Principiile dispozitivelor SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices)

Extras din referat Cum descarc?

1. Introducere
Domeniul biomagnetismului cuprinde detectarea campurilor magnetice extrem de
slabe generate de sistemele biologice, de exemplu, curentii ionici in celulele nervoase si
tesutul cardiac sau prin nanoparticule magnetice (MNP) ale magnetitei (Fe3O4) care se
considera ca apar in mod natural in organismele vii din cauza biomineralizarii, sau in
situatii de utilizare a agentui de contrast pentru analizele de proteine, in timpul
investigatiilor paraclinice. Mai multe aplicatii ale biomagnetismului sunt relevante pentru
diagnosticarea medicala non-invaziva, incluzand studiul functiei inimii si creierului,
diagnosticului nervilor periferici si a maduvei spinarii, precum si localizarea tesutului
canceros folosind MNP-uri procesate ca markeri[1],[2],[3]).
Masuratorile campurilor magnetice produse de corpurile biologice vii, care provin din
foarte mici curenti ionici din tesutul cardiac sau din creier (neuroni), folosind magnetocardiografia
(MCG) respectiv magneto-encefalografia (MEG), ofera informatii valoroase
despre functie, fiziopatologie si conditii de sanatate. Astfel de masuratori sunt o provocare.
Pentru a avea valoare in diagnosticul si cercetarea medicala, o masurare MCG ar trebui sa
aiba un raport semnal-zgomot (SN/R) care este comparabil cu cel al electrocardiografiei, de
100, care corespunde cu o inductie magnetica echivalenta cu zgomot (NEMI) in cazul MCG
care este mai mic de 10 fT Hz - 1/2 in intervalul de frecvente 1 Hz -  1 kHz. O sensibilitate
similara si o latime de banda a frecventei sunt necesare pentru senzorii care sunt folositi in
MEG pentru a detecta si caracteriza surse profunde de camp magnetic din creierul uman.
Sensibilitatea si latimea de banda a frecventei suficiente pentru masuratori biomagnetice in
prezenta campurilor magnetice de fundal relativ mari (>100-9T) pot fi obtinute in prezent
numai prin utilizarea unor senzori speciali (,,biomagnetometri"), care sunt bazate pe
dispozitive de interferenta cuantica supraconductoare (SQUID).
O alta tehnica promitatoare pentru inregistrarea neuromagnetica foloseste
magnetometrele atomice (denumite si magnetometre cu pompa optica sau fara schimb de
spin). S-a demonstrat[4] ca un senzor de magnetometru atomic pe baza de chipscale pe baza
de spectroscopie optica cu o sensibilitate magnetica de ~200 fT Hz - 1/2 la 10 Hz este
capabil sa inregistreze campuri neuromagnetice evocate, spontane si somatosenzoriale.
Echipa lui Johnson C. au utilizat aceasta tehnologie pentru a masura raspunsul creierului
prin stimularea nervului auditiv si median[5]. Desi magnetometrele atomice sunt
promitatoare, deoarece nu necesita racire, o problema cu tehnologia actuala este aceea ca
sensibilitatea (~15 fT Hz - 1/2), domeniul dinamic si latime de banda de frecventa prea
restransa (~10Hz) ale senzorilor nu sunt suficiente pentru procesarea majoritatii
semnalelor MEG. Au fost raportate recent imbunatatiri, in cazul in care autorii sustin ca
noile magnetometre atomice ofera un NEMI mai mare de 1 fT Hz - 1/2 si nu trebuie
protejate de campul magnetic al Pamantului[6].
Studiile teoretice[7],[8] au aratat ca magnetometrele atomice pot oferi o SNR mai mare
si pot inlocui SQUID-urile in sistemele MEG. O publicatie recenta[9] arata, de asemenea, o
capacitate de localizare a sursei neuromagnetice folosind un singur magnetometru atomic
(cu un NEMI de 15,9 fTHz - 1/2 in intervalul de frecventa de 2- 80 Hz) plasat secvential in
13 locatii.
Cu toate acestea, o crestere a intervalului de frecventa este o problema, deoarece
sensibilitatea si latimea de banda a frecventei unei astfel de tehnologii cu senzori sunt
incompatibile reciproc[10]. Problema discutiilor incrucisate intre senzorii care se afla in
imediata apropiere unul de altul va fi, de asemenea, semnificativa, datorita fie difuzarii
gazului de la un fascicul de citire laser la altul, fie inductantei reciproce intre bobinele de
feedback care inconjoara incintele de gaz.
Mai mult, utilizarea magnetometrelor atomice pentru inregistrarea neuromagnetica
in medii mai putin ecranate este limitata de gama dinamica a electronicelor de citire. In
schimb, SQUID-urile pot fi configurate ca transformatoare de flux superconductor
graduometric, care inlatura intrinsec zgomotul de mediu in timpul masurarilor prin
inregistrarea gradientului fluxului magnetic. Mai mult, electronice de citire a fluxurilor cu o
gama dinamica de -130 dB si o rata de viteza de aproximativ 5M?0 s - 1 pot Oi utilizate cu
SQUID-uri de curent continuu cu curent continuu scazut si inalt (TC)[11].

Fisiere in arhiva (1):

 Principiile dispozitivelor SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices).pdf

Bibliografie

1[1]Andra W and Novak H (ed) Magnetism in Medicine. A Handbook (Weinheim: Wiley), 2007
2[2]Clarke J and Braginski A I (ed) The SQUID Handbook Vol 2: Applications of SQUIDs and SQUID
Systems (Weinheim: Wiley), 2006
3[3]Seidel P 2015 Applied Superconductivity: Handbook on Devices and Applications vol 2 (Weinheim:
Wiley), 2015
4 [4] Sander T H, Preusser J, Mhaskar R, Kitching J, Trahms L and Knappe S, Magnetoencephalography
with a chip-scale atomic magnetometer Biomed. Opt. Eorxpress 3 981, 2012
5[5] Johnson C, Schwindt P D D and Weisend M, Magnetoencephalography with a two-color pumpprobe,
fiber-coupled atomic magnetometer Appl. Phys. Lett. 97 243703, 2010
6[6] Sheng D, Li S, Dural N and Romalis M V 2013 Subfemtotesla scalar atomic magnetometry using
multipass cells Phys. Rev. Lett. 110 160802, 2013
7[7] Iivanainen J, Stenroos M and Parkkonen L, Measuring MEG closer to the brain: performance of
on-scalp sensor arrays NeuroImage 147 542, 2016
8[8] Boto E, Bowtell R, Kruger P, Fromhold T M, Morris P G, Meyer S S, Barnes G R and Brookes M J,
On the potential of a new generation of magnetometers for MEG: a beamformer simulation study PLoS
One 11 e0157655, 2016
9[9] Boto E et al 2017 A new generation of magnetoencephalography: room temperature
measurements using optically-pumped magnetometers NeuroImage 149 404, 2017
10[10] Budker D and Romalis M Optical magnetometry Nat. Phys. 3 227, 2007
11[11] Ludwig C, Kessler C, Steinfort A J and Ludwig W, Versatile high performance digital SQUID
electronics IEEE Trans. Appl. Supercond. 11 1122, 2001
12[12] Michael Tinkham, \Introduction to Superconductivity", Dover Publications, 1996, pp. 1-4.
13[13] David J. Gri_ths, \Introduction to Electrodynamics", 3rd edition, pp. 234-240.
14[14] Mr.SQUID User's Guide, Version 6.4.