Tài liệu Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN TRỌNG LUÂN THIẾT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƢỜNG NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2012 6 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN TRỌNG LUÂN THIẾT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƢỜNG NHỎ Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử Mã số 60.44.03 : LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. PHẠM QUỐC TRIỆU HÀ NỘI – 2012 7 MỞ ĐẦU Từ trường nhỏ là thông số quan trọng trong nghiên cứu Vật lí. Vì vậy việc đo đạc và phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với đời sống. Việc phát hiện thăng giáng này cho phép đánh giá được ảnh hưởng của từ trường vũ trụ, Trái đất tới thời tiết và sức khỏe con người cũng như có thể giúp phát hiện các dòng điện, vật liệu từ tính cũng như các mỏ khoáng sản trong lòng đất…. Bản luận văn này khái quát nguyên lí hoạt động, sơ đồ các khối trong thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ, đưa ra một số giải pháp để nâng cao tỉ số S/N và tập trung vào tìm hiểu, mô phỏng “phương pháp nâng cao tỉ số S/N bằng phương pháp Boxcar” dùng phần mềm Matlab. Nội dung của bản luận văn nằm trong chương trình nghiên cứu của đề tài trọng điểm cấp ĐH Quốc Gia Hà Nội mã số QGTĐ.10.27 về nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ. Nội dung của luận văn được trình bày trong 04 chương: Chương 1: Nguyên lí sensor phát hiện từ trường. Chương 2: Thiết kế thiết bị. Chương 3: Cải thiện tỉ số S/N. Chương 4: Một số kết quả thực nghiệm. 8 CHƢƠNG 1 - NGUYÊN LÍ SENSOR PHÁT HIỆN TỪ TRƢỜNG 1.1 Một số nguyên lí vật lí chuyển đổi tín hiệu từ - điện 1.1.1 Hiệu ứng Hall Phát hiện vào năm 1880 bởi Edwin Hall, khi đặt một từ trường vuông góc với hướng của dòng điện trong kim loại hay chất bán dẫn thì xuất hiện một điện trường vuông góc với cả hướng của dòng điện và hướng của từ trường. Đây là một trong những hiệu ứng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sensor. Hình 1.1: Hiệu ứng Hall Hình 1.1 mô tả một từ trường vuông góc với tấm vật liệu mỏng mang dòng điện. Từ trường tác dụng một lực theo phương ngang FB vào hạt tải chuyển động và đẩy chúng về một phía. Trong khi những hạt tải này được tích lũy tại một bên thì các hạt tải trái dấu lại tích tụ về phía đối diện. Sự phân tách hạt tải tạo ra một điện trường, điện trường này gây ra lực điện FE . Khi lực điện cân bằng với lực từ thì không diễn ra sự 9 phân tách hạt tải nữa. Kết quả là có một điện thế có thể đo được giữa hai cực của vật liệu, gọi là thế Hall, VHall được tính theo phương trình: VHall  IB ned (1.1) Với I là dòng điện chạy trong vật liệu B: cảm ứng từ, n: mật độ hạt tải của vật liệu e: điện tích của electron ( 1.602 1019 C) d: độ dày của vật liệu Sensor hiệu ứng Hall được sử dụng thường xuyên nhất trong các phép đo từ trường. Sensor Hall hai chiều đã được sử dụng để kiểm soát trường từ trong dải nanotesla. Do có khả năng phát hiện ra từ trường nhỏ, hiệu ứng Hall có thể là phương tiện trong việc phát triển hệ cảm biến sử dụng chuỗi từ nano (chuỗi phát ra từ trường rất nhỏ). Một ví dụ về chuỗi từ nano được cung cấp bởi Ejsing, người đã cải tiến những sensor chuỗi từ nano này với độ nhạy khoảng 3µV/Oe mA. Những sensor của họ hoạt động với từ trường của hạt từ kích cỡ 250 nm thường được sử dụng trong những ứng dụng sinh học. 1.1.2 Hiệu ứng Spin Hall Hiệu ứng Spin Hall (SHE-Spin Hall Effect) liên quan đến sự phát sinh dòng spin ngang với điện trường đặt vào vật liệu, dẫn đến sự gia tăng các spin không cân bằng trong hệ. Hiệu ứng này xuất hiện trong các vật liệu thuận từ là hệ quả của tương tác spin-quỹ đạo. Đó là lý thuyết được dự đoán vào năm 1971 bởi Yakonov và Perel. Sự phát sinh, lôi kéo và phát hiện điện tử spin- phân cực trong cấu trúc nano là một trong những thách thức của thuyết spin điện tử. Hiệu ứng này có tiềm năng to lớn trong việc sử dụng các cảm biến ứng dụng trong chuỗi từ nano hoặc film mỏng với chiều dày nano. Ví dụ Gerber chứng minh rằng SHE có thể sử dụng để cảm biến các tinh thể từ không đẳng hướng và từ trường 10 tồn tại trong thời gian ngắn của hạt nano Co tách xa sắp xếp trong những dãy đơn lớp với bề dày nhỏ hơn 0.01 nm. Dòng điện Dòng spin Hình 1.2: Hiệu ứng spin Hall 1.1.3 Hiệu ứng Faraday – Henry Định luật Faraday-Henry là định luật cơ bản của điện từ và phát biểu rằng một điện trường được tạo ra khi thay đổi một từ trường (hình 1.3). Michael Faraday và Joseph Henry độc lập tìm ra hiện tượng điện từ. Các sensor và thiết bị âm thanh thời kỳ đầu (như micro-phones), đồng hồ đo dòng điện và điện thế tương tự, và rơle lưỡi gà sử dụng hiệu ứng này. Hình 1.3: Hiệu ứng Faraday-Henry 11 Mối quan hệ giữa điện trường E và mật độ từ thông B được xác định bởi:  E  ds   Hay d S B  dA dt   E   B t (1.2) (1.3) Định luật này chi phối anten, các môtơ điện và một số lượng lớn thiết bị điện gồm cả rơle và phần cảm điện trong các mạch thông tin viễn thông. 1.1.4 Hiệu ứng Barkhausen Năm 1919 Barkhausen thấy rằng khi đặt một từ trường liên tục tăng chậm vào vật liệu sắt từ thì nó sẽ bị từ hóa không liên tục mà theo từng bậc nhỏ. Những thay đổi đột ngột không liên tục trong sự từ hóa là kết quả của những thay đổi rời rạc cả trong kích cỡ và hướng của vùng sắt từ (hay cụm vi mô của nam châm nguyên tử sắp hàng) xuất hiện trong quá trình từ hóa hay khử từ liên tục. Hiệu ứng này thông thường làm giảm hoạt động của sensor từ nó xuất hiện như nhiễu bậc trong phép đo. Hiệu ứng này cũng quan sát được ở vật liệu sắt từ kích thước nano. 1.1.5 Hiệu ứng Nernist/Ettinghausen [10] Nernst và Ettingshausen phát hiện ra một lực điện động được sinh ra dọc chất dẫn điện hay bán dẫn khi nó chịu tác dụng đồng thời của gradient nhiệt độ và trường từ. Hướng của lực này vuông góc cả với trường từ và gradient nhiệt độ. Hiệu ứng có thể được định lượng bởi hế số Nernst |N| : N EY / BZ dT / dx (1.4) Thành phần từ trường trên trục z là BZ , tạo ra thành phần điện trường theo trục y là EY , vật chịu gradient của nhiệt độ dT/dx. Hiệu ứng này có khả năng đo độ lớn của nhiệt độ và độ lớn của từ trường ở hạt nano đơn. 12 1.1.6 Hiệu ứng từ trở Hiệu ứng từ trở là hiện tượng phụ thuộc điện trở của vật chất vào từ trường ngoài. Từ trường ngoài gây ra lực Lorentz tác động vào các hạt tải chuyển động trong vật liệu tùy thuộc hướng của trường mà có thể gây ra cản trở đối với sự dịch chuyển của các hạt tải. Hiệu ứng này do Lord Kelvin phát hiện vào năm 1856. Hiệu ứng trở nên nổi bật khi tìm ra từ trở không đẳng hướng (AMR-Anisotropic Magnetoresistance) và từ trở khổng lồ (GMR-Giant Magnetoresistance ). AMR là hiện tượng chỉ quan sát được ở các chất sắt từ, vật mà điện trở tăng nên khi hướng của dòng điện song song với trường từ tác động. Thay đổi điện trở của vật liệu phụ thuộc vào góc giữa hướng của dòng điện và hướng từ hóa của vật liệu sắt từ. Có thể phát triển các sensor giám sát góc quay của trường từ dựa vào hiệu ứng AMR. Tuy nhiên thay đổi điện trở liên quan đến hiệu ứng AMR khá nhỏ thường thì chỉ 1% hoặc 2%. GMR có vai trò quan trọng trong công nghệ nano ứng dụng cho cảm biến. Hiệu ứng từ trở khổng lồ được độc lập tìm ra bởi nhóm nghiên cứu do Peter dẫn đầu và đại học Paris-Sud vào năm 1988. Hiện tại nghiên cứu tập trung vào hướng sử dụng những dây dẫn nano đa lớp (mang đến độ nhạy cao hơn so với film mỏng hiện tại đang sử dụng trong ổ cứng đọc/ghi) thể hiện hiệu ứng GMR. 1.1.7 Hiệu ứng Dopper Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa thì tần số tín hiệu thu được giảm xuống. Đây là hiệu ứng Doppler. Sự dịch tần số Doppler ở phía thu tuân theo phương trình sau: f observed  ( v ) f source v  vsource 13 (1.5) Với v là tốc độ sóng trong môi trường, vsource là tốc độ của nguồn đối với môi trường, và f source là tần số của nguồn sóng. Nếu nguồn sóng tiến gần đầu thu vsource dương và ngược lại khi nó lùi xa nguồn thu thì vsource âm. Một ví dụ quen thuộc về hiệu ứng Doppler là thay đổi độ cao thấp của còi báo động xe cứu thương khi nó lại gần hay đi xa. Thí dụ phổ biến về hiệu ứng Doppler trong cảm biến là thiết bị giám sát và siêu âm. Hiệu ứng Doppler cũng giữ vai trò quan trọng trong rada và hệ thống định vị vật dưới nước. Hiệu ứng Doppler có vai trò quan trọng trong cảm biến và mô tả vật liệu nano. Mở rộng Doppler (mở rộng vạch phổ trong phổ UV-vis) gây ra do chuyển động nhiệt của những hạt nhỏ. Mở rộng Doppler thông thường đặt trong thiết bị đo phổ có độ chính xác cao. 1.2 Một số sensor đo từ trƣờng 1.2.1 Sensor hiệu ứng Hall [11] Thiết bị sử dụng hiệu ứng Hall khá phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong đo đạc từ trường mạnh, nó dựa trên hiệu ứng Hall được Edwin H.Hall phát hiện ra vào năm 1897. Hiệu ứng Hall là một hệ quả của định luật lực Lorentz, một điện tích   chuyển động q, đi qua một từ trường có cảm ứng từ B , sẽ chịu tác dụng của lực F ,  vector vận tốc v của điện tích tuân theo phương trình:     F  q E  v  B   (1.6) Thiết bị sử dụng hiệu ứng Hall bao gồm một vật dẫn hoặc bán dẫn phẳng mỏng hình chữ nhật với hai cặp điện cực được minh họa trên hình 1.4. Đặt một điện trường Ex theo trục x còn gọi là trục điều khiển. Khi có một từ trường Bz tác động theo phương vuông góc với bề mặt của sensor các điện tích tự do 14 chạy theo trục x do điện trường Ex sẽ bị lệch về phía trục y (trục điện thế Hall). Việc không tạo được thành dòng điện theo trục y khi để hở mạch là nguyên nhân làm tích tụ các điện tích theo trục y hình thành một điện trường, điện trường này tác dụng nên điện tích một lực ngược chiều với chuyển động nó: Ey  vx Bz (1.7) Hình 1.4: Sensor hiệu ứng Hall. Từ trường H tác dụng vào bề mặt sensor, dòng điện chạy theo trục x sẽ tạo ra một điện thế theo trục y, Ex là điện trường đặt vào trục x, và E y là điện thế Hall xuất hiện theo trục y Với vx là vận tốc trung bình của electron (hay hạt tải cơ bản). Ở vật dẫn có n hạt mang điện tự do trong một đơn vị thể tích vận tốc trung bình của một hạt là vx thì mật độ dòng là: J x  qnvx Và Ey  (1.8) J x Bz  RH J x Bz qn (1.9) Với RH là hệ số Hall. Đối với chất bán dẫn với hạt tải cơ bản (electron hoặc lỗ trống) có độ linh động μ và dẫn suất σ thì ta có: 15 Ey   Ex Bz và Ex  Do đó Ey  Jx    J x Bz và RH    (1.10) (1.11) Giá trị của RH phụ thuộc vào vật liệu, nhiệt độ và từ trường. RH có thể được thay đổi đến một phạm vi nhất định bằng cách pha tạp chất vào vật liệu nền. Hiệu điện thế đo được ở hai đầu trục y là một số nguyên lần điện trường theo trục y . Nếu dòng không đổi I chạy theo trục x thì: Jx  Và điện thế đo được là: ey  I wt (1.12) RH IBz t (1.13) t là độ dày (m) và w là khoảng cách hai đầu theo trục y. Một thuộc tính khác được đưa ra bởi các nhà sản xuất là độ nhạy từ  b khi dòng điều khiển là I c : b  ey Bz  RH I c t (1.14) Dòng điều khiển cho thiết bị hiệu ứng Hall thường là 100 mA nhưng cũng có một vài trường hợp hoạt động với dòng dưới 1 mA. Độ nhạy có giá trị trong khoảng 10 mV/T đến 1.4 V/T. Vùng tuyến tính cỡ 0.25% đến 2% giá trị của trường hoạt động. Điện trở lối vào và trở ra thông thường cỡ 1Ω tới 3Ω. Sensor này rất nhỏ (có chiều dài nhỏ hơn 10 mm và mỏng hơn 0.5 mm), và thường được cố định trong một hộp nhỏ. Những thiết bị này hiệu quả nhất khi đo từ trường trong dải 50 μT đến 30 T. Mạch điện: Một từ kế gaussmeter sử dụng hiệu ứng Hall có thể được xây dựng sử dụng mạch tín hiệu được vẽ như hình 1.5. Điện thế tham chiếu, khuếch đại thuật toán, và điện trở Rs tạo thành một nguồn dòng chính xác cung cấp dòng điều khiển I c cho thiết bị hiệu ứng Hall. Để có được kết quả tốt nhất, điện thế tham chiếu và điện trở 16 Rs phải ổn định với nhiệt độ và thời gian. Điện thế Hall được khuếch đại bởi các mạch khuếch đại vi sai trở kháng lối vào cao. Hình 1.5: Mạch điện cho từ kế hiệu ứng Hall 1.2.2 Sensor proton precession [11] Từ kế proton precession hoạt động dựa trên lý thuyết các hạt nhân chuyển động   có cả momen góc L và momen từ   sẽ tiến động trong từ trường giống như con quay hồi chuyển, như hình 1.6. Hình 1.6: Sự tiến động của hạt nhân Một proton quay có momen góc L và momen từ là   khi đặt vào từ trường H a sẽ tiến động trong từ trường với tần số góc  p bằng  H a / L . 17  Tần số tiến động  p tỷ lệ với trường tác động. Khi từ trường H a tác dụng vào hạt nhân, sẽ sản sinh ra một momen xoắn:    T    H a (1.15) Do hạt nhân có momen góc, momen xoắn này làm cho hạt nhân tiến động xung quanh hướng của từ trường. Tại trạng thái cân bằng, quan hệ giữa momen xoắn, tốc độ hồi chuyển, và momen góc có dạng:      H a     L (1.16) Về phương diện độ lớn của tần số hồi chuyển, có một nghiệm riêng:     Ha   Ha  L     (1.17)  gọi là tỷ số từ hồi chuyển và bằng (2.675  0.0000008)  108 T 1s 1 . Hình 1.7: Sơ đồ khối từ kế proton precession 18 Hình 1.7 là sơ đồ khối của một từ kế proton precession. Sensor là một ống đựng hydrocarbon no có chứa nguyên tử hydro tự do. Một cuộn solenoid quấn xung quanh ống đựng hydrocacbon vừa để phân cực hạt nhân vừa để phát hiện sự hồi chuyển của hạt nhân do tác động của từ trường. Trước khi đặt vào từ trường phân cực, momen từ của của hạt nhân quay ngẫu nhiên, và không hình thành mạng từ hóa. Đặt hệ vào một từ trường phân cực (thông thường 3 mT tới 10 mT) thì hạt nhân sẽ tiến động xung quanh trường. Sau một thời gian ngắn, chất lỏng đạt đến trạng thái cân bằng từ hóa M 0 . Khi chất lỏng đạt đến trạng thái cân bằng từ, từ trường được ngắt ra và hạt nhân bắt đầu hồi chuyển xung quanh hướng của từ trường ngoài cho đến khi nó trở lại trạng thái ngẫu nhiên ban đầu. Quá trình kích thích-hồi phục này diễn ra trong thời gian vài giây. Benzence là hydrocacbon hay được sử dụng cho từ kế hồi chuyển. 1.2.3 Sensor bơm quang học Từ kế bơm quang học dựa trên hiệu ứng Zeeman. Hiệu ứng này thể hiện mạnh nhất ở các chất Rb, Li, Cs…. Hình 1.8 là cấu trúc phổ mở rộng electron hóa trị của Rb 85, nguyên tố sử dụng phổ biến trong từ kế bơm quang học. Mối tương quan năng lượng - tần số của những vạch phổ mở rộng tỷ lệ với cường độ từ trường ngoài. Số lượng tử từ m liên quan tới số momen góc và đặc biệt là độ lớn thành phần hữu dụng của momen từ dọc trường tác động. Sự dịch chuyển xuất hiện giữa các mức của những giá trị m khác nhau tuân theo quy tắc m chỉ có giá trị 0, 1 và -1. Khi không bị kích thích quang học, trạng thái năng lượng của electron hóa trị sẽ tuân theo phân bố Boltzmann. Khi electron bị kích thích bởi ánh sáng phân cực tròn có tần số D1 (bước sóng 794,8 nm). Nó sẽ hấp thụ photon và chuyển từ trạng thái 2 S1/2 lên trạng thái 2 P1/2 theo quy tắc dịch mức. Sau khi bị kích thích electron sẽ rơi ngẫu nhiên về những trạng thái có mức năng lượng thấp hơn. 19 Hình 1.8: Sơ đồ mức năng lượng của Rb-85 Hình 1.9 mô tả một loại từ kế bơm quang học, từ trường cần đo và trường RF đồng trục. Tần số của máy phát dao động RF được tạo ra bởi sáu máy phát dao động thành phần có tần số thấp. Dẫn đến phổ tần số RF có chứa thành phần tần số Larmor. 20 Hình 1.9: Từ kế bơm quang học. Nếu tần số quét RF không chứa thành phần tần số Larmor thì tín hiệu ra chỉ bao gồm các thành phần cơ bản tạo nên sóng RF. Pha của tín hiệu có liên quan đến các máy phát thành phần xác định khi nào tần số RF trung tâm vượt qua hay ở nhỏ hơn tần số Larmor. Tín hiệu ra được phát hiện pha nhằm tạo ra một điện thế chênh lệch sử dụng để lái tần số RF về tần số Larmor. Tần số RF được đo để xác định từ trường. Nếu điện thế điều khiển máy phát dao động tuyến tính, sử dụng như máy phát dao động RF điện thế điều khiển này cũng có thể sử dụng như tín hiệu ra do nó đo tần số Larmor. 1.2.4 Sensor SQUID Năm 1962 Brian D.Josephson dự đoán rằng dòng siêu dẫn có thể chạy qua hai chất siêu dẫn tách biệt nhau bởi một lớp cách điện mỏng. Độ lớn dòng siêu dẫn tới hạn qua chuyển tiếp Josephson bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của từ trường đây là nguyên lý cơ bản của từ kế SQUID (Superconducting quantum interference device). Hình 1.10 mô tả cấu trúc một chuyển tiếp Josephon và đặc trưng V-I. Hai chất siêu dẫn (ví dụ niobium) phân cách bởi một lớp cách điện mỏng (ví dụ nhôm ôxit). Độ dày của lớp cách điện vào khoảng 1nm. Khi nhiệt độ của lớp chuyển tiếp giảm xuống dưới 4,2 K (-269°C), dòng siêu dẫn sẽ xuất hiện tại lớp chuyển tiếp mà không cần đặt một hiệu điện thế lên miền này. Độ lớn của dòng tới hạn I c là một hàm tuần hoàn của từ thông tại vùng chuyển tiếp. Độ lớn cực đại của dòng tới hạn đạt được khi từ thông có giá trị n0 , với 0 là một lượng tử từ thông (2 fW) và dòng tới hạn nhỏ nhất đạt được khi từ thông có giá trị (n  1/ 2)0 . Chu kỳ là một lượng tử từ thông. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Josephson một chiều và chỉ là một trong các hiệu ứng Josephson. 21 Hình 1.10: (a) Chuyển tiếp Josephson bao gồm hai lớp siêu dẫn phân tách bởi một lớp cách điện mỏng, (b) Đặc trưng Vôn – Ampe của lớp chuyển tiếp Từ kế chế tạo dựa trên thiết bị siêu dẫn lượng tử (SQUID) là thiết bị đo cường độ từ trường nhạy nhất hiện nay. Từ kế SQUID đo lường sự thay đổi của từ trường mà không đo giá trị tuyệt đối của trường đó. Được sử dụng nhiều trong nghiên cứu y sinh. Từ kế SQUID và thiết bị đo sự biến thiên của từ trường trong không gian có độ nhạy cao có thể dùng để đo từ trường yếu sinh ra bởi cơ thể. Ngoài ra nó còn dùng trong cổ từ học đo lường dấu vết từ còn lại trong đá và đo điện trở suất của Trái đất. Từ kế SQUID một chiều sử dụng hai chuyển tiếp Josephson ở hai chân của một tấm toroid như hình 1.11(a). Tấm toroid có dòng điện lớn hơn dòng tới hạn cực đại của lớp chuyển tiếp. Khi từ thông qua tấm toroid bằng số nguyên lần của 0 , điện thế của chuyển tiếp xác định bởi phần giao nhau của I b và n0 đường đặc trưng V-I (điểm A). Khi từ thông tăng, dòng tới hạn giảm. Đường đặc trưng V-I di dịch sang bên phải do đó điểm giao nhau cũng dịch sang phải (điện thế lớp chuyển tiếp tăng). Dòng tới hạn đạt được giá trị nhỏ nhất khi từ thông tăng 1/2 0 và điện thế lớp chuyển tiếp đạt giá trị lớn nhất (điểm B). Nếu từ thông tiếp tục tăng, dòng tới hạn tăng về giá trị lớn nhất của nó và điện thế lớp chuyển tiếp giảm. Chu kỳ của từ thông là 0 . 22 Hình 1.11: (a) Từ kế SQUID một chiều, (b) Đặc trưng Vôn - Ampe Mạch điện: Hình 1.12 là sơ đồ khối của một từ kế SQUID một chiều dùng để đo từ trường ở dải động rộng. Vòng siêu dẫn được đặt trong từ trường cần đo, vòng này được nối với cuộn dây tín hiệu quấn nhiều vòng. Cuộn tín hiệu liên kết từ trực tiếp với SQUID. Ở nhiệt độ đông lạnh, vòng siêu dẫn và cuộn dây tín hiệu hoạt động giống cuộn cảm ứng một chiều. Từ thông ngoài biến đổi tác động vào vòng siêu dẫn sinh ra một dòng điện. Dòng điện này sinh ra một từ trường biến đổi chống lại sự biến thiên từ thông làm từ thông trong vòng siêu dẫn không đổi, nhất là với từ trường một chiều. Vòng tín hiệu khuếch đại từ thông biến đổi của vòng SQUID. Hình 1.12: Mạch điện của từ kế SQUID. 23 SQUID được phân cực từ ở chế độ nhạy cảm nhất đối với từ trường ngoài. Từ trường một chiều nhỏ tần số 100 kHz đến 500 kHz chồng nên trường phân cực. Tín hiệu ra của SQUID là tín hiệu mang điều biên đã được khử nhiễu với biên độ chỉ ra sự thay đổi của từ trường so với điểm làm việc, và pha cho biết thay đổi phân cực. Tín hiệu ra được khuếch đại, sau đó giải mã đồng bộ và hạ xuống dải tần cơ bản. Tín hiệu một chiều được khuếch đại và phản hồi thông qua một điện trở về vòng dây liên kết với SQUID. Dòng điện qua vòng dây tạo ra một từ trường ngược với từ trường ngoài của SQUID. Thang đo của từ kế phụ thuộc vào điện trở phản hồi và hằng số của cuộn dây phản hồi điều này cũng đúng đối với từ kế fluxgate phản hồi trường. Cuộn dây đo từ, vòng dây tín hiệu, SQUID, vòng dây phản hồi và điện trở phản hồi được giữ ở nhiệt độ đông lạnh, ngoại trừ cuộn dây đo từ, tất cả đều được che chắn từ. Phần còn lại của mạch điện làm việc ở nhiệt độ phòng. 1.2.5 Sensor Fluxgate [10] Từ kế fluxgate là thiết bị đo cường độ từ trường được sử dụng cả ở trên mặt đất và trong không gian. Nó ổn định, đáng tin cậy, kích thước nhỏ và yêu cầu rất ít năng lượng khi hoạt động. Những thuộc tính này cùng với khả năng đo vector của từ trường 0.1 nT đến 1 mT trong dải tần số từ dc đến một vài Hz đã khiến nó trở thành một thiết bị khá linh hoạt. Các nhà địa chất sử dụng chúng để thăm dò, các nhà địa vật lý sử dụng chúng để nghiên cứu trường địa từ (cỡ 20 μT đến 70 μT trên bề mặt Trái đất). Các kỹ sư vệ tinh sử dụng chúng để xác định và điều khiển tàu không gian, các nhà khoa học sử dụng chúng trong nghiên cứu, và quân đội sử dụng chúng cho rất nhiều mục đích bao gồm tìm kiếm mỏ, phát hiện thiết bị giao thông và nhận dạng mục tiêu. Nguyên tắc hoạt động Bộ phận cốt lõi của từ kế là một cổng từ thông. Nó là một bộ chuyển đổi từ trường thành điện thế tương ứng. Có rất nhiều cách xây dựng cổng từ thông. Hình 1.13 minh họa một số loại cổng từ thông thường gặp. 24 Hình 1.13: Một số fluxgate sensor Sau đây ta sẽ mô tả hoạt động của một sensor lõi tròn làm từ vật liệu sắt từ dễ bão hòa. Có hai cuộn dây quấn trên lõi, cuộn kích thích và cuộn tín hiệu, trục của hai cuộn dây trực giao nhau (hình 1.14) Hình 1.14: Fluxgate lõi tròn. Khi đưa dòng điện xoay chiều vào cuộn dây kích thích. Dòng điện sẽ tạo ra một từ trường lan truyền trong lõi từ. Từ trường này làm từ thông trong lõi bão hòa tuần hoàn theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Khi lõi chưa bão hòa thì nó có độ từ thẩm lớn hơn rất nhiều so với 1. Theo định luật Faraday, từ thông thay đổi sẽ 25