RU2828619C1 - Magnetometer on yig film with oscillating magnetization - Google Patents
Magnetometer on yig film with oscillating magnetization Download PDFInfo
- Publication number
- RU2828619C1 RU2828619C1 RU2024105094A RU2024105094A RU2828619C1 RU 2828619 C1 RU2828619 C1 RU 2828619C1 RU 2024105094 A RU2024105094 A RU 2024105094A RU 2024105094 A RU2024105094 A RU 2024105094A RU 2828619 C1 RU2828619 C1 RU 2828619C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetometer
- oscillatory circuit
- circuit
- yig film
- signal
- Prior art date
Links
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 title claims description 6
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 claims description 25
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims 1
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 abstract description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 16
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000000771 oncological effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Магнитометр на ЖИГ пленке с колеблющейся намагниченностью (далее – магнитометр) относится к измерительной технике и предназначен для измерения постоянных или переменных магнитных полей. Магнитометр предназначен для измерения индуктивности относительно слабых полей (до десятков пТл), локализованных в малой области (от 5 мм3).A magnetometer on a YIG film with oscillating magnetization (hereinafter referred to as a magnetometer) is related to measuring equipment and is intended for measuring constant or variable magnetic fields. The magnetometer is intended for measuring the inductance of relatively weak fields (up to tens of pT), localized in a small area (from 5 mm 3 ).
Среди существующих в настоящий момент изобретений можно выделить следующие аналоги магнитометра.Among the currently existing inventions, the following analogs of a magnetometer can be distinguished.
Магнитометр (патент GB 1510732, 17.05.1978), содержащий катушку индуктивности с переменным сигналом, намотанную на насыщенную магнитным полем пленку. Поле оценивается нулевым методом путем уравновешивания измеряемого поля за счет системы обратной связи.Magnetometer (patent GB 1510732, 17.05.1978), containing an inductance coil with an alternating signal, wound on a film saturated with a magnetic field. The field is estimated by the zero method by balancing the measured field due to the feedback system.
Тонкопленочный магнитометр, использующий ортогональный вентиль потока (патент US 4007417, 08.02.1977), содержащий катушку индуктивности с синусоидальным сигналом и системой обратной связи.A thin-film magnetometer using an orthogonal flux isolator (US Patent 4007417, 08.02.1977) containing an inductor with a sinusoidal signal and a feedback system.
Способ измерения магнитных полей и магнитометр для осуществления способа (патент GB 1402798, 13.08.1975), содержащий катушку, намотанную вокруг монодоменной пленки, в составе колебательного контура, а также имеющий уравновешивающую катушку обратной связи.A method for measuring magnetic fields and a magnetometer for implementing the method (patent GB 1402798, 13.08.1975), containing a coil wound around a single-domain film, as part of an oscillatory circuit, and also having a balancing feedback coil.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по совокупности существенных признаков является магнитометр (патент DE 1909435, 20.08.1970), содержащий параллельный колебательный контур с подстроечным конденсатором; резонансная частота контура отстроена от частоты кварцевого генератора 10 МГц. Имеется компенсирующая катушка обратной связи, намотанная на магниточувствительный элемент.The closest analogue (prototype) in terms of the set of essential features is a magnetometer (patent DE 1909435, 20.08.1970), containing a parallel oscillatory circuit with a trimmer capacitor; the resonant frequency of the circuit is detuned from the frequency of the quartz generator 10 MHz. There is a compensating feedback coil wound on a magnetosensitive element.
Существенным отличием предлагаемого магнитометра от прототипа является использование в качестве чувствительного элемента магнитометра тонкой ЖИГ плёнки с широким частотным диапазоном (сотни МГц) и предельно низкими электромагнитными потерями (до 20 Дб/мкс). Данный компонент магнитометра обладает анизотропией типа лёгкая плоскость, поэтому ориентация плёнки относительно катушек колебательных контуров и обратной связи не имеет значения. Другим отличием является наличие дополнительного опорного колебательного контура, на который подается инвертированный сигнал с кварцевого генератора. Параллельное соединение двух контуров образует балансную схему, за счет которой снижается уровень шумов от опорного генератора. В схему устройства добавлен полосовой фильтр на частоту кварцевого резонатора для предотвращения непериодических шумов от чувствительного элемента схемы. Для формирования сигнала обратной связи и выходного сигнала магнитометра используется умножитель опорного и изменяемого сигнала, а также линейный интегратор.A significant difference between the proposed magnetometer and the prototype is the use of a thin YIG film with a wide frequency range (hundreds of MHz) and extremely low electromagnetic losses (up to 20 dB/μs) as a sensitive element of the magnetometer. This component of the magnetometer has an easy-plane anisotropy, so the orientation of the film relative to the coils of the oscillatory circuits and feedback does not matter. Another difference is the presence of an additional reference oscillatory circuit, to which an inverted signal from the quartz generator is fed. Parallel connection of two circuits forms a balanced circuit, due to which the noise level from the reference generator is reduced. A bandpass filter for the frequency of the quartz resonator is added to the device circuit to prevent non-periodic noise from the sensitive element of the circuit. A multiplier of the reference and variable signals, as well as a linear integrator are used to generate a feedback signal and an output signal of the magnetometer.
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях.The features that distinguish the claimed technical solution from the prototype have not been identified in other technical solutions.
Техническим результатом является повышение чувствительности магнитометра.The technical result is an increase in the sensitivity of the magnetometer.
Технический результат достигается тем, что магнитометр содержит ЖИГ плёнку с анизотропией типа лёгкая плоскость, полосовой фильтр, умножитель опорного и изменяемого сигналов и интегратор для формирования сигнала обратной связи и выходного сигнала магнитометра, дополнительный опорный колебательный контур, образующий с основным колебательным контуром балансную схему.The technical result is achieved in that the magnetometer contains a YIG film with an easy plane anisotropy, a bandpass filter, a multiplier of the reference and variable signals and an integrator for generating a feedback signal and an output signal of the magnetometer, an additional reference oscillatory circuit that forms a balanced circuit with the main oscillatory circuit.
На фиг. 1 представлена общая схема магнитометра.Fig. 1 shows the general diagram of the magnetometer.
В качестве чувствительного элемента в магнитометре используется ЖИГ плёнка 1 с анизотропией типа лёгкая плоскость. ЖИГ плёнка 1 выступает в роли сердечника катушки, входящей в состав основного колебательного контура 2, отстроенного с помощью подстроечного конденсатора от частоты задающего кварцевого генератора 10 МГц 3. Для снижения собственных шумов генератора включён дополнительный опорный колебательный контур 4, являющийся компонентом балансной схемы с основным колебательным контуром 2. Балансной схемой в данном случае называется соединение в одной точке двух колебательных контуров – основного колебательного контура 2 и дополнительного опорного колебательного контура 4. Значение индуктивности дополнительного опорного колебательного контура 4 соответствует индуктивности основного колебательного контура 2 в монодоменном рабочем состоянии при отсутствии измеряемых внешних полей. Поддержание ЖИГ плёнки 1 в монодоменном состоянии и стабилизация вектора намагниченности обеспечивается за счёт катушки обратной связи 5, намотанной вокруг ЖИГ плёнки 1 перпендикулярно катушке основного колебательного контура 2. Ток катушки обратной связи 5 формируется усилителем 6 катушки обратной связи выходного сигнала магнитометра. Формируемые кварцевым генератором 3 и подаваемые на контуры 2 и 4 сигналы, корректируются по амплитуде с помощью усилителей 7 и 8. При этом усилитель 8 на выходе имеет инвертированный сигнал. Далее сигнал с балансной схемы контуров 2 и 4 обрабатывается полосовым фильтром 9 для исключения шумовых составляющих, производимых ЖИГ плёнкой 1. Важным элементом схемы является умножитель опорного и изменяемого сигналов 10, на который приходит отфильтрованный сигнал с контуров 2 и 4 и сдвинутый на 90° по фазе 11, усиленный усилителем 12 опорный сигнал с кварцевого генератора 3. В зависимости от величины внешнего измеряемого поля вектор намагниченности ЖИГ плёнки 1 может менять свою величину и направление, меняя, таким образом, индуктивность катушки обратной связи 5 в основном колебательном контуре 2 и, соответственно, сдвигая ток относительно напряжения. По этой причине сигнал на выходе умножителя опорного и изменяемого сигналов 10 изменяется в зависимости от измеряемого магнитного поля. Для линеаризации переменного сигнала с умножителя опорного и изменяемого сигналов 10 и его последующего использования в ветке обратной связи в качестве компенсирующего сигнала используется интегратор 13. Сигнал с интегратора 13, поданный на катушку обратной связи 5, поддерживает ЖИГ плёнку 1 в монодоменном состоянии, а также является выходным сигналом магнитометра. The magnetometer uses a YIG film 1 with easy-plane anisotropy as a sensitive element. The YIG film 1 acts as a coil core, which is part of the main oscillatory circuit 2, tuned using a tuning capacitor from the frequency of the 10 MHz master quartz generator 3. To reduce the generator's own noise, an additional reference oscillatory circuit 4 is included, which is a component of the balanced circuit with the main oscillatory circuit 2. In this case, the balanced circuit is called the connection of two oscillatory circuits at one point - the main oscillatory circuit 2 and the additional reference oscillatory circuit 4. The inductance value of the additional reference oscillatory circuit 4 corresponds to the inductance of the main oscillatory circuit 2 in a single-domain operating state in the absence of measurable external fields. Maintaining the YIG film 1 in a single-domain state and stabilizing the magnetization vector is ensured by the feedback coil 5, wound around the YIG film 1 perpendicular to the coil of the main oscillatory circuit 2. The current of the feedback coil 5 is formed by the amplifier 6 of the feedback coil of the magnetometer output signal. The signals formed by the quartz generator 3 and fed to circuits 2 and 4 are corrected in amplitude by amplifiers 7 and 8. In this case, the amplifier 8 has an inverted signal at the output. Then the signal from the balanced circuit of circuits 2 and 4 is processed by bandpass filter 9 to eliminate noise components produced by YIG film 1. An important element of the circuit is the multiplier of the reference and variable signals 10, which receives the filtered signal from circuits 2 and 4 and the reference signal from the quartz generator 3, shifted by 90° in phase 11, amplified by amplifier 12. Depending on the magnitude of the external measured field, the magnetization vector of YIG film 1 can change its magnitude and direction, thus changing the inductance of the feedback coil 5 in the main oscillatory circuit 2 and, accordingly, shifting the current relative to the voltage. For this reason, the signal at the output of the multiplier of the reference and variable signals 10 changes depending on the measured magnetic field. For the linearization of the variable signal from the multiplier of the reference and variable signals 10 and its subsequent use in the feedback branch as a compensating signal, the integrator 13 is used. The signal from the integrator 13, fed to the feedback coil 5, maintains the YIG film 1 in a single-domain state, and is also the output signal of the magnetometer.
Одним из вариантов реализации магнитометра может стать его использование в составе измерительного комплекса для характеризации распределения ферромагнитных материалов в различных объектах. Например, в перспективной области медицины тераностике онкологических заболеваний изобретение может выступать в качестве детектора биосовместимых ферромагнитных наночастиц, способных прикрепляться к раковым клеткам. После воздействия на частицы внешнего импульсного поля они становятся точечными источниками магнитного поля, величину которого должен обнаруживать детектор. Массив детекторов позволяет получить набор данных, по которым можно определить место локализации частиц и, таким образом, решить обратную томографическую задачу.One of the options for implementing the magnetometer may be its use as part of a measuring complex for characterizing the distribution of ferromagnetic materials in various objects. For example, in the promising field of medicine, theranostics of oncological diseases, the invention can act as a detector of biocompatible ferromagnetic nanoparticles capable of attaching to cancer cells. After exposure to an external pulsed field, the particles become point sources of a magnetic field, the magnitude of which must be detected by the detector. An array of detectors allows obtaining a set of data by which it is possible to determine the location of the particles and, thus, solve the inverse tomography problem.
Устройство магнитометра может быть реализовано на печатной плате с помощью современных компонентов поверхностного монтажа. Материалом для обмотки вокруг плёнки может быть выбран кабель ПЭЛШО (провод эмалированный с изоляцией на масляной основе и шелковой обмоткой). Комбинированный тип изоляции повышает механическую, электрическую и тепловую прочности обмоточных изделий. Использование кабеля с шелковой обмоткой позволяет уменьшить паразитную ёмкость колебательного контура, обеспечивая более высокий по сравнению с обычным кабелем уровень добротности. Для снижения паразитных шумов от наводок ЖИГ плёнку следует экранировать медной фольгой, соединённой с цепью земли электрической схемы.The magnetometer device can be implemented on a printed circuit board using modern surface-mount components. The material for winding around the film can be PELSHO cable (enamelled wire with oil-based insulation and silk winding). The combined type of insulation increases the mechanical, electrical and thermal strength of the winding products. Using a cable with a silk winding allows you to reduce the parasitic capacitance of the oscillatory circuit, providing a higher quality factor compared to a conventional cable. To reduce parasitic noise from YIG interference, the film should be shielded with copper foil connected to the ground circuit of the electrical circuit.
Описанный магнитометр способен регистрировать в безмагнитной камере поля от ферромагнитных наночастиц с индукцией в десятки пТл. Аналоговый сигнал на выходе устройства можно оценить с помощью осциллографа или оцифровать и исследовать на ЭВМ.The described magnetometer is capable of recording fields from ferromagnetic nanoparticles with induction of tens of pT in a non-magnetic chamber. The analog signal at the device output can be evaluated using an oscilloscope or digitized and examined on a computer.
Предполагаемые характеристики магнитометра на ЖИГ плёнке с колеблющейся намагниченностью можно охарактеризовать следующим образом. Верхняя граница частотного диапазона магнитометра до 100 кГц, а нижняя граница силовых значений измеряемых магнитных полей – десятки пТл.The expected characteristics of the magnetometer on the YIG film with oscillating magnetization can be characterized as follows. The upper limit of the frequency range of the magnetometer is up to 100 kHz, and the lower limit of the force values of the measured magnetic fields is tens of pT.
Таким образом, предлагаемый магнитометр обеспечивает достижение требуемого технического результата, заключающегося в повышении чувствительности магнитометра.Thus, the proposed magnetometer ensures the achievement of the required technical result, which consists in increasing the sensitivity of the magnetometer.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2828619C1 true RU2828619C1 (en) | 2024-10-14 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1909435B1 (en) * | 1969-02-25 | 1970-08-20 | Burroughs Corp | Magnetometer |
| RU2100819C1 (en) * | 1996-09-30 | 1997-12-27 | Петр Михайлович Ветошко | Magnetic field meter |
| RU2679461C1 (en) * | 2018-03-07 | 2019-02-11 | Общество с ограниченной ответственностью "СПИНЛАБ" | One-component sensor of geomagnetic fields |
| US20220011383A1 (en) * | 2020-07-12 | 2022-01-13 | Massachusetts Institute Of Technology | Ferrimagnetic Oscillator Magnetometer |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1909435B1 (en) * | 1969-02-25 | 1970-08-20 | Burroughs Corp | Magnetometer |
| RU2100819C1 (en) * | 1996-09-30 | 1997-12-27 | Петр Михайлович Ветошко | Magnetic field meter |
| RU2679461C1 (en) * | 2018-03-07 | 2019-02-11 | Общество с ограниченной ответственностью "СПИНЛАБ" | One-component sensor of geomagnetic fields |
| US20220011383A1 (en) * | 2020-07-12 | 2022-01-13 | Massachusetts Institute Of Technology | Ferrimagnetic Oscillator Magnetometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9285436B2 (en) | Magnetic field sensor | |
| RU163174U1 (en) | SMALL HIGH FREQUENCY MAGNETOMETER | |
| US20130134964A1 (en) | Coil comprising a winding comprising a multi-axial cable | |
| CN104849679A (en) | Magnetic probe and magnetic field sensor having same | |
| Babitskii et al. | A magnetometer of weak quasi-stationary and high-frequency fields on resonator microstrip transducers with thin magnetic fields | |
| RU2682076C1 (en) | Sensor of weak magnetic fields | |
| US3621382A (en) | Anistropic thin ferromagnetic film magnetometer | |
| RU2828619C1 (en) | Magnetometer on yig film with oscillating magnetization | |
| JPH02287266A (en) | Dc current measuring apparatus | |
| US2711510A (en) | Metal detector balance controls | |
| US5451874A (en) | Method and system for providing heterodyne pumping of magnetic resonance | |
| RU2712926C1 (en) | Thin-film magnetic field of weak magnetic fields | |
| RU2687557C1 (en) | Thin-film gradiometer | |
| Sokol-Kutylovskii | Magnetomodulation sensors based on amorphous ferromagnetic alloys | |
| RU2829013C1 (en) | Small-sized broadband sensor of weak magnetic fields | |
| KR102656037B1 (en) | Magnetic-field detecting apparatus | |
| JP2001083223A (en) | Magnetometer | |
| RU2539726C1 (en) | Ferroprobe magnetometer and method to measure components of induction of magnetic field by means of vector compensation | |
| Macintyre | Magnetic field sensor design | |
| Singh | Design of fluxgate magnetometer sensors | |
| RU2817510C1 (en) | Two-channel proportional-differential ferroprobe | |
| GB907013A (en) | Improvements to nuclear-resonance type detectors for magnetic fields and applications thereof | |
| Benedikt et al. | Application of magnetic markers for precise measurement of magnetic fields in ramped accelerators | |
| GB2319621A (en) | Magnetic sensor | |
| Lu et al. | Study of measuring error of rogowski coil |