actuators. - 2009. - V. 151. - P. 145-153.
5. Finemet. EMC Components. 2011. URL: http://www.hitachi-me-tals.co.jp/e/prod/prod0/pdf/hl-fm4-f.pdf (дата обращения:
17.12.2011).
6. Nanocrystalline soft magnetic material. 2011. URL: http://www.hil-ltech.com/pdf/hl-fm10-cFinemetIntro.pdf (дата обращения:
22.11.2011).
7. Mag-01 Single Axis Fluxgate Magnetometer. 2011. URL: http://www.bartington.com/Default.aspx?PageID=5187129&A= SearchResult&SearchID=176003&0bjectID=5187129&0bjectTy-pe=1 (дата обращения: 10.09.2011).
Поступила 21.03.2012 г.

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх