Новые высокочувствительные магнитометры на основе высокотемпературных сверхпроводиков (ВТСП), созданные российскими и немецкими учеными, приближают час практической реализации медицинских диагностических систем.

Сквиды (сверхпроводящие квантовые интерферометры) - приборы, принцип работы которых основан на эффект Джозефсона , - это сверхчувствительные магнитометры. Высокочувствительные сквид-магнитометры давно используются в физике, геофизике и геологии, биологии, технике, но жизнь не стоит на месте. Активно развивающиеся в последнее десятилетие практические применения сквидов требуют сочетания высокой чувствительности к магнитному полю с высоким пространственным разрешением. Таковы магнитная сквид-микроскопия , о которой мы уже писали, магнитокардиография и магнитоэнцефалография.

В значительной мере продвижение в этих областях связано с созданием и развитием сквид- магнитометров на основе высокотемпературных сверхпроводников, которые требуют охлаждения жидким азотом, а не существенно более дорогим и требующим более сложного устройства систем охлаждения жидким гелием. Есть и препятствия на пути ВТСП-сквидов к клиническому использованию - на сегодняшний уровень шумов в ВТСП-сквидах еще далек от требуемого для медицинских целей. Однако ученым из ИРЭ РАН, Института ядерных исследований в Юлихе и берлинского госпиталя им. Франца Волхарда недавно удалось добиться весьма обнадеживающих результатов.

Как уже говорилось, от датчиков в многоканальных системах для магнитоэнцефалографии и магнитокардиографии требуется сочетание высокой чувствительности по магнитному полю с высоким пространственным разрешением. ВТСП сквид-магнитометры демонстрируют уже довольно неплохие показатели - разрешения по магнитному полю составляет порядка десятка фТл. Но чувствительность сквида можно улучшить, увеличивая сопротивление джозефсоновских переходов и их характеристическое напряжение (пропорциональное плотности джозефсоновского критического тока); очевидный путь достижения требуемых характеристик - уменьшение размеров переходов до субмикронных.

Интернациональная группа ученых экспериментировала с магнитометрами на основе ВТСП-сквида (на основе YBa² Cu³ O⁷) постоянного тока с бикристаллическими джозефсоновскими переходами субмикронной ширины, работающими при температуре 77.4 К. Ученые также тестировали их работу в составе электронного аксиального градиентометра первого порядка и в магнитокардиографической системе в условиях клиники.

Рис. 1. Оптическое изображение бикристаллических переходов.

Для формирования субмикронного рисунка использовали фотолитографию с ультрафиолетовым источником. Полученные джозефсоновские переходы имели ширину между 0.4 и 1 мкм (рис.1). Магнитометры были запечатаны в вакуумноплотные фиберглассовые капсулы, в которых также размещали платиновый нагреватель, позволяющий избавляться от захваченного потока. Покрытие демпфировало тепловые флуктуации и обеспечивало долговременную стабильность датчиков. Два магнитометра закрепляли параллельно друг другу на фиберглассовом стержне, образуя аксиальный градиентометр первого порядка с базой в 10 см. Двухканальная электроника, разработанная в российском НПО "Криотон", обеспечивала одновременную работу магнитометров и электронное вычитание их выходных сигналов.

Испытания градиентометра проводили в магнитоэкранирующей комнате госпиталя им. им. Франца Волхарда, в которой достигался коэффициент экранирования 10⁴ на частоте 50 Гц и 10 на частоте 0.1 Гц. Измерения шумовых спектров как магнитометров, так и градиентометрической системы показали отличные результаты: собственные шумы отдельных магнитометров в ВТСП экране составляли 10фТл/Гц^1/2 вплоть до 10 Гц. При отсутствии экрана на спектрах обнаруживали пики, связанные с вибрациями здания и ограниченной частотной полосой экранирующей комнаты. Помехи исчезали при вычитании в режиме работы электронного градиентометра.

Проводились также магнитокардиографические измерения с пациентом в комнате. Максимальная амплитуда магнитного сигнала от сердца составила порядка 30 пТл, ширина полосы измерений (0.03– 125) Гц покрывала наиболее значительную область сигнала от сердца. Стабильность работы системы была продемонстрирована при измерениях магнитокардиографических карт, каждую из которых снимали в течение 30 минут над областью грудной клетки (20 x 20см²) с расстоянием 4 см между точками измерений. В течение измерений никакие изменения шумов не были зарегистрированы. Мало того, характеристики магнитометров не изменились даже через год многократных измерений и температурных циклирований!

Интернациональной группе ученых удалось найти путь к созданию качественных ВТСП сквидов с параметрами, пригодными для целей медицинской диагностики. А это означает, что близко то время, когда в традиционных клиниках вас заранее предупредят о возможных сердечных, невралгических и других нарушениях в вашем организме.

Источник информации - бюллетень ПерсТ, выпуск 19 за 2002 г.

Е.Онищенко.