Principiile dispozitivelor SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices)

Previzualizare referat:

Extras din referat:

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].

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.

Download referat

Primești referatul în câteva minute,
cu sau fără cont

Alte informații:
Tipuri fișiere:
pdf
Diacritice:
Da
Nota:
8/10 (1 voturi)
Anul redactarii:
2020
Nr fișiere:
1 fisier
Pagini (total):
12 pagini
Imagini extrase:
12 imagini
Nr cuvinte:
4 468 cuvinte
Nr caractere:
24 510 caractere
Marime:
409.56 KB (arhivat)
Nivel studiu:
Master
Tip document:
Referat
Domeniu:
Fizica
Data publicare:
01.07.2020
Structură de fișiere:
  • Principiile dispozitivelor SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices).pdf
Predat:
la master
Nota primita:
Nota 9

Ai gasit ceva în neregulă cu acest document?

Sus!