Development and experimental study of the low-temperature SQUID magnetometers
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0042906Ключові слова:
SQUID, magnetometer, signal and noise properties, experimental studyАнотація
Мета дослідження — розроблення та тестування 4/9-канальних магнітометрів на основі надпровідного квантового інтерферометра (SQUID) з високою роздільною здатністю магнітного поля, динамічним діапазоном та довготривалою завадостійкістю (стабільністю), що дозволяє працювати в лабораторних або клінічних умовах за наявності високого рівня промислових магнітних завад, але без магнітного екранованого кабінету та еталонного векторного магнітометра. Представлені результати експериментальних досліджень параметрів сигналу та шуму SQUID магнітометрів на основі конструкцій із постійним струмом (dc) та релаксаційними коливаннями (RO). Продемонстровано, що RO SQUID магнітометр виявляє кращу роздільну здатність та вищий коефіцієнт передачі порівняно з dc варіантом у міському середовищі та за наявності високих промислових магнітних збурень, без необхідності магнітного екранування. На противагу, dc магнітометр має кращу завадостійкість проти імпульсних збурень, тому dc SQUID більш придатні для неекранованого середовища. Каркас вхідної антени, тобто магнітного потокового градієнометра 2-го порядку, виготовлено з вуглецевого композиту, який має меншу магнітну сприйнятливість, ніж графіт, та кращу міцність під час багатьох циклів охолодження від гелію до кімнатної температури. Розроблені dc SQUID магнітометри мають роздільну здатність 0,3 пТл, коефіцієнт передачі 4 мВ/пТл та динамічний діапазон 84 дБ. Розроблені SQUID магнітометри використовуються в магнітокардіографічних сканерах, призначених для медичної діагностики захворювань серця в клінічних умовах, та в системі для низькочастотної сасептометрії, призначеній для лабораторних досліджень магнітної сприйнятливості біологічних та технічних зразків, включаючи живих тварин (миші, щури, кролики) та магнітночутливих нанокомпозитів для біомедичних застосувань.
Посилання
J. Crarke and A. I. Braginski, The SQUID Handbook. Vol.1 Fundanentals and Technology of SQUIDs and SQUID Systems (WILEY-VCH Verlag GmbH and Co. KGaA, Weinheim, 2004).
Yu. V. Maslennikov, M. A. Primin, V. Yu. Slobodchikov, V. V. Khanin, I. V. Nedayvoda, V. A. Krymov, A. V. Okunev, E. A. Moiseenko, A. V. Beljaev, V. S. Rybkin, A. V. Tolcheev, and A. V. Gapelyuk, “The DC-SQUID-based magnetocardiographic systems for clinical use,” Phys. Procedia 36, 88 (2012). https://doi.org/10.1016/j.phpro.2012.06.218
I. D. Voitovych, M. A. Primin, and V. M. Sosnytskyy, “Application of SQUIDs for registration of biomagnetic signals,” Fiz. Nizk. Temp. 38, 396 (2012) [Low Temp. Phys. 38, 311 (2012)]. https://doi.org/10.1063/1.3699954
I. Voytovych, M. Budnyk, Yu. Minov, L. Artemenko, E. Paslavskyi, and P. Shpilyovy, “First Ukrainian multi-channel magnetocardiograph: Assembling and testing,” in Proceedings of IEEE 2nd Workshop on Intelligent Data Acquisition & Advanced Computing Systems:
M. M. Budnyk, N. O. Dudchenko, O. M. Stavynska, Y. O. Alekseytsev, O. K. Dudchenko, I. A. Chaikovsky, Y. D. Minov, P. G. Sutkovyi, P. B. Shpylyovy, T. M. Ryzhenko, V. M. Budnyk, and I. D. Voytovych, “SQUID-imaging technology to study magnetic nanocarriers for targeted magnetic transport, materialwissenschaft und werkstofftechnik,” Mater. Sci. Eng. Tech. 40, 302 (2009). https://doi.org/10.1002/mawe.200800446
Magnetism in Medicine: A Handbook, 2nd ed., edited by W. Andra and H. Nowak (Wiley-VCH, Berlin, 2006).
M. Budnyk, V. Sosnytskyi, I. Voitovych, V. Maiko, Y. Minov, P. Sutkovyi, O. Zakorchenyi, T. Ryzhenko, and V. Budnyk, “Development of 4-channel cardiomagnetic scaner and technical requirements for 9-channel scaner to diagnose the heart abnormalities,” in Proceedings of IEEE 6th Workshop on Intelligent Data Acquisition & Advanced Computing Systems, IDAACS’2011 (Prague, 2011), p. 91.
M. M. Budnyk, O. V. Zakorcheny, V. M. Budnyk, V. C. Koshelnyk, V. V. Lukashyk, Yu. D. Minov, P. G. Sutkovyi, and T. M. Ryzhenko, “Improvement of small-channel MCG system for unshielded environment,” in Advances in Biomagnetism—Biomag 2010, IFMBE Proc. (Springer, Berlin, 2010), p. 66.
Yu. D. Minov, M. M. Budnyk, P. B. Shpylovy, and Ye. V. Melnyk, SQUID-detector of Superweak Magnetic Fields, Patent UA 125443 (2022).
P. Sutkovyi, Yu. Minov, P. Shpylovyi, Ye. Melnyk, and M. Mudrenko, “Optimization of low-pass filters in a flux transformer of a SQUID magnetometer for MCG studies,” Fiz. Nyzk. Temp. 48, 582 (2022) [Low Temp. Phys. 48, 515 (2022)]. https://doi.org/10.1063/10.0011597
Yu. D. Minov and M. M. Budnyk, Device for mechanical balance of superconductive gradientometer at unshielded location, Intern. Patent Application WO 2012173584 (2012), https://patentscope.wipo.int/search/en/WO2012173584.
V. M. Sosnytskyy, Yu. D. Minov, and M. M. Budnyk, Device for Compensating Electromagnetic Interferences During Biomagnetic Measurements, U.S. Patent US9804125B2, 31 October 2017.
M. M. Budnyk, Yu. D. Minov, V. Yu. Lyakhno, V. A. Desnenko, A. S. Linnik, and O. B. Shopen, “Development of improved superconductive axial gradiometers for biomagnetic SQUID applications,” Fiz. Nizk. Temp. 44, 308 (2018) [Low Temp. Phys. 44, 233 (2018)]. https://doi.org/10.1063/1.5024543
Yu. D. Minov, M. M. Budnyk, V. Yu. Lyakhno, O. B. Shopen, and O. B. Kivirenko, Thermostable superconductive magnetic gradiometer, Patent Granted CN 107430174B, (2020), https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/064331404/publication/CN107430174B?q=pn%3DCN107430174B.
O. V. Zakorchenyi, M. M. Budnyk, and V. M. Budnyk, Method for calibrating multi-channel SQUID magnetometer, Ukrainian Patent UA99783, 10 April 2012.
L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media, (Science, Moscow, 1982), Vol. 8. https://www.scribd.com/doc/83069314/Landau-Lifshitz-Vol8-Electrodynamics-of-Continuous-Media-2ed.
N. N. Budnik, Yu. D. Minov, V. N. Sosnitsky, P. G. Sutkovoj, and I. D. Vojtovich, Pulse-Relaxation oscillation SQUID magnetometer, Proc. XIII World Congress of International Measurement Confederation “From Measurement to Innovation,” XIII IMEKO World Congress, Torino (1994), Vol. I, p. 2383.
O. V. Zakorcheny, V. M. Budnyk, M. M. Budnyk, O. A. Ostapchuk, Yu. D. Minov, P. G. Sutkovyi, T. M. Ryzhenko, and P. B. Shpylyovy, “Studying SQUID-system for active and passive biomagnetic researches At unshielded environment,” in Proceedings of 5th IEEE Workshop on Intelligent Data Acquisition & Advanced Computing Systems, IDAACS’2009 (Rende Cozenca, 2009), p. 77.
I. Vojtovich and M. Budnyk, “Input SQUID-magnetometer circuits: Matching and optimization,” J. Phys. IV France 8(PR3), Pr3-241 (1998). https://doi.org/10.1051/jp4:1998353
M. I. Mudrenko and Ye. V. Melnyk, “Creation and testing of modernized measuring probes with superconducting antennas,” Computer tools, nets and systems 17, 20 (2018) (in Ukrainian). https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/150602.
I. A. Chaykovskyy, M. M. Budnyk, M. A. Najafian, S. S. Martynenko, A. S. Dovbysh, and O. S. Kovalenko, “Development of pattern recognition method for diagnosis of myocardial ischemia and noncoronarogenic myocardial diseases based on current density distribution maps, intern. federation medical and biological engineering (IFMBE),” in Proceeding Series (Springer, Berlin, 2010), Vol. 28, p. 424.
V. Budnyk, M. Budnyk, V. Sosnytskyy, X. Feng, T. Miao, S. Zhu, P. Sutkovyi, Y. Minov, P. Spylovyy, M. Mudrenko, Y. Melnyk, and W. Ji, “Development of 9-channel magnetocardiograph CARDIOMOX MCG-9, 2023 IEEE 13th Intern. Conf. on Electronics and Information Technologies,” in ELIT 2023 - Proceedings (2023), p. 283.
