CC BY
1560
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: [email protected]
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.
