/
Text
СОВРЕМЕННЫЕ
ПРОБЛЕМЫ
ФИЗИКИ
В.Л. ВВЕДЕНСКИЙ
В.И. ОЖОГИН
5ВЕРХЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ
МАГНИТОМЕТРИЯ
И БИОМАГНЕТИЗМ
-'dzoN.ru
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ
В.Л. ВВЕДЕНСКИЙ, В.И. ОЖОГИН
СВЕРХЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ
МАГНИТОМЕТРИЯ
И
БИОМАГНЕТИЗМ
МОСКВА "НАУКА”
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1986
ББК 22.334
В 24
УДК 537.61
Введенский В.Л., Ожогин В.И. Сверхчувствительная магнитомет-
рия и биомагнетизм. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986.—
(Соврем, пробл. физики). - 200 с.
Отражено современное состояние новой области научных исследований -
сверхчувствительной магнитометрии, бурное развитие которой обязано изоб-
ретению физического прибора - сквида. Этот прибор резко повысил чувстви-
тельность магнитных измерений и позволил надежно изучать сверхслабые
магнитные поля, которые порождаются биотоками живых организмов. Мето-
ды биомагнетизма уже дали многочисленные результаты, касающиеся магнит-
ных полей сердца и мозга человека.
Для научных работников, инженеров, студентов старших курсов, интере-
сующихся проблемами тонких магнитных измерений и биомагнетизма.
Табл. 2. Ил. 53. Библиогр. 337 назв.
Рецензент академик С. В. Вонсовский
1704020000- 171
053 (02)-86
104-86
В
©Издательство "Наука”.
Главная редакция
физико-математической
литературы, 1986
ПРЕДИСЛОВИЕ
К выдающимся практическим результатам квантовой теории вещества,
наряду с транзистором и лазером, многие, и не без оснований, относят
прибор, изобретенный в середине 60-х годов и получивший название сквид
(сокращение от ’’сверхпроводящий квантовый интерферометрический
датчик”). Оказалось возможным измерять магнитное поле не только с
рекордной чувствительностью, но и с уникальной точностью. Не исключено,
что используя принцип квантовомеханической интерференции, магнитное
поле можно будет измерять с той же точностью, с какой длины световых
волн измеряются методами оптической интерференции. Сверхвысокая
чувствительность сквида уже позволила подойти к решению необычайно
интересной и глубокой задачи неинвазивного (бесконтактного) изучения
процессов в живых системах по магнитным полям, порожденным био-
токами.
Предлагаемая вниманию читателя книга посвящена сверхчувствитель-
ной сквид-магнитометрии как новому и, по мнению авторов, вполне уни-
версальному методическому направлению в физике, технике ибиологии.
Главное внимание, однако, уделено исследованиям по биомагнетизму,
которые почти сразу после изобретения сквида стали ведущими в сверхчув-
ствительной магнитометрии — в том числе в техническом и методическом
отношениях. Мы ставили перед собой цель сделать изложение одинаково
понятным как физикам, так и биологам. Конечно, цель эта вряд ли достиг-
нута полностью, но нас утешает убеждение, что ’’совершенствование пре-
краснее совершенства”.
Мы всегда будем глубоко благодарны академикам А.П. Александрову
и И.К. Кикоину, которые решительно стимулировали нас к освоению
этого трудного, но интригующего стыка квантовой физики и биологии.
Нам приятно выразить признательность своим коллегам С.П. Наурзакову
и С.Ю. Шабанову, вместе с которыми преодолевались трудности первых
наших биомагнитных экспериментов и с которыми предстоит делить забо-
ты дальнейшего пути. Очень много дало авторам — и книге — взаимодейст-
вие с профессором О. Лоунасмаа и сотрудниками возглавляемой им Низко-
температурной лаборатории Технического университета Хельсинки (Фин-
ляндия) .
ВВЕДЕНИЕ
В середине 60-х годов был изобретен новый физический прибор, полу-
чивший название сквид. Его действие основано на использовании сугубо
квантовых явлений, а именно эффекта Джозефсона и явления квантования
магнитного потока в сверхпроводниках. Появление этого прибора в лабора-
ториях открыло совершенно новые возможности для исследований, связан-
ных с измерением очень слабых магнитных полей. (Приборы, использую-
щие эффект Джозефсона, имеют и много других областей применения
[1, 2].) Сквид, применяемый как магнитометр, резко расширил диапазон
измеримых магнитных полей, так как порог его чувствительности на два-
три порядка ниже по сравнению с лучшими магнитометрами других систем.
Наряду с более высокой чувствительностью сквид обладает целым рядом
других важных преимуществ. Он имеет очень небольшой размер, так что
в ряде случаев его считают точечным. Сквидом можно измерять все три
компоненты вектора магнитного поля (многие магнитометры определяют
лишь абсолютную величину поля). Далее, это достаточно широкополосный
прибор, обеспечивающий измерения в диапазоне от постоянного поля до
переменных с частотой до нескольких мегагерц. И, наконец, сквид обладает
уникальной линейностью зависимости выходного сигнала от внешнего
магнитного поля, что позволяет с высокой точностью измерять изменения
магнитных полей. Определенным недостатком сквида является лишь то,
что он работает только при очень низких температурах, необходимых для
реализации сверхпроводящего состояния. Обычно сквид помещается в
дьюаровский сосуд с жидким гелием. Это обстоятельство заметно ограничи-
вает, по крайней мере в настоящее время, область применения столь уни-
кального прибора.
Долгое время сквид использовался для тонких магнитных измерений
лишь в физике низких температур, порождением которой он сам является.
Целенаправленное развитие соответствующих технических средств позволи-
ло шире использовать преимущества сквид-магнитометров для измерений
слабых магнитных полей. Разработаны специальные типы гелиевых дьюа-
ров, которые не дают паразитных магнитных возмущений и позволяют
поместить чувствительный элемент сквид-магнитометра очень близко к
’’теплому” (т.е. не находящемуся в дьюаре с жидким гелием) объекту,
обладающему магнитным полем. Такие дьюары достаточно легки и порта-
тивны. В результате сквид-магнитометром можно пользоваться так же, как
и любым другим магнитометрическим прибором.
Этот резкий скачок качества измерительного прибора открывает новую
широкую область магнитных исследований - сверхчувствительную магни-
тометрию, которая находится в процессе бурного развития. Следует сразу
отделить те виды магнитных измерений, которые производятся с малыми
объектами, помещаемыми в тот же дьюар со сквидом, — мы их рассматри-
вать не будем. Если этот малый объект надо исследовать при более высокой
температуре, иногда применяют ’’обратный дьюар”, помещенный в дьюар
со сквидом, но это довольно громоздкое решение. Нас будет больше инте-
ресовать изучение объектов в их естественном состоянии, чтобы ограниче-
ния со стороны криогенной части сквид-магнитометра были несуществен-
ны. Это, как правило, необходимо, когда объект имеет значительные раз-
меры или должен обладать хорошей подвижностью. Вместе с тем сквид-
магнитометр, измеряющий магнитное поле от внешних источников (так
сказать, прибор с ’’внешней” чувствительностью), может иметь преиму-
щество и при измерениях объектов малых размеров, если, например,
требуется их быстрая замена или одновременное с магнитным измерением
какое-либо воздействие со стороны.
На уровне чувствительности сквида практически любое тело обладает
вполне заметным магнетизмом, что позволяет исследовать протекающие
в теле процессы или его строение по создаваемым телом магнитным полям
или по возмущению им внешних полей. Сквид-магнитометрические прибо-
ры могут быть применены для измерений магнитных полей (и их вариаций)
Земли и небесных тел, а также магнитных полей космических аппаратов,
геологических и археологических образцов, биологических объектов
(растений, животных, человека), для контроля магнитных свойств материа-
лов, химических веществ и деталей различной аппаратуры и для других
целей, требующих точных магнитных данных.
Наиболее быстрое и широкое применение сквид-магнитометрические
приборы нашли при изучении магнитных полей живых объектов, главным
образом — человека. Это объясняется, во-первых, особым интересом к
исследованию организма человека в медицинских и научных целях, а,
во-вторых, тем, что большинство магнитных сигналов, порождаемых
человеческим организмом, по своей величине лежит как раз в области
полей, надежное измерение которых стало возможным только с появле-
нием сквидов (рис. 1). Работа многих исследователей в этой области при-
вела к тому, что биомагнетизм стал ведущим направлением в развитии
сверхчувствительной магнитометрии. Именно здесь наиболее интенсивно
развивается магнитометрическая аппаратура, разрабатываются методики
измерений, специальные приемы и оборудование, которые вполне приме-
нимы для самых разных магнитных измерений. В этом смысле биомаг-
нитные исследования выступают не только как часть биологической науки,
но и как методический лидер других научных и технических направлений.
Характерно, что эти исследования получили решающий толчок к развитию
от ранее совсем с биомагнетизмом не связанной физики сверхпроводимос-
ти, достижения которой лежат в основе создания сквид-магнитометров.
Биомагнетизм — это наука о магнитных полях, генерируемых организ-
мом в процессе жизнедеятельности. Регистрация этих полей по аналогии
с электрографическими методами (кардиографией, энцефалографией и
др.) называетсябиомагнитографией.Этим термином мы будем пользовать-
ся в дальнейшем для обозначения методики биомагнитных исследований.
Биомагнетизм как понятие употребляется пока сравнительно редко, в
Рис. 1. Место биомагнитных сигналов организма человека в шкале магнитных полей.
Показаны также характерные уровни помех и частотные диапазоны сигналов
отличие от магнито биологии, которая изучает воздействие магнитных полей
на живые организмы и известна уже давно. Позднее возникновение био-
магнетизма связано с малой величиной магнитных полей живых организ-
мов. Даже самые сильные биомагнитные поля человека в миллион раз
слабее земного магнитного поля.
На рис. 1 показано место биомагнитных сигналов человека в шкале
величин магнитного поля. Поле измеряется в теслах (1 Тл = 104 Гс), при-
нятых в системе СИ. Так как значение биомагнитного сигнала все равно
много меньше привычных единиц других систем, например, гаусса, приме-
нение единиц нанотесла, пикотесла, фемтотесла можно считать разумным
(1 нТл = 10"9 Тл, 1 пТл = 10'12 Тл, 1 фТл = 10'15 Тл). В теслах измеряется
индукция магнитного поля В. Другой характеристикой является напряжен-
ность магнитного поля Н, используемая в дальнейшем в ряде формул
и измеряемая в амперах на метр. В и Я связаны между собой коэффициен-
тами магнитной проницаемости: В = hijlqH, где ц — относительная магнит-
ная проницаемость, которая для большинства веществ, в том числе воздуха,
близка к единице, a ,л0 = 4тг • 10“7 Гн/м — постоянная, условно называемая
магнитной проницаемостью вакуума.
Биомагнитные сигналы могут быть как квазипостоянными, - они
порождаются ферромагнитными примесями, токами в коже, мышцах и
внутренних органах, постоянными токами глаза (см. ниже), — так и быст-
ро меняющимися. Периодические или быстропеременные сигналы генериру-
ются сердцем, мышцами, глазом, мозгом. На рис. 1 показаны характерные
частотные диапазоны для магнитных сигналов от разных источников в
организме. Здесь же показаны уровни магнитных шумов в окружающем
пространстве, которые обычно затрудняют проведение измерений, а также
порог чувствительности к магнитному полю существующих сквид-магнито-
метров. Видно, что обычно присутствующие внешние возмущения на не-
сколько порядков сильнее магнитных полей человека. Тем не менее маг-
нитометры, использующие сквид, обеспечивают чувствительность и изби-
рательность, позволяющие принимать большинство сигналов с достаточным
разрешением. Именно резкое понижение порога чувствительности по срав-
нению с несверхпроводящими магнитометрами обеспечило активное
вторжение измерительной техники на основе сквидов в область биомаг-
нитных полей.
Последние годы отмечены быстрым развитием техники сверхчувстви-
тельной магнитометрии и ее широким применением для магнитографичес-
ких исследований организма человека, в которых получено много важных
результатов. Биомагнетизм — это уже сформировавшаяся область науки
с достаточно большими экспериментальными возможностями. Хорошо
оснащенные лаборатории работают во многих странах мира. В США —
это университет в Нью-Йорке, Национальное бюро стандартов (г. Боулдер),
Массачусетский технологический институт, Стенфордский университет
и ряд других, в Финляндии — это две лаборатории в Техническом универ-
ситете Хельсинки и еще одна — в университете Тампере. С 1981 г. действу-
ет специализированный центр в Западном Берлине. Созданы биомагнитные
лаборатории в Японии (в Токио и Ибараки), а также в Канаде, Франции,
Италии, Англии, Дании, ФРГ, Чехословакии, ГДР и других странах. В Совет-
ском Союзе работы в этом направлении ведутся в Институте атомной
энергии им. И.В. Курчатова, в Объединенном институте ядерных исследо-
ваний (г. Дубна), в Физико-техническом институте низких температур
АН УССР (г. Харьков) и в Институте высшей нервной деятельности и
нейрофизиологии АН СССР.
Регулярно проходят международные совещания по биомагнетизму,
сама история которых отражает быстрый прогресс этих исследований.
Первые два совещания - в 1976 г. в Бостоне (США) и в 1978 г. в Греноб-
ле (Франция) — были малопредставительны и малоизвестны. Но уже III Со-
вещание собрало в 1980 г. в Западном Берлине 56 делегатов, представив-
ших 30 докладов, и имело даже сателлитный симпозиум по магнитному
экранированию в г. Хельсинки. IV Совещание в 1982 г. собрало в Риме
уже ПО участников с 70-ю докладами, причем Совещанию предшествова-
ла двухнедельная Школа по биомагнетизму с продолжительными курсами
лекций ведущих специалистов.
В августе 1984 г. в Ванкувере (Канада) состоялась V Международная
конференция по биомагнетизму. Можно сказать, что система научного
общения на этом направлении исследований уже сформировалась. .
Особенностью биомагнитных исследований на нынешнем этапе являет-
ся их существенно междисциплинарный характер. В этой области работают
физики и математики, инженеры и биологи, психологи и врачи разных
специальностей, причем, судя по получаемым результатам, примерно
равное представительство физико-технических и медико-биологических
дисциплин обеспечивает плодотворность сотрудничества. Здесь снова следу-
ет подчеркнуть, что для биомагнитных исследований характерно не только
использование достижений физики и техники в медико-биологических
целях, но и то, что поставляемые биомагнетизмом человека задачи дают
существенный толчок к развитию соответствующей аппаратуры и методик,
а они в дальнейшем приложимы ко многим другим направлениям сверх-
чувствительной магнитомерии.
Междисциплинарный характер исследований по сверхчувствительной
магнитометрии и биомагнетизму порождает определенные информацион-
ные трудности, так как публикации на эту тему рассеяны по большому
числу специальных журналов и изданий. Эти трудности в известной мере
преодолеваются благодаря многочисленным обзорам по биомагнетизму:
Степанова в 1975 г. [3], Вильямсона, Кауфмана и Бреннера в 1977 г. [4],
Вильямсона и Кауфмана в 1981 г. [5], Введенского и Ожогина в 1981 г.
[6], Романи, Кауфмана и Вильямсона в 1982 г. [7]. В 1983 г. были опубли-
кованы труды Римской школы по биомагнетизму [8]. Необходимость в
столь частом появлении таких обзоров определяется высоким темпом
биомагнитных исследований.
ГЛАВА 1
СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КВАНТОВЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР - СКВИД
Название ’’сквид”*) (SQUID) происходит от английского Superconduc-
ting Quantum Interference Device — сверхпроводящий квантовый интер-
ференционный датчик (последние два слова часто используются вместо
адекватного перевода ’’интерферометр” — для сохранения аббревиатуры).
Сквид представляет собой замкнутое кольцо из сверхпроводника, кото-
рое в одном или двух местах имеет ’’слабое звено” — так называемый джо-
зефсоновский контакт, т.е. часть кольца, где сверхпроводимость существу-
ет, но может быть разрушена очень слабым током (типичные значения
критического тока /кр = 10-И00 мкА). Особенность джозефсоновского
контакта не ограничивается малым критическим током, а заключается
главным образом в нелинейной связи между возникающей на контакте
разностью фаз волновой функции, описывающей сверхпроводящее состоя-
ние, и сверхпроводящим током через контакт. В свою очередь скорость
изменения фазы во времени связана с напряжением на контакте. Эти эф-
фек!ы были предсказаны английским физиком Джозефсоном в 1962 г.
на основании квантовой теории сверхпроводимости для ’’слабого звена”
в виде тонкого слоя изолятора между двумя сверхпроводниками. Впослед-
ствии выяснилось, что полученные Джозефсоном соотношения справедливы
и для других типов ’’слабых” звеньев, обладающих малым критическим
током.
Джозефсоновские контакты работают только при температуре сверх-
проводимости, т.е. в области нескольких градусов Кельвина, что обычно
достигается охлаждением с помощью жидкого гелия (температура его
кипения при атмосферном давлении 4,2 К). Это порождает определенные
технические трудности. Вместе с тем именно работа при низкой темпера-
туре, когда сильно уменьшены тепловые шумы датчика, позволяет созда-
вать предельно чувствительные приборы.
1.1. Эффекты Джозефсона и квантовая интерференция
Движение электронов в системе сверхпроводник — джозефсоновский
контакт — сверхпроводник описывается комплексной волновой функ-
цией ф для спаренных электронов, несущих сверхпроводящий ток. Фаза
этой функции быстро меняется от одного сверхпроводящего ’’берега”
контакта к другому. Джозефсон показал, что измеряемая в радианах
разность фаз 0 волновой функции на ’’берегах” по обе стороны контакта
*) Об употреблении термина ’’сквид” см. с 41
связана со сверхпроводящим током i св через контакт соотношением
^св -*KpSin0. (1*0
Это выражение представляет суть стационарного эффекта Джозефсона,
который состоит в том, что и через изолирующую прокладку между двумя
сверхпроводниками может протекать бездиссипативный, сверхпроводящий
ток (’’туннелирование электронных пар”), при этом волновые функции
электронов в обоих сверхпроводниках оказываются связанными. Если же
ток через переход превысит критический, то между сверхпроводящими
’’берегами” возникнет разность электрических потенциалов — напряже-
ние V. При этом связь волновых функций отнюдь не нарушится, а примет
форму нестационарного эффекта Джозефсона: разность фаз в будет моно-
тонно нарастать со временем, а сверхпроводящий ток будет осциллировать
с круговой частотой
1 d0 2eV V
2 я at h <Pq
Здесь h — постоянная Планка, e — заряд электрона, о величине будет
сказано ниже. Это явление может быть использовано для преобразования
напряжения в частоту с коэффициентом 483,6 МГц на один микровольт,
что удобно для СВЧ- и субмиллиметрового диапазонов. Джозефсоновский
контакт может служить и приемником в СВЧ-диапазоне, однако эти прило-
жения здесь рассматриваться не будут — они изложены в [1,2].
Электрическая регистрация разности фаз на джозефсоновском контакте
возможна потому, что с точки зрения радиотехники он представляет собой
сильнонелинейный элемент. Действительно, из (1.1) и (1.2) следует, что
/ 4яе \
'св = гкр Sin —— fv dt .
\ П /
Если же переход подсоединить к электрической цепи так, что через него
будет течь постоянный ток г, превышающий критический, то помимо сверх-
проводящего тока будет присутствовать и нормальная несверхпроводящая
компонента zH, связанная с постоянной составляющей напряжения V на
контакте:
Й = Л/Н, (1.4)
где R — сопротивление контакта в нормальном состоянии. Решая совмест-
но уравнения (1.1), (1.2) , (1.4), получим полную вольт-амперную характе-
ристику в виде
(1.2)
(1.3)
V=RVi2~i2KP. (1.5)
Важнейшая особенность джозефсоновского контакта состоит в том, что
нелинейность вольт-амперной характеристики проявляется при очень малых
значениях тока и напряжения (около 10 мкА и 100 мкВ), что, во-первых,
объясняет его высокую чувствительность к слабым сигналам, а во-вторых,
определяет еще одно его достоинство — при работе прибора выделяется
ничтожная мощность.
Свойства реальных джозефсоновских контактов несколько отличаются
от* описанных выше. В частности, токофазовое соотношение (1.1) часто
10
бывает несинусоидальным, хотя и сохраняет периодичность, а вольт-ампер-
ная характеристика имеет ряд особенностей, не отраженных упрощенной
формулой (1.5).
Если оба ’’берега” джозефооновского контакта замкнуть сверхпроводни-
ком так, что образуется кольцо, то получится система, в которой магнит-
ный поток Ф, пронизывающий кольцо, оказывается жестко связанным с
разностью фаз в на контакте *). Действительно, поскольку напряжение
на контакте связано с изменением магнитного потока в кольце равенством
(1.6)
а со скоростью изменения фазы — соотношением (1.2), то в результате
интегрирования получим, что фаза зависит от магнитного потока как
0 = 2тт(ФАро +и). (1.7)
Постоянная интегрирования ив (1.7) должна быть целочисленной: 0; ±1;
±2, ... Это можно установить, рассмотрев переход к массивному сверх-
проводящему кольцу, что соответствует резкому увеличению критического
тока контакта. Задача о нахождении стационарных состояний такого кольца
аналогична задаче квантования электронных орбит в атоме водорода.
В результате магнитный поток внутри кольца может принимать только
дискретные значения, кратные кванту магнитного потока <р0 -hlle -
= 2,07 • 10"15 Вб. Эта величина употреблена нами в формулировке неста-
ционарного эффекта Джозефсона (1.2) и формуле (1.7). Из последней
видно, что имеется ряд состояний с нулевой разностью фаз на контакте,
а значит, без тока через него. Эти состояния различаются числом квантов
потока через кольцо. В пределах же одного периода по связь между
фазой и магнитным потоком однозначна. Явление это получило название
макроскопической квантовой интерференции, хотя здесь и трудно провести
наглядную параллель, например с более привычной интерференцией волн
на поверхности воды. Название это связано с тем, что первые эксперименты
с парой джозефсоновских контактов в сверхпроводящем кольце математи-
чески хорошо описывались в терминах интерференции волн от двух коге-
рентных источников [9]. Оно и породило термин ’’сквид” для измеряюще-
го магнитное поле прибора в виде сверхпроводящего кольца с одним или
двумя джозефсоновскими переходами.
Явления, рассмотренные в этом параграфе, лежат в основе работы
сквида как магнитометрического прибора. Читатель, желающий более
глубоко познакомиться с физикой устройств, содержащих джозефсонов-
ские контакты, может обратиться к книге Лихарева и Ульриха [1].
1.2. Джозефсоновские контакты
Как выяснилось при экспериментальном изучении, эффекты Джозеф-
сона проявляются не только в случае двух сверхпроводников, разде-
ленных слоем изолятора, т.е. туннельного контакта, но и в целом ряде
*) Если сверхпроводящее кольцо имеет заметную ширину, не следует забывать, что
поверхность, для которой вычисляется магнитный поток, ограничивается внутренним
контуром кольца, так как магнитное поле (после того как произошел преход и сверх-
проводимость не нарушается) не проникает в глубь сверхпроводника
11
других случаев, когда два массивных сверхпроводника соединены участ-
ком, где сверхпроводимость в той или иной мере подавлена и имеет место
так называемая ’’слабая сверхпроводимость”. Это может быть тоненький
пленочный мостик разных геометрических форм, тонкая полоска сверх-
проводника с нанесенным на нее слоем нормального металла или же просто
’’точечный” контакт между массивными сверхпроводниками. Такие кон-
такты имеют каждый свои особенности как в изготовлении, так и в физи-
ческих свойствах. Ниже мы рассмотрим три наиболее отработанные раз-
новидности контактов: точечный контакт, туннельный контакт и мостик.
1. Точечный контакт. Этот тип джозефсоновского контакта появился
ранее других, что связано со сравнительно простой технологией его изго-
товления, доступной многим лабораториям. Точечный контакт образуется
при соприкосновении остро заточенного винта (радиус закругления меньше
микрона), сделанного из металла, сверхпроводящего при гелиевой темпе-
ратуре, обычно ниобия, с плоской поверхностью из того же материала.
Как правило, перед сборкой винт окисляют нагреванием на воздухе (воз-
можно также химическое окисление или быстрое прокаливание в пламени)
до образования пленки окисла, придающей металлу характерный желтый
или синий цвет. Для получения джозефсоновского точечного контакта
острие несколько вдавливается в плоскую поверхность, образуя площад-
ку контакта диаметром около 10 мкм. В результате возникает система,
которую трудно отнести к теоретически простым типам, так как она со-
держит, вероятно, и прямой контакт малого сечения в том месте, где было
острие, и аналог туннельной структуры — там, где произошло расплющива-
ние и где металлы разделены слоем окисла. Несмотря на то, что такой
’’точечный” контакт отнюдь не похож на тот, который имел в виду Джо-
зефсон, он оказался очень удачным практическим устройством, хорошо
описываемым теорией и удобным в работе. На первых порах точечные
контакты отличались заметной нестабильностью, что проявлялось в резком
изменении их критического тока, а иногда и в полном разрушении кон-
такта при тепловых циклированиях от комнатной температуры до гелие-
вой. В дальнейшем усовершенствование процедуры настройки контакта,
применение аккуратных методик работы и использование защитных ампул
позволили создать сквиды с точечными контактами [10], достаточно на-
дежные, чтобы их можно было производить на продажу [11, 12]. Сквиды
с точечными контактами изготовлялись во многих лабораториях мира,
в том числе в СССР [13—15], и в 70-х годах были основным рабочим инст-
рументом в тонких магнитных измерениях.
Точечный контакт имеет ряд достоинств. Во-первых, у него малая ем-
кость (обычно около 0,1 пФ), что делает малой постоянную времени пере-
хода RC — меньшей, чем следующий из (1.2) период джозефсоновских
осцилляций при характерном напряжении на контакте. Формально это
означает, что выполняется условие так называемого безгистерезисного
режима работы, т.е.
27гЯС
--------- = 2я!кр7?2СМ) =0Кр < 1, (1-8)
'РоЛкр-К
где /Зкр — параметр гистерезиса контакта.
12
В случае (1.8) вольт-амперная характеристика имеет вид, близкий к
(1.5). Точечный контакт выгодно отличается от туннельных контактов
первого поколения (т.е. ’’сэндвичей” металл - диэлектрик-метал л),
имеющих заметную емкость. Вторым его достоинством является то, что
сам контакт микронного размера оказывается помещенным между массив-
ными деталями из металла, — это улучшает условия теплоотвода из области
контакта. Хотя тепловыделение при работе джозефсоновского контакта
и невелико, но происходит оно в столь малом объеме, что может вызывать
Рис. 2. Примеры Джозефсоновских контактов, получаемых методом напыления в
вакууме
заметный локальный перегрев. Этот нежелательный эффект особенно
существен для контактов типа ’’мостик”.
2. Туннельный контакт. Туннельный контакт представляет собой клас-
сическую джозефсоновскую систему из двух слоев металла, разделенных
слоем диэлектрика. Основная трудность в изготовлении такого контакта
состоит в том, что слой диэлектрика должен быть очень тонким — много
меньшим, чем так называемая длина когерентности £0> характеризующая
размер электронных пар и равная 0,08 мкм для РЬ и 0,04 мкм для Nb,
определяет также расстояние, на которое еще распространяются сверх-
проводящие свойства вне границ сверхпроводника. Практически пригодные
контакты такого типа могут быть созданы, вероятно, лишь техникой
вакуумного напыления, и работы в этом направлении шли с начала 70-х го-
дов. Типичный туннельный контакт показан на рис. Тонкая полоска
ниобия осаждалась на подложку через маску со щелью, затем окислялась
с помощью газового разряда до образования пленки окисла ниобия (эти
пленки оказались достаточно однородными и долгоживущими), а затем
поперек напылялась полоска свинца. Сквиды с туннельными контактами
такого типа оказались вполне пригодными для магнитометрических при-
менений [16].
Существенный недостаток описанного контакта — это его большая
емкость (до 100 пФ), что, с одной стороны, ограничивает применение
такого туннельного контакта на высоких частотах, а с другой — является
одной из причин, увеличивающей его собственные шумы. Для улучшения
шумовых характеристик необходимо повышение величины /крА [17],
что при соблюдении условия безгистерезисности (1.8) требует уменьшения
емкости С, а это может быть достигнуто лишь радикальным уменьшением
площади контакта. В этой связи можно считать удачей, что изобретение
сквидов совпало по времени с технологической революцией в области
13
микроэлектроники, где разработаны методы нанесения сложных рисунков
из различных материалов на поверхность полупроводника (литография).
Литографически изготовляются, например, большие интегральные схемы
(БИС),-отдельные элементы которых имеют микронные размеры. Подоб-
ная техника, примененная для изготовления джозефсоновских контактов
и сквидов, дала прекрасные результаты [17, 18], позволив довести пло-
щадь контакта до 0,1 мкм2 [19]. При таких размерах туннельный контакт
уже не является плоской структурой, как изображено на рис. 2а, а приоб-
ретает черты трехмерности, роднящие его с точечным контактом. Именно
туннельные контакты малой площади позволяют создавать сквиды [20,21],
чувствительность которых превышает чувствительность лучших сквидов,
использующих точечный контакт*) [22-24].
Такие сравнительно сложные многослойные образования, как туннель-
ный контакт субмикронных размеров, получают методом электронной ли-
тографии. Процесс начинается с того, что на подложку, как правило, крем-
ниевую, наносится слой специального органического вещества — фоторезис-
та, обладающего свойством либо разрушаться под действием излучения
(позитивный резист), либо, наоборот, упрочняться путем полимеризации
(негативный резист). Затем фоторезист экспонируется под электронным
лучом, который движется по подложке в соответствии с программой,
задаваемой ЭВМ, и ’’вырисовывает” нужную схему. Засвеченные участки
вытравливаются (этап ’’проявления”), после чего производят напыление.
В проявленных местах металл ложится прямо на подложку, в остальных —
на фоторезист и на следующем этапе удаляется (химически) вместе с
резистом. В результате остается рисунок из металлической пленки в
проявленных местах. Такая процедура может быть повторена многократно
(до 14 слоев [1]) с напылением попеременно слоев из сверхпроводящих
и нормальных металлов, полупроводников или диэлектриков. Использова-
ние именно электронного пучка для экспозиции связано, прежде всего,
с тем, что длина волны электронов определенной энергии меньше, чем
у видимого света, поэтому дифракция сказывается меньше и можно
’’вырисовывать” более мелкие детали. Фотолитография, т.е. литография
с применением видимого света, позволяет получать детали с минимальным
размером до 2 мкм, а электронная литография — до 0,3 мкм и меньше.
3. Сверхпроводящий мостик. Мостики принципиально отличны от тун-
нельных контактов, хотя технологические приемы их изготовления очень
схожи — это та же техника вакуумного напыления с электронной (или
рентгеновской) литографией. Мостик по сути своей — всего-навсего очень
тонкий перешеек между двумя массивными ’’берегами” сверхпроводника
(рис. 26). Важно то, что размер этого перешейка должен быть близок к
длине когерентности £0, т.е. около 0,1 мкм. Это и требует применения
сложных литографических методик. Иногда альтернативой литографии
может служить внешне примитивный метод ’’процарапывания”, т.е. комби-
нация напыления с нанесением царапин, разделяющих берега перехода,
хотя этот способ, видимо, годится лишь для лабораторного, но отнюдь не
серийного изготовления контактов. Исследование свойств мостиков пока-
*)Однако в туннельных контактах малой площади шум типа 1//(см. § 1 6) не про-
является до более высоких частот.
14
зало, что для улучшения их характеристик для изготовления мостика
следует применять материал, отличный от материала берегов. Кроме того,
берега должны быть много толще мостика — как на рис. 2б\ это сближает
мостик с точечным контактом. В частности, емкость мостика невелика,
что позволяет применять его в высокочастотных сквидах.
Изготовление джозефсоновских контактов и сквидов методами вакуум-
ного напыления и электронной или рентгеновской литографии требует
очень совершенного технологического оборудования и высокой культуры
производства, характерных для микроэлектронной промышленности. Это,
ко всему прочему, еще и весьма дорогостоящее производство. С другой
стороны, описанный процесс изготовления контактов вполне пригоден для
массового выпуска сквидов — например, на стандартной кремниевой
пластине (’’модуле”) в одном процессе можно получить сразу до 100 скви-
дов. Кроме того, вся инфраструктура микроэлектронной технологии
уже существует, поэтому не требуется больших капитальных затрат. Это
означает, что уже в недалеком будущем сквид перестанет быть достоянием
небольшого числа лабораторий и широко войдет в практику самых разно-
образных исследований методами сквид-магнитометрии, как в технике,
так и в биологии.
1.3. Сквид постоянного тока (ПТ-сквид)
Сквид постоянного тока, обычно именуемый ПТ-сквидом (английское
DC SQUID), представляет собой сверхпроводящее кольцо, содержащее
два джозефсоновских контакта.
В отсутствие внешнего магнитного поля он ведет себя просто как два
параллельно соединенных джозефсоновских контакта*), так что вольт-
амперная характеристика имеет вид (1.5), но с удвоенным критическим
током (7кр = 2гкр). Наложение магнитного поля приводит к тому, что в
кольце сквида наводится экранирующий ток, который на одном контакте
складывается с внешним током I, а на другом — вычитается из него (рис. 3).
В результате, как следует из анализа с использованием уравнений Джо-
зефсона (1.1) и (1.2), эффективный критический ток сквида как целого
оказывается периодически зависящим от внешнего магнитного поля.
Критический ток максимален, когда кольцо сквида пронизывается маг-
нитным потоком с целым числом квантов потока т.е. круговой ток
в нем равен нулю, а минимален /кр при полуцелом числе квантов потока.
Глубина модуляции /кр магнитным полем растет с уменьшением величины
/кр£о (1о - индуктивность кольца сквида), достигая половины /кр при
0=2iKpZoApo = 1 (1.9)
Такое значение параметра 0 оказывается оптимальным, так как при этом
модуляция критического тока уже достигает половины максимально
возможной, дальнейшее ее увеличение достигается лишь при уменьшении
/кр или Lq. Если уменьшить гкр, то ухудшится стабильность контактов и
увеличится шум; если же уменьшить А0,то возрастут трудности согласо-
вания с цепью ввода внешнего сигнала, о чем будет сказано ниже.
*) Это справедливо, если не учитывать спонтанных шумовых токов в кольце сквида.
15
Рис. 3. а - Теоретические вольт-амперные характеристики ПТ-сквида для целого и
полуцелого числа квантов потока в кольце; /кр - критический ток одного джозеф-
соновского контакта, б - Реальная вольт-амперная характеристика высокочувстви-
тельного ПТ-сквида [20]. в - Зависимость напряжения на ПТ-сквиде от приложенного
магнитного потока при значениях рабочего тока, отмеченных штриховыми линиями
на рис. а. Показан один цикл периодической зависимости с периодом </?0. г - Измерен-
ные зависимости напряжения от поля при разных рабочих токах [20]
Вместе с критическим током изменяется и вольт-амперная характеристи-
ка сквида (рис. За), что дает возможность регистрировать изменение маг-
нитного поля по изменению напряжения на сквиде при пропускании тока
смещения /см, несколько превышающего /кр (рис. 36). Коэффициент
преобразования прибора характеризуется отношением изменения напряже-
ния на сквиде к внешнему магнитному потоку через площадь кольца *),
что соответствует максимальному наклону кривой на рис. Зе, и может
быть оценен [25] так:
(ЭИ/ЭФ)/см>/кр « R/Lo. (1.10)
Для первых ПТ-сквидов, имевших сопротивление контактов около 1 Ом
и индуктивность Lq = 10“9 Гн, коэффициент преобразования был около
2 мкВ/^О’ Применение в ПТ-сквидах низкошумящих туннельных контак-
тов малой площади (3X3 мкм2) позволило изготовить сквиды с очень ма-
лой индуктивностью - до 6,2 пГн. Для них оценка по формуле (1.10) при
R = 2 Ом дает величину 600 мкВ/<р0 , что близко к экспериментально изме-
*) В Физическом энциклопедическом словаре, изданном в 1966 г, подобная вели-
чина названа чувствительностью. В дальнейшем изложении мы не будем отдавать пред-
почтения какому-либо из этих терминов.
16
Обратная связь
ПТ-сквид
Катушка
модуляции
и обратной
связи
дЧ-сквид
Катушка
модуляции
и обратной,
связи
Рис. 4. Принципиальные блок-схемы регистрации сигналов ПТ- и ВЧ-сквидов. Обрати-
те внимание на близкое сходство этих схем. Части схем, очерченные штриховыми
линиями, находятся при гелиевой температуре
ренному значению [20]. Такие высокочувствительные сквиды имеют
вольт-амперную характеристику несколько более сложной структуры, чем
(1.5), а именно, на ней есть ряд особенностей, определяемых внутренними
резонансами в сквиде и свойствами джозефсоновского контакта. Встре-
чаются даже небольшие гистерезисные участки, на которых вольт-амперная
характеристика неоднозначна — рис. 36. В результате зависимость напряже-
ния на сквиде от приложенного внешнего магнитного потока *) (рис. Зг)
*) Под ’’внешним магнитным потоком” условились понимать произведение индук-
ции приложенного извне магнитного поля на площадь кольца сквида
17
имеет более сложную форму, чем для теоретически рассмотренного случая
(рис. Зе), — на ней встречаются участки с очень большой производной,
до 23 мВ/сро [20]. Правда, эти участки имеют небольшую протяженность,
около 10“2 и соответствуют лишь определенным значениям внешнего
потока — одному или двум на периоде Но именно на этих участках
для очень малых внешних сигналов (10“4 ^0) и удается получать разреше-
ние по энергии ) , близкое к квантовому пределу для сквида [20,26,27].
Как видно из приведенных по формуле (1.10) оценок, напряжения,
возникающие на сквиде при изменении магнитного поля, лежат в диапазоне
от микро- до милливольт, т.е. могут быть измерены обычной электронной
аппаратурой.
Поскольку электрический сигнал все-таки мал, практически исполь-
зуемая схема регистрации достаточно сложна, причем хотя прибор и назы-
вается сквидом постоянного тока (это сложилось исторически), он обычно
работает на частоте около 100 кГц. Блок-схема регистрирующей аппарату-
ры приведена на рис. 4я. Одновременно с пропусканием постоянного тока
смещения, несколько превышающего критический, магнитный поток
в кольце сквида модулируется с частотой порядка 100 кГц, что вызывает
синхронные колебания напряжения на сквиде. Амплитуда этих колебаний
на частоте модуляции зависит от внешнего магнитного поля, т.е. от поло-
жения рабочей точки на оси Ф (см. рис. Зе).
Амплитуда колебаний напряжения на частоте модуляции максимальна
при максимуме производной ЭИ/ЭФ и равна нулю на горизонталь-
ных участках.
Таким образом, слабое внешнее поле управляет амплитудой сигнала на
частоте модуляции. Из-за нелинейности возникают сигналы и на частотах
гармоник, также зависящие от внешнего магнитного поля. В ряде случаев
для обработки сигнала удобно пользоваться именно гармониками.
Работа на высокой частоте связана с необходимостью согласования
импеданса сквида, значение которого ~ 1 Ом, с высоким входным сопро-
тивлением ( ~ 100 кОм) обычно используемых низкошумящих полевых
транзисторов. Согласование достигается подключением параллельно сквиду
резонансного контура, который, имея добротность Q, трансформирует
импеданс сквида, увеличивая его в Q2 раз. Кроме того, напряжение на кон-
туре в Q раз выше, чем на сквиде **). Сигнал с контура усиливается и
синхронно детектируется, т.е. выделяется лишь та его составляющая, кото-
рая находится в фазе с модулирующим полем, в результате чего ослабляют-
ся многие помехи. Для большей устойчивости системы в целом к различ-
ным возмущениям и дрейфу параметров сквида и электронной аппаратуры,
как правило, применяется обратная связь. Суть ее состоит в том, что уси-
*) Разрешение по энергии - это величина, показывающая, какое минимальное
изменение энергии магнитного поля может быть измерено сквидом (подробнее
см. § 1.6).
* *) Существует и другой метод согласования ПТ-сквида с регистрирующей электро-
никой. Он применяется при работе с самыми низкошумящими ПТ-сквидами (16]. При
этом два сквида работают в "тандеме”: на выход ПТ-сквида подключается менее чув-
ствительный ВЧ-сквид (см. ниже), который служит усилителем с очень малым вход-
ным сопротивлением.
18
ленное после синхронного детектора напряжение, теперь уже полностью
подобное по изменений во времени исходному магнитному сигналу на
сквиде, создает ток, кбторый подается в ту же модулирующую катушку
тцк, чтобы .скомпенсировать исходное изменение поля. В результате сум-
марное поле на сквиде не меняется, а мерой внешнего сигнала является
напряжение на выходе электронного блока или пропорциональный ему ток
обратной связи. Сквид все время находится в одной рабочей точке, что
улучшает стабильность измерений. Другой важной функцией обратной свя-
зи является линеаризация измерительного прибора. Внешний магнитный
поток может изменяться на величину, большую, чем ^0, и тем не менее
сигнал на выходе прибора будет ему пропорционален (хотя характеристика
сквида периодическая - рис. Зе). При этом магнитное поле на самом
сквиде сильно не меняется, т.е. сквид с обратной связью работает как ком-
пенсационный нуль-прибор.
Из формулы (1.10) видно, что коэффициент преобразования ПТ-сквида
пропорционален R/Lq. Возможности увеличения сопротивления джозефсо-
новского контакта R, в силу (1.8), связаны с уменьшением размера кон-
такта и его емкости С. В этом направлении предел определяется возможно-
стями миниатюризации при литографическом производстве. Увеличение
коэффициента преобразования путем уменьшения индуктивности скви-
да L о тоже имеет предел, но по другой причине. Индуктивность тем мень-
ше, чем меньше кольцо сквида, а при литографическом производстве его
можно сделать очень малым. На этом пути удалось получить сквиды с раз-
решением по энергии, приближающимся к квантовому пределу [20, 26, 27].
Но эти сквиды, имея высокое разрешение по магнитному потоку Ф, непри-
годны для измерения магнитного поля В = Ф/5, так как их площадь S
слишком мала - единицы квадратных микрон. Поэтому для целей магнито-
метрии делать петлю сквида слишком малой не имеет смысла.
Существует способ уменьшения индуктивности без уменьшения площади
сквида. Этот способ реализовал Циммерман [28]. Индуктивность катушки
из проводника пропорциональна квадрату числа витков, поэтому наимень-
шей индуктивностью будет обладать сквид, состоящий из одного витка-
петли, что обычно и делается. Но если соединить несколько (//) петель
не последовательно, как в катушке, а параллельно, то индуктивность
уменьшится в п раз по сравнению с индуктивностью отдельной петли.
Если же эти петли расположить, как лепестки ромашки, то чувствительная
к полю площадь будет в п раз превышать площадь одной петли. Практиче-
ское изготовление такого сквида из куска сверхпроводника требует боль-
шого искусства, и получающаяся конструкция не только сложна, но и до-
вольно громоздка: для 24 петель она имеет диаметр 5 см и высоту 10 см.
В то же время изготовление много петельного сквида методом литогра-
фии — вполне обычная операция, и на этом пути удается получить сквиды
высокого качества [20, 29].
Рассмотрим подробнее устройство много петельного пленочного скви-
да [20], показанного на рис. 5. Размер этого сквида 6X6 мм2, он изготов-
ляется на кремниевой подложке, размер которой позволяет напылять
сразу 32 сквида. Ток смещения подводится к нижнему электроду и в
одном плече сквида подходит к выходному электроду через один из
джозефсоновских контактов (на рисунке - верхний). Ток в другом плече
19
рис. 5. Схема строения многопетельного сквида
совершает более сложный путь: он распределяется на 68 параллельных
петель, расположенных по периметру квадрата, по ним течет к верхнему
электроду, а затем через второй джозефсоновский контакт (на рисунке -
нижний) попадает на выходной электрод. Все электроды отделены друг от
друга слоями изолятора, обычно Si О. Таким образом, площадь, охваты-
ваемая этим сквидом, слагается из площади петель, расположенных по
периметру квадрата 4X4 мм2, - и она уже сравнительно велика. Если же
учесть, что верхний и нижний электроды, сделанные из сверхпроводника,
выталкивают из себя переменный магнитный поток, концентрируя его
в районе петель, то эффективная площадь рассматриваемого сь^ида оказы-
вается практически равной полной площади квадрата. Сигнал в сквид мож-
но заводить и посредством катушки - например, изготовленной в том же
литографическом процессе и расположенной по периметру квадра-
та (4 X 4 мм2) сквида. Чувствительные петли сквида расположены вблизи
проводов этой катушки, что делает эффективной связь внешнего сигнала
со сквидом. Это очень существенно при работе с трансформатором потока,
о чем будет сказано ниже. Вместе с тем многопетельный сквид перспекти-
вен для прямого приема магнитного поля. Каждый из двух джозефсонов-
ских контактов сквида зашунтирован полосками нормального металла
сопротивлением около 1 Ом, во-первых, для того, чтобы сделать контакты
безгистерезисными, т.е. удовлетворить условию (1.8), а, во-вторых, чтобы
предохранить их от разрушения, если на них случайно возникнет высокое
напряжение. А это бывает при неполадках в электронной аппаратуре,
быстрых переключениях и электрических разрядах, источником которых
может быть, например, человек в синтетической одежде.
Надежность ПТ-сквидов существенным образом зависит от технологии
производства. Напыленные на весьма прочную основу (кремний) и покры-
тые защитными слоями, они устойчивы к атмосферным и механическим
воздействиям, вибрациям, ударам, а при правильном изготовлении и к
20
частым циклированиям. Для сквидов, изготовленных на основе сплавов
свинца, есть опасность разрушения Джозефсоновских контактов при дли-
тельном хранении при комнатной температуре, так как для субмикронных
образований становится существенной тепловая диффузия атомов. Эта
опасность много меньше для сквидов, напыленных из тугоплавкого
ниобия. Существуют серии ’’низкошумящих” ПТ-сквидов с туннельными
контактами микронных размеров, устойчиво работающих несколько
лет [20, 47] (кстати заметим, что вся история производства таких сквидов
ненамного продолжительнее).
1.4. Высокочастотный сквид (ВЧ-сквид)
Описанный выше ПТ-сквид содержит в кольце два Джозефсоновских
контакта. Практическая реализация такого сквида стала возможной, когда
научились изготавливать надежные и воспроизводимые контакты с исполь-
зованием технологии вакуумного напыления. Первыми же широкое рас-
пространение получили точечные контакты, настраиваемые вручную, что
неизбежно приводило к заметному разбросу их параметров. Сделать два
идентичных точечных контакта было непросто, да и конструкция сквида
получалась малоудобная. В этих условиях естественно было бы сделать
сквид с одним джозефсоновским контактом, но тогда вся рассмотренная
выше сравнительно простая техника регистрации не подходила, так как
контакт закорочен сверхпроводящим кольцом, и на нем нельзя получить
постоянное падение напряжения, как в случае ПТ-сквида.
Тем не менее существует метод регистрации квантовой интерференции
в кольце, замкнутом лишь одним контактом. При этом рабочий ток заво-
дится в сквид на высокой частоте — через катушку, индуктивно связанную
со сквидом (рис. 46). Поэтому сквид с одним джозефсоновским кон-
тактом получил название высокочастотного, или ВЧ-сквида (англий-
ское RF SQUID).
Описание принципа работы ВЧ-сквида более сложно. При наложении на
сквид внешнего магнитного поля с индукцией Ввнешн (ему соответствует
’’внешний поток” ФВНешн = ^внешД где S - площадь кольца) поток
внутри кольца Фвнутр оказывается меньшим из-за экранирования кольце-
вым током:
Фвнутр “Фвнешн i кр ^0 . (1.11)
Используя уравнения (1.1) и (1.7), можно из (1.11) получить связь между’
внешним потоком и потоком в кольце сквида:
Фвнешн ~ Фвнутр р ^0 5^п(2тгФВНуТр/^о ) . (1.12)
Отсюда следует, что зависимость Фвнутр (Фвнешн) нелинейна, а при /кр£0 >
> <р0 /2тг даже неоднозначна (рис. 6а) В последнем случае ВЧ-сквид рабо-
тает в гистерезисном режиме, т.е. при изменении внешнего поля поток
внутри кольца никогда не следует по непрерывным участкам графика
с отрицательным наклоном, но перескакивает на другую ’’ступень”, что
соответствует проникновению внутрь кольца (или, при уменьшении внеш-
него поля, наружу) кванта потока ^0.
21
Рис. 6. а - Зависимость магнитного потока внутри кольца сквида от приложенного
внешнего потока. Стрелки показывают места скачков потока в сквиде при периоди-
ческой модуляции внешнего потока в пределах А 'А. Заштрихованная площадь, делен-
ная на индуктивность сквида, соответствует диссипации энергии в сквиде в течение
одного периода модуляции, б - Зависимость напряжения на ВЧ-контуре сквида от
амплитуды высокочастотного тока внешнего генератора при целом и полуцелом
числе квантов потока в кольце сквида. в - Зависимость напряжения на ВЧ-контуре
от магнитного потока в кольце сквида (с точностью до целого числа квантов ip0)
при разных значениях тока ВЧ-генератора. г - То же, что и на рис. в, но для сквида в
особом безгистеризисном режиме [24]. Обратите внимание на участки с очень высо-
кой производной Э И/dip, сравните с рис. Зг для ПТ-сквида
Рассмотрим случай, когда магнитный поток создается радиочастотной
катушкой, являющейся частью резонансного контура, подпитываемого гене-
ратором (см. рис. 46). В результате амплитуда колебаний в контуре будет
зависеть от постоянного поля, в котором находится сквид. Пусть поток
через сквид равен нулю, что соответствует началу координат на рис. 6а, или
кратен До тех пор, пока поток радиочастотного магнитного поля не
доходит до точек перескока А или А ’, напряжение Ивч на контуре линей-
но зависит оттока/Вц, задаваемого внешним генератором (участок О а
на рис. 66). Если же амплитуда ВЧ-поля такова, что его поток в определен-
ные моменты времени превышает значение, соответствующее точке А, про-
цесс пойдет по гистерезисной траектории, ограничивающей заштрихованную
площадь на рис. 6а, и в контуре возникнут потери, которые необходимо
компенсировать. В результате дальнейший рост /Вц будет сопровождаться
лишь слабым ростом Евч - участок ab на рис. 6б\ когда же потери на
гистерезис будут скомпенсированы, опять начнется быстрый рост —
участок Ьс. Так будет, лишь покуда амплитуда потока модулирующего
поля не достигнет второй точки перескока В. Тогда площадь гистерезиса
22
удвоится и снова получится ’’ступенька” на зависимости Квч от /Вц.
Так образуется ступенчатая характеристика зависимости среднего напряже-
ния на ВЧ-контуре от среднего тока накачки *).
Вид ступенчатой характеристики зависит от индукции постоянного маг-
нитного поля, приложенного к сквиду. Если его поток равен полуцелому
числу квантов (п + ¥2) <р0, то потери в резонансном контуре начинают воз-
никать при меньшем, чем для целого числа квантов, токе накачки (штрихо-
вая линия на рис. 66). Это происходит потому, что из-за сдвига нулевой
точки на при возрастании тока потери определяются обходом сначала
только одного контура гистерезиса, а не двух, как на рис. 6а, Благодаря
этому при определенных значениях тока накачки (например, обозначенных
цифрами в кружках 3 и 4 на рис. 66) высокочастотное напряжение на кон-
туре, связанном со сквидом, периодически зависит от магнитного потока
в кольце сквида (рис, бе). Это аналогично соответствующей зависимости
для ПТ-сквида (см. рис. Зе), причем период одинаков для сквидов
обоих типов, Пилообразную зависимость, изображенную на рис. бе, назы-
вают сигнальной характеристикой ВЧ-сквида.
Производная на пилообразной характеристике определяет чувствитель-
ность сквида к магнитному потоку. Для рассматриваемого гистерезисного
режима оптимальные параметры сквида определяются условием [1,32]:
0вч = *кр£о/^о ~ 1; 0-13)
отметим, что 0Вц характеризует ’’змеевидность” характеристики, показан-
ной на рис. 6а, т.е. размах ее колебаний вдоль горизонтальной оси. Если
0вч мало, то гистерезисная петля мала или даже вообще отсутствует;
если же велико, то при работе сквида возможны множественные переско-
ки, что резко усиливает шум. Обратим внимание на аналогичность требо-
ваний (1.13) и (1.9) к параметрам ВЧ- и ПТ-сквидов. При выполнении
условия (1.13) можно расчетным путем установить зависимость коэффи-
циента преобразования от основных параметров сквида и регистрирующей
системы [1,32]:
JKBq <^£вч /^вч „ , .ч
--------- = ------= —V • (114)
^Фвнешн М к ^0
Здесь о; — угловая частота накачки (2тгсо = f ), £вч — индуктивность
радиочастотной катушки, М = к \/LB4Lq - взаимная индукция между
сквидом и катушкой. В формуле (1.14) может показаться парадоксальным
то, что коэффициент преобразования растет с уменьшением коэффициента
взаимоиндукции к между сквидом и регистрирующей катушкой высоко-
частотного контура. Это имеет, однако, вполне естественное объяснение,
*) Отметим, что объяснение образования ступенчатой характеристики только дис-
сипацией в сквиде не лишено определенной схематичности. Более строгое описание
требует учета нелинейности сквида, не связанной с потерей энергии. В частности, ре-
гистрация квантовой интерференции возможна и в безгистерезисном сквиде [1, 24].
Однако основные черты поведения ВЧ-сквида в большинстве практически исполь-
зуемых устройств вполне удовлетворительно описываются приведенной моделью.
23
поскольку процесс рассеяния энергии ВЧ-контура на сквиде скачкообраз-
ный, начинающийся по достижении точек А или А 9 на рис. 6а. Чем меньше
связь контура со сквидом, тем сильнее колебания в контуре в этот момент,
тем больше эффект срыва этих колебаний из-за потерь в сквиде. Но беспре-
дельно уменьшать связь с контуром нельзя, так как тогда вместе с ростом
высоты ступенек на ступенчатой характеристике (см. рис. 66) наступит
момент, когда не найдется общих почти горизонтальных участков, точки а
и b' будут на одной вертикали. Этот момент можно отодвинуть, увеличи-
вая добротность Q ВЧ-контура, что увеличивает крутизну ступенчатой
характеристики. Количественный анализ [1,32] показывает, что оптималь-
ным будет соотношение
k2Q * 1. (1.15)
Это условие эквивалентно рассматриваемому в теории колебаний требова-
нию оптимальности связи двух колебательных систем по отношению к эф-
фективности передачи энергии между ними.
Для ВЧ-сквида, работающего, например, на частоте 20 МГц, при выполне-
нии условий (1.13) и (1.15) коэффициент преобразования составляет
25 мкВДро [32]. Эта величина имеет тот же порядок, что и для ПТ-скви-
дов. Из (1.14) видно, что коэффициент преобразования ВЧ-сквида должен
расти с увеличением частоты накачки. Из соображений простоты конструк-
ции рабочую частоту большинства существующих ВЧ-сквидов выбирают
в диапазоне 20-30 МГц [10-15, 28]. Увеличение частоты до 300 МГц и вы-
ше позволило поднять коэффициент преобразования ВЧ-сквида [23, 33].
Разработаны сквиды даже с СВЧ-накачкой. Для сквида, работающего на ча-
стоте 9 ГГц, Холленхорсту и Джиффарду удалось получить очень высокую
чувствительность [22] Однако использование волноводной техники в таких
устройствах делает их малоудобными для широкого применения.
С другой стороны, если не ограничиваться гистерезисным режимом рабо-
ты, то высокой чувствительности можно добиться и в области обычных
для ВЧ-сквида частот в десятки мегагерц. Используя безгистерезисный
режим, Дмитренко с сотрудниками [24] при определенной комбинации
параметров (2/3Вч^22 > 1) смогли получить коэффициент преобразова-
ния, достигающий 6 мВ/^0. По порядку величины он соответствует значе-
ниям, полученным для ПТ-сквидов с джозеф со нов скими контактами малой
площади [20, 26]. В обоих случаях столь высокое значение коэффициента
преобразования объясняется сложным видом зависимости напряжения от
внешнего магнитного потока и наличием на этих кривых небольших
(1СГ2 ^0) участков с очень большой производной (см.рис.Зг и 6г)
Принципиальная блок-схема регистрации сигнала ВЧ-сквида очень схожа
со схемой для ПТ-сквида (см. рис. 4я и б). Различие лишь в том, что
у ПТ-сквида контур настроен на частоту модуляции и смещение создается по-
стоянным током, а у ВЧ-сквида контур настроен на частоту накачки
в мегагерцевом диапазоне. В последнем случае возможно объединение
функций генератора высокой частоты и усилителя в одном автогенераторе,
где сквид управляет амплитудой автоколебаний Автогенераторный режим
успешно применяется, большей частью в работах Васильева с сотрудника-
ми [15], хотя все же наиболее распространена схема с раздельными генера-
24
тором и усилителем. В ВЧ-сквиде, так же как и в 111-сквиде, применяется
дополнительное модулирующее поле на промежуточной частоте (обычно
десятки кипогерц) и синхронное детектирование. Совершенно аналогичным
образом используется и обратная связь.
Широкое применение в 70-х годах именно ВЧ-сквида связано с появле-
нием очень удачной конструкции такого сквида, предложенной Циммерма-
ном [10] и показанной на рис. 7. В этом приборе используется точечный
контакт, образуемый в точке соприкосновения острой оконечности
ниобиевого винта с плоским торцом другого винта, вкрученного на-
встречу. Оба винга предварительно покрыты окисной пленкой В теле
сквида они зафиксированы с помощью контргаек. Прочная симметричная
конструкция из единого куска ниобия обеспечивает надежное крепление
винтов, создающих точечный контакт, и поскольку все сделано из одного
материала, с устраняется влияние температурных напряжений при циклах
охлаждение—отогрев. Джозеф со нов ский контакт в этом типе сквида конст-
руктивно защищен от возможных внешних электрических разрядов, кото-
рые могут вызвать сильный ток в контакте и тем разрушить его. Как видно
из рис. 7, Циммермановский* сквид имеет две петли, замкнутые на один
джозефсоновский контакт, причем петли расположены так, что при измене-
нии однородного поля гоки в них компенсируют друг друга в слабом звене.
Поэтому сквид не реагирует на колебания однородного поля, а значит,
лучше защищен от внешних магнитных шумов
Достоинства Циммермановского сквида получили логическое заверше-
ние в конструкции тороидального сквида, который отличается тем, что
отверстие, квантующее магнитный поток, выполнено в виде тороидального
канала, полностью окружающего точечный контакт. Тороидальный сквид
нечувствителен к внешним полям и реагирует лишь на ток в катушке,
вставленной в канал и создающей в нем магнитное поле. Это означает, что
тороидальный сквид может применяться для целей магнитометрии только
с трансформатором потока, о котором мы будем говорить в следующем
параграфе. Катушка, создающая поле внутри сквида, должна вставляться
Рис. 7 Устройство двухдырочного сквида с точечным контактом конструкции Цим-
мермана [Ю]. Показаны вид спереди, разрез и обозначение (слева внизу)
25
в него при сборке и не может быть заменена без нарушения джозефсонов-
ского контакта, тогда как в пдммермановском сквиде такая замена
делается легко. Правда, для сквидов, выпускаемых большими партиями,
такая замена и не нужна, поэтому некоторые фирмы [12, 45] производят
именно тороидальные сквиды. Вначале в них применялся точечный контакт,
затем ему на смену пришел туннельный Джозефсонов ский контакт на крем-
ниевой пластине, зажимаемой в ниобиевую деталь. В результате получился
так называемый гибридный сквид. Тороидальная геометрия позволяет
обеспечить лучшую связь между катушкой, создающей магнитное'поле, и
сквидом, а также хорошую защиту от внешних помех. Заметим, однако,
что для магнитометрических применений, рассматриваемых в этой книге,
совершенная экранировка сквида от внешних шумов — отнюдь не самая
важная задача, так как именно внешние сигналы и должны приниматься
сквид-магнитометром. В такой постановке задача состоит в защите от не-
нужных помех всего магнитометра, а не собственно сквида (последнее сде-
лать сравнительно просто).
До недавнего времени распространенность различных вариантов сквидов
в практических применениях определялась в основном тем, имелась ли
возможность купить готовый сквид (тогда это был, как правило,
тороидальный сквид фирмы SHE), в противном случае чаще всего само-
стоятельно изготавливался Циммермановский сквид. Надежность Циммер-
манов ского сквида определяется тщательностью его изготовления и осто-
рожностью в обращении с ним в процессе экспериментов, главным образом
при тепловых циклированиях. ”В хороших руках” сквиды стабильно рабо-
тают по нескольку лет, даже при многократных циклах охлаждение-отогрев
и перестановках сквида из прибора в прибор. Но все же часто случается,
что сквиды выходят из строя — вероятно, из-за попадания воды в область
контакта и ее замерзания там, либо из-за дефектов заточки винтов и невы-
сокого качества резьбы, что делает фиксацию винтов ненадежной. Как ока-
залось, перестройка точечного контакта, связанная с переточкой винтов или
их заменой, — не слишком сложная операция, чем также в определенной
степени объясняется до сих пор широкое распространение циммерманов-
ских сквидов. Процесс образования джозефсоновского контакта при акку-
ратном закручивании винта с одновременным его законтриванием кон-
тролируется по изменению добротности ВЧ-контура, индуктивно
связанного со сквидом. Операцию эту можно проводить и в жидком гелии,
когда контроль настройки более точен, но вполне хорошие контакты полу-
чаются после настройки при комнатной температуре, что, естественно,
заметно проще. Если имеется необходимость 'сделать сквид более устой-
чивым к тепловым циклированиям и менее восприимчивым к механиче-
ским нагрузкам, его помещают в герметически закрытую ампулу с тепло-
обменным газом, а ампулу снабжают электрическими контактами для под-
соединения регистрирующей электроники и сверхпроводящими контакта-
ми для ввода измеряемого сигнала. Так, в частности, поступают фирмы,
предлагающие сквиды на рынок [ 11, 12].
Изготавливаются ВЧ-сквиды и методом вакуумного напыления [34,35],
в том числе и много петельные [36]. При этом за основу берутся мостико-
вые джозефсоновские контакты, так как они имеют небольшую емкость по
26
сравнению с туннельными контактами. В последнее время достижения
в создании туннельных контактов микронной площади, а значит, и малой
емкости, позволили использовать их и в ВЧ-сквидах [12].
1.5. Трансформатор потока
Сквид любого типа (ПТ- или ВЧ-) измеряет изменение потока через пло-
щадь кольца. Если необходимо измерять слабые магнитные поля, то, каза-
лось бы, площадь кольца желательно иметь возможно большей. Однако при
этом возрастает индуктивность кольца и возникает необходимость учиты-
вать ограничения на индуктивность сквида LQ. Во-первых, для того чтобы
тепловые флуктуации с энергией Г ( Т - термодинамическая темпера-
тура, обычно 4,2 К, кь — постоянная Больцмана) не вызывали скачков по-
тока в кольце сквида, должно быть Ао < I (к^Т). Во-вторых, Ао свя-
зано с критическим током джозефсоновского контакта условием
^о/Кр <Ро (1.9), (1.13), а это значит, что для сквида с большей индук-
тивностью нужен контакт с меньшим /кр. Резкое уменьшение критическо-
го тока обычно приводит к уменьшению стабильности контакта и увеличе-
нию шумов. Практически реализуемая максимальная индуктивность
сквида порядка 10"9 Гн. Наибольшей площадью сечения при заданной ин-
дуктивности обладает геометрическое тело в виде длинной трубы. Для тру-
бы радиусом г и длиной / индуктивность выражается формулой [37]
£тр = До ^1п-“ - (1.16)
здесь д0 = 4тг-10"7 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума. При значи-
тельном уменьшении /, т.е. когда труба превращается просто в виток про-
вода, формула для индуктивности меняется мало. Для провода круглого
сечения радиусом р она приобретает вид
LB = Mor(in-y- 7Z»y (1.17)
С другой стороны, с увеличением длины трубы формула (1.16) перестает
быть справедливой, когда логарифмическое слагаемое становится мень-
ше 1А, При / > 4г для вычисления индуктивности следует пользоваться
выражением
т - яг2 _ S , ч
^тр До * До > (1-18)
т.е. индуктивность пропорциональна площади сечения 5 и убывает с ростом
длины. Однако это не означает, что для уменьшения индуктивности сквида
его следует делать бесконечно длинным. Дело в том, что по образующей
трубы должен существовать разрез, замкнутый в одной точке джозефсонов-
ским контактом, служащим концентратором тока (рис. 7). Поэтому фор-
мула (1.18) становится неприменимой, и в практических устройствах ис-
пользуется цилиндрическая геометрия с I / г % 10. Такое отношение харак-
терно и для сквида Циммермана [10], и для определенных типов ВЧ- [34]
и ПТ-сквидов [16], и для тороидальных сквидов [12, 14]. Площадь сече-
ния кольца у них около 4 мм2.
27
Для приема сигнала с большей площади сквид используется со специаль-
ным входным устройством, называемым трансформатором потока. Он
представляет собой замкнутую петлю из сверхпроводника, свитую в двух
местах в катушки (рис. 8). Сигнальная катушка с индуктивностыр Lc
помещается внутрь кольца сквида (при этом необходимо обеспечить воз-
можно больший коэффициент связи к), а приемная катушка £п, которой
можно придать любую нужную форму, находится в измеряемом поле.
Форма приемной катушки определяет характер измеряемой величины.
Простая катушка (рис. Sa) измеряет собственно магнитное поле. Если
приемная часть представляет собой две катушки равных площадей, но нави-
тых в противоположные стороны и разнесенных на некоторое расстояние
(так называемая ’’астатическая пара”), то прибор измеряет уже градиент
магнитного поля (строго говоря, лишь в случае, когда расстояние между
катушками много меньше того, на котором поле меняется значительно).
Если отрезок (’’база”), соединяющий центры катушек, параллелен осям
катушек (рис. 86), то приемная часть трансформатора потока измеряет
диагональную составляющую градиента поля, bBz!bz, а устройство в це-
лом называют диагональным градиометром первого порядка или просто
градиометром. Если же база перпендикулярна осям (рис. 8в), то измеряет-
ся ЪВ21Ъх, и система представляет собой недиагональный градиометр.
Более сложное устройство, показанное на рис. 8г и представляющее собой
как бы два диагональных градиометра, поставленных друг на друга, но
намотанных в противоположные стороны, называется градиометром второ-
го порядка и измеряет величину Ъ2 В z jbz2.
Так как трансформатор потока — это замкнутая петля из сверхпровод-
ника, магнитный поток в нем остается постоянным. Это означает, что при*
изменении магнитного поля в районе приемной катушки Ln в петле возни-
кает сверхпроводящий ток, не дающий измениться суммарному потоку.
Этот ток, протекая по сигнальной катушке Лс, наводит в сквиде
магнитный поток, который и измеряется. Нас интересует максимальная
чувствительность сквида с трансформатором потока к магнитному полю В,
Ю
Рис. 8. Схема сквида с трансформатором
потока. Показаны приемные катушки
четырех наиболее употребительных типов
трансформаторов, a - Магнитометр (изме-
ряет Bz}\ б - градиометр (9BZ/Oz);
в - недиагональный градиометр (ЭВ2/Эх);
г - градиометр второго порядка (Э2В2/Э z2).
Одновременно может подсоединяться
лишь одна приемная катушка, чтобы тран-
сформатор образовывал замкнутую сверх-
проводящую петлю
28
т.е. максимизация отношения
ДФскв _ MNnSn
АВ Ln + Lc + Ln
(1.19)
где Sn - площадь приемной катушки трансформатора, Nn - число витков
в ней, Ln, L с, L л - индуктивности соответственно приемной, сигнальной
(находящейся в отверстии сквида) и соединительной (двухпроводная
линия) частей трансформатора, М - взаимоиндукция между Lc и
сквидом.
Учитывая, что М = ky/LcL^, к — коэффициент взаимоиндукции, получа-
ем, что чувствительность максимальна, когда индуктивность Lc равна индук-
тивности остальной части трансформатора Ln + £п, причем для последней
часто £п > £л. Заметим, однако, что максимум этот довольно пологий, т.е.
не требующий строгого совпадения Lc и £п- Так, при увеличении или
уменьшении значения Lc в четыре раза от оптимального чувствительность
(1.19) уменьшается лишь на 20%. С точки зрения практического согласова-
ния трансформатора это означает, что вполне достаточно расчетного опреде-
ления индуктивностей по формулам (1.16) - (1.18), только вместо длины
трубы нужно подставить длину намотки катушки из проволоки (т.е. длину
соленоида) и умножить на квадрат числа витков. Учитывая, что индуктив-
ность пропорциональна квадрату числа витков (£п = где Хп - ин-
дуктивность, отнесенная к одному витку и зависящая лишь от геометриче-
ской формы катушки), из (1.19) получим
=^_ /IL . (L20)
ДВ 2 Хп V
Можно указать целый ряд требований к параметрам трансформатора пото-
ка, проектирование которого составляет очень важную часть в создании
магнитометрического устройства на основе сквида. Прежде всего отметим,
что чувствительность не зависит от числа витков приемной катушки, а уве-
личение числа витков имеет смысл лишь постольку, поскольку необходимо
удовлетворить соотношению £п>£л. Индуктивность £л соединительных
проводов зачастую бывает значительной, особенно если поле измеряется на
удалении от сквида. Индуктивность двухпроводной линии из плотно сви-
тых проводов составляет
Ьл=ц0— (In 2 +%) (1.21)
77
(здесь /л — длина линии) и при длине линии 15 см сравнивается с индуктив-
ностью одного витка радиусом 1 см (1.17). Обычно число приемных вит-
ков трансформатора потока не превышает трех, а чаще всего это один ви-
ток.
Если приемная часть трансформатора потока представляет собой гра-
диометр, составленный из ’’измерительной” и ’’компенсирующей” кату-
шек, то в формуле (1.19) роль £л начинает играть индуктивность компен-
сирующей катушки. Эта индуктивность равна индуктивности приемной
29
катушки, так как обычно обе катушки геометрически подобны*). В ре-
зультате чувствительность к магнитному полю (1.20) уменьшается в х/2
раз для градиометра первого порядка и в два раза для градиометра второго
порядка. Чувствительность градиометра к магнитному полю определяется
для случая, когда поле приложено лишь к измерительной катушке гра-
диометра, а на компенсирующей сильно уменьшено.
Чувствительность пропорциональна площади сечения измерительной
катушки 5П> однако безгранично увеличивать ее нельзя - с одной стороны,
потому, что часто требуется измерять поле в небольшом объеме, а с дру-
гой стороны — из-за неявного ограничения, даваемого формулой (1.20).
Дело в том, что увеличение 5П приводит к увеличению Лп, а значит, по ус-
ловию согласования, и Lc. При сильном же увеличении Lc уже не удается
обеспечить достаточный коэффициент связи к между сигнальной катушкой
и сквидом. Практически это означает, что в отверстии сквида не удается
разместить достаточно большую сигнальную катушку. Эта проблема особен-
но остро стоит для напыленных плоских ПТ-сквидов, о чем будет сказано
ниже.
В формуле (1.20) индуктивность приемного витка стоит в знаменателе
(для одного витка Ln = Хп), поэтому ее разумно уменьшать, но, конечно,
сохраняя площадь, т.е. к витку предъявляются те же требования, что и рас-
смотренные выше к самому сквиду. Значит, и трансформатор выгодно де-
лать в виде длинной трубы, т.е. требуется не конструкция из проволоки,
как показано на рис. 8, а объемное тело. По-видимому, при определенных
видах измерений разумно будет использовать именно такое тело, пос-
кольку оно непрерывно переходит в сквид и оптимальным образом пе-
редает в него магнитный поток. Заметим, что приемное устройство в виде
трубы выгодно в случае измерения однородного магнитного поля. Если же
его структура более сложна, как, например, у поля диполя или у поля,
имеющегося вокруг линейного тока, геометрия приемного устройства
должна быть соответствующим образом изменена.
Расчеты этих ’’непроволочных трансформаторов потока” проводились
при разработке семиканального магнитоэнцефалографического прибора
в Низкотемпературной лаборатории Технического университета Хельсинки
[39, 40]. Была показана эффективность передачи потока в тонкопленочный
сквид с помощью цилиндрического тела из ниобия длиной 20 мм и диамет-
ром 10 мм с внутренним отверстием большего диаметра, постепенно су-
жавшимся до размера кольца сквида диаметром 0,5 мм. Чтобы такое тело
работало как концентратор потока, его внутренний объем должен сооб-
щаться с внешним пространством через тонкую щель, прорезанную по
образующей цилиндра.
Все же обычно применяют трансформаторы потока с приемными коль-
цами, высота которых по конструктивным соображениям не может сильно
*) Подобие приемной и компенсирующей катушек градиометра не является обя-
зательным. Эти две части должны иметь равные эффективные площади, а это можно
получить и при неравном числе витков в измерительной и компенсирующей частях
градиометра. Если первая содержит несколько витков, а вторая всего один, но боль-
шей площади, то индуктивность этого компенсирующего витка будет заметно мень-
ше и тем самым устранится влияние Ln в (1.19). Такой несимметричный градиометр
был впервые предложен Циммерманом [38].
30
превышать радиус. В таких случаях трансформатор потока иногда делают
из сверхпроводящей ленты, однако зависимость индуктивности от ее ши-
рины довольно слабая — логарифмическая (1.16), поэтому практически
изготовлять трансформатор заметно удобней из проволоки не слишком
малого диаметра. Так чаще всего и поступают.
Эффективность передачи трансформатором магнитного поля в сквид
зависит от собственной индуктивности сквида которая в формуле
(1.20) стоит в числителе. Но это не означает, что LQ надо увеличивать, так
как индуктивность сквида определяет и коэффициент преобразования
магнитного потока в сквиде в напряжение, который для ПТ-сквида дается
формулой (1.10), а для ВЧ-сквида — (1.14). При использовании трансфор-
матора потока Э К/ЭВ растет с убыванием Ln для ПТ-сквида и не зависит
от£0 ДЛЯ ВЧ-сквида.
Обратим внимание на то, что передача магнитного потока в сквид транс-
форматором зачастую не слишком эффективна. Для градиометра второго
порядка и при £с = £п = Лп из (1.20) получим
ДФСКВ к /Z0
----= — V—. (1.22)
4 V £п
Конкретный расчет для высокочувствительного ПТ-сквида [20] дает
ДФСКВ 0,43 / 6,2 • 10"12 Гн\М2
----=_!----------- ----------- = 2 10-4.
S„AB 4 \ 1,6 • 10’6 Гн /
Для ВЧ-сквидов доля переданного потока составляет 0,05-0,005 [32].
Поэтому преимущество трансформатора потока состоит не в том, что бла-
годаря увеличению площади приема увеличивается чувствительность,
а в том, что оказывается возможным измерение поля на удалении от скви-
да, и не только самого поля, но и тех или иных его пространственных про-
изводных. Последнее очень существенно как один из способов защиты
от помех, о чем будет сказано ниже.
Если же надо измерить просто магнитное поле, то могут возникнуть си-
туации, когда разумным будет прямой прием на сквид без трансформатора
потока. Так, многопетельный сквид площадью 4 мм2 [20] оказывается в
пять раз чувствительнее при прямом приеме, чем с трансформатором
с приемной катушкой радиусом 1 см. Такая ситуация возникает из-за того,
что задача согласования трансформатора потока со сквидом, напыленным
на плоскую подложку, довольно сложна. Дело в том, что плоская геомет-
рия менее выгодна с точки зрения согласования, чем трехмерная цилинд-
рическая. Расчеты и оценки для цилиндрического случая сравнительно
просты (формулы (1.16) — (1.18), (1 .*21)). Коэффициент взаимоиндук-
ции к можно сделать достаточно близким к единице, плотно вставив сиг-
нальную катушку в сквид (для ряда конструкций сквидов катушку можно
намотать на сквид [34]). Для напыленных плоских сквидов ситуация
еще сложнее.
Производство сквидов методом напыления с помощью отработанного
стандартного оборудования высокой сложности, применяемого в микро-
электронной промышленности, имеет хорошие перспективы развития.
Технология эта приспособлена к массовому производству на плоских
31
кремниевых пластинах, поэтому представляет интерес рассмотреть осо-
бенности применения трансформатора потока в паре с напыленным скви-
дом. Сложность состоит в том, что если магнитное поле прикладывается
перпендикулярно сверхпроводящим элементам, представляющим собой
полоски на плоскости, то токи, индуцируемые в этих полосках, оказывают-
ся распределенными очень неравномерно, концентрируясь на их краях.
В результате расчеты индуктивности сильно усложняются, так как рас-
пределение токов лишь в целом следует форме напыленных элементов.
Так, например, индуктивность приемной петли высокочувствительного
ПТ-сквида Кетчена и Джейкокса [21], схематически показанной на рис. 9а,
практически не зависит от ее ширины />, если она больше отверстия с\
Lq = 1,25 До с,
(1-23)
причем ток в петле сильно сконцентрирован вблизи отверстия. Тем не ме-
нее увеличение ширины b имеет вполне определенный смысл, так как поз-
воляет разместить необходимое число витков (до ста) трансформатора по-
тока, чтобы их индуктивность сравнялась с индуктивностью внешней
приемной катушки трансформатора. Увеличение Ъ позволяет обеспечить
высокий коэффициент взаимоиндукции: к = 0,93.
Аналитический расчет плоского трансформатора потока часто дает до-
вольно громоздкий результат, поэтому чтобы получить представление о
зависимости интересующих нас величин от геометрических параметров уст-
ройства, рассмотрим квазиодномерный случай [41], т.е. допустим, что
схема, изображенная на рис. 9а, сильно растянута по одной из сторон
квадрата. Сечение будет выглядеть, как показано на рис. 96, В верхней
части сечения изображены витки сигнальной катушки трансформатора, в
середине - петля сквида, а внизу — сверхпроводящий экранирующий слой,
Рабочий.
Рис. 9. а - Тонкопленочный сквид Кетчена [41] со спиральной сигнальной катушкой
трансформатора потока (схема), б - Сечение тонкопленочного сквида (виток шири-
ной Ь), с трансформатором потока (витки шириной а) и сверхпроводящим экрани-
рующим слоем (внизу) Показано направление тока в витках трансформатора (справа
он направлен от нас, слева - к нам)
32
часто применяемый для уменьшения индуктивности сквида и для защиты
от внешних магнитных помех. В обозначениях, данных на рис.96, при ус-
ловиях s а и b и введя глубину X проникновения магнитного поля
в сверхпроводник (равную X = 0,086 мкм для Nb, что меньше толщины
сверхпроводящих слоев), получим для индуктивности сквида, отнесенной
к его длине:
£0 = 2д0(с? + 2Х)/6, для индуктивности сигнальной катушки с «витками: (1-24)
Г / s + 2Х \ / d + 2\ V £с = 2 п До 1 I + » До| ; ) • L \ а / \ ь / (1.25)
для их взаимоиндукции:
= 2np.Q(d + 2X)/b = п£с, и для коэффициента взаимоиндукции, учтя, что 2ш = Ь; (1.26)
к2 = Л2/(£с£0) = (</+ 2X)/(d + 2s + 6Х). (1-27)
Если же экранирующий слой отсутствует, т.е. d = 00, эти выражения при-
нимают следующий вид:
£0 = До К(т)1К'(т ), (1.28)
„ „ /s + 2X\ K(ni) 4 = 2/гд0 ) + п До . \ а / К (???) (1.29)
Л'(???)/К '(т) = n£Q , (1.30)
Г 2(s + 2X)X>) V - J + паК(т) (1.31)
Здесь т - (1 + 26/с) ~2, а К (/и) и К' (л?) — полные эллиптические интегра-
лы первого рода с параметром т.
Как видно, даже в простейших случаях формулы достаточно сложны,
но они полезны для оценок. Добавим к ним формулу для индуктивности
на единицу длины плоской двухпроводной линии шириной b и с малым
зазором между слоями d<b — такая линия ведет от петли сквида
к джозефсоновским переходам (см. рис. 9а):
= ii^dlb. (1.32)
В принципе эта формула эквивалентна (1.24), в которой к тому же уч-
тено проникновение поля на глубину X в сверхпроводник. Это означает,
что экранирующий слой сверхпроводника на рис. 96 превращает петлю
сквида как бы в пару двухпроводных линий.
Приведенные формулы применимы и для расчета приемных катушек
трансформатора потока.
Техника вакуумного напыления позволяет объединить изготовление
сквида и трансформатора потока к нему в одном процессе. В результате
получается единый чувствительный элемент, наилучшим образом приспо-
собленный для приема магнитного сигнала и обладающий стабильностью
формы, рабочих характеристик и малым размером. Обычно это градио-
33
метры типа изображенного на рис. 8в с характерной площадью около
одного квадратного сантиметра [42, 43]. В работе [41] приведены более
подробные формулы для расчета таких градиометров.
Имеется и другой подход к задаче улучшения связи между тонкопленоч-
ным сквидом и трансформаторам потока. Сквид, изготовленный на стан-
дартной кремниевой подложке, комбинируется с объемной деталью из
сверхпроводника, которая, будучи прижата к напыленным элементам
сквида и образуя с ними сверхпроводящий контакт, становится частью петли
сквида. Получающийся так называемый гибридный сквид обладает хо
рошими эксплуатационными характеристиками и надежностью, позволяю*
щими производить такие сквиды на рынок [12]. По сути дела это естест-
венное развитие ранних тороидальных сквидов, в которых точечный кон-
такт заменен на более надежный и воспроизводимый тонкопленочный джо-
зефсоновский контакт, изготовленный по микроэлектронной технологии.
Используя два джозефсоновских контакта, можно изготовить гибридный
сквид постоянного тока [45] (как уже отмечалось, это трудно сделать
на точечных контактах). В результате все преимущества плоского
ПТ-сквида удается совместить с тороидальной структурой приемной петли.
Это позволяет использовать обычную проволочную сигнальную катушку
трансформатора потока. Гибридный сквид представляет собой промежу-
точный этап в переходе от массивных сквидов с точечным контактом и
проволочным трансформатором потока к сквид-приборам, полностью
изготовленным технологией напыления.
1.6. Шумы сквида
Чувствительность*) сквида, выражаемая формулами (1.1б*Г для ПТ-
сквида и (1.4) для ВЧ-сквида, показывает, какое изменение электричес-
кого напряжения соответствует небольшому изменению магнитного пото-
ка ДФ в сквиде. Однако эта величина ничего не говорит о том, каково
минимальное значение ДФ, которое может быть обнаружено сквидом, а
именно оно определяет уровень измеримых магнитных сигналов, т.е. порог
чувствительности. Принципиальные ограничения на измерение слабых сиг-
налов накладывают собственные шумы сквида. Они порождаются флуктуа-
циями тока в сверхпроводящем кольце из-за того, что по крайней мере
часть времени джозефсоновский контакт находится в нормальном состоя-
нии (сверхпроводящий же ток шумов не даег). Мерой шума является
среднеквадратичный поток магнитного поля, вызываемый шумовыми то-
ками в кольце сквида. Наибольшую роль играют шумовые токи, удовлет-
воряющие теореме Найквиста, т.е. их мощность пропорциональна полосе
частот Д/, в которой они наблюдаются. Поскольку мощность пропорцио-
нальна квадрату потока, среднеквадратичный шумовой поток ^шум про-
порционален корню квадратному из полосы частот, на которых ведется
измерение, и выражается в квантах потока, деленных на корень квадрат-
ный из полосы частот. У широко применяемого двухдырочного ВЧ-сквида
(см. рис. 7), работающего на частоте 20 МГц, <ршум обычно около
*) См сноску на с. 16.
34
10"4 ^0/>/ Гц. Это означает, что в каждом из отверстий сквида постоянно
имеется случайно меняющийся магнитный поток, амплитуда которого,
если ее измерять узкополосным приемником с полосой в 1 Гц, не зависит
от частоты, а среднеквадратичное значение равно 2 • 10"19 Вб. При площади
петли 4 мм2 амплитуда колебаний поля в ней составит 50 фТл. Наиболее
чувствительный ВЧ-сквид [22] обладает разрешением по потоку (а это
и есть <рШум)} равным 7 • 10“6^о/х/Гц- Оба приведенных значения согла-
суются с формулой для шума ВЧ-скв и да в гистерезисном режиме [25,46]:
у м
Фо
(1.33)
где /н ~ частота накачки, а
а = (тг^б 77гкр^>о)2/3, (1-34)
что для оптимизированного сквида (А0/кр = Фо) равно тангенсу угла на-
клона ’’ступенек” на ступенчатой характеристике сквида (см. рис. 66).
У использованного Кларком и сотрудниками [16] ПТ-сквида порог
чувствительности по потоку достигал 3,5 • 10“5 ф0/х/Ги, а у ПТ-сквидов
с джозефсоновскими туннельными переходами микронного размера [20]
он был доведен до 1,7 • 10~8 <ро/х/Гц*) • Такое улучшение ^шум связано
главным образом с резким уменьшением индуктивности с 1 нГн до 1 пГн,
как это следует из формулы [25, 47]:
о^б Т _ <ро /~4£Б 1
R / L о Фо6<р
Величина ^шум называется спектральной мощностью шума и, будучи
деленной на удвоенную индуктивность сквида £0, определяет энергети-
ческое разрешение е = Фшум/2£о- Для цилиндрического сквида, у кото-
рого Lq'= VqS/1 (1.18), g имеет наглядную интерпретацию:
/ А? 2
_ / п шу м
6 — I----------
(135)
Фшум пт
(1.36)
Здесь первые скобки содержат плотность энергии магнитного поля на
единицу полосы частот, а вторые - объем сквида. Таким образом, с яв-
ляется энергетической мерой чувствительности сквида, показывающей,
какое минимальное изменение магнитной энергии в сквиде может быть
им обнаружено (при измерении в единичной полосе частот). Эта величина
имеет размерность действия, поэтому может измеряться в постоянных
Планка h. У лучших сквидов с очень малой индуктивностью величина е
приближается к квантовому пределу, emin [20, 26, 27]. Но эти приборы
малопригодны для измерения внешних полей в силу малости размера при-
емной петли (десятки микрон). Такой сквид слабо связан с внешним
полем.
♦) Такой уровень шума наблюдается лишь в некоторых рабочих точках сквида
с заданным значением магнитного потока в пределах периода [20, 26]. Области
с предельно низким шумом весьма узки, около 10“2<^о, и совпадают по положению
с областями, где максимальна чувствительность к магнитному потоку д 17/д ФВнешн
(см. § 1.3).
35
Более адекватной мерой энергетической чувствительности будет такая,
которая учитывает связь сквида с измеряемым полем. Обычно сквид ис-
пользуется с трансформатором потока, сигнальная катушка которого имеет
коэффициент взаимоиндукции со сквидом к, а этот последний далеко не
всегда удается сделать близким единице. В этом случае адекватной харак-
теристикой качества будет в* = ^щуМ/(2^1у£0)• Для ВЧ-сквида Холлен-
хорста и Джиффарда [22] 6* 1000 h. Много петельный ПТ-сквид Карелли
[20] имеет е* =71 h при измерениях на малых сигналах в выделенных ра-
бочих точках с минимальными шумами. Если же требуется работать с сиг-
налами в большем диапазоне изменения полей или с использованием об-
ратной связи, то е* = 1000 h. Работая с тороидальным ВЧ-сквидом в без-
гистерезисном режиме, Дмитренко и сотрудники [24] получили энерге-
тическое разрешение на уровне 360 /г, правда, тоже лишь на отдельных
узких участках сигнальной характеристики, т.е. при некоторых значениях
магнитного потока в кольце. Тонкопленочный ПТ-сквид с напыленным
трансформатором потока и е* = 150/г создан в Калифорнийском универ-
ситете г. Беркли [49].
Мы рассматривали до сих пор только так называемый ’’белый шум”,
мощность которого не зависит от частоты. Шум такого типа весьма обычен
в разнообразных физических приборах и хорошо объясняется хаотичес-
ким тепловым движением электронов. Но существует и другая заметно
проявляющаяся в сквидах компонента. Это так называемый ’’фликкер-
шум” или ”1//-шум”. Его спектральная мощность изменяется обратно
пропорционально частоте /, т.е. шум становится значительным при низ-
ких частотах. Природа такой зависимости неясна, хотя в основе ее лежит,
по-видимому, какой-то пока не известный универсальный закон, так как
зависимостью 1// характеризуются такие, казалось бы, не связанные друг
с другом явления, как токи в электронных лампах и интенсивность улич-
ного движения, сопротивление тонких пленок и высота тона музыки, уход
частоты кварцевого генератора и средние сезонные температуры [50].
С понижением частоты растет как 1// и геомагнитный шум, в котором
эта зависимость начинает превалировать при частотах ниже 1 Гц (см.рис. 1)
[51]. Этот факт следует иметь в виду, и мы к нему вернемся в дальнейшем.
У разных сквидов превышение шума 1/f над белым начинается при раз-
ных частотах. Для сквидов с точечным контактом эта характерная час-
тота около 0,1 Гц (см. рис. 1). Тщательные измерения на ВЧ-сквидах
фирмы SHE и ПТ-сквиде Кларка с туннельными переходами площадью
75 X 150 мкм2 показали, что в них 1//-шум проявляется лишь ниже 0,02Гц.
Уменьшение площади джозефсоновского перехода связано, как правило,
с возрастанием уровня 1//’-шума при одновременном снижении белого
шума, что сдвигает частоту, на которой их мощности сравниваются, в об-
ласть больших частот, в отдельных случаях в килогерцевый диапазон.
Модельный расчет амплитуды 1//-шума согласуется с этим обстоятельст-
вом [47]. У ПТ-сквидов, близкйх по чувствительности к квантовому преде-
лу в области белого шума, 1//’-шум начинает ощущаться уже на весьма
высоких частотах: 100 кГц [27], 10 кГц [47] или 30 Гц [48]. Пока нет
четкого понимания причин, определяющих уровень 1//’-шума в сквидах,
поэтому экспериментальные поиски наиболее низкошумящих сквидов
продолжаются.
36
Разработчики фирмы SHE сумели в 10 раз понизить спектральную
плотность 1//-шума для своего ПТ-сквида, применив вместо постоянного
тока смещения ток, меняющий полярность с частотой 500 кГц. Этот при-
бор получил название ’’Dynabias de SQUID” [12], 1//-шум проявляется в
нем при частотах ниже 0,1 Гц.
В исследовательском центре фирмы IBM изготовлен напыленный ПТ-
сквид с трансформатором потока (индуктивность сигнальной катушки
0,7 мкГн, коэффициент связи 0,9), обладающий очень низким уровнем
шума — в 60 раз меньшим, чем у других сквидов с хорошей связью с
внешним полем. Область белого шума с е * = 50 h простирается до 0,1 Гц,
и лишь ниже начинает проявляться 1//’-шум [52].
Обратим внимание на то, что в формулах (1.33) — (1.35) шумы сквида
убывают с понижением температуры. Аналогичное утверждение справедли-
во и для 1//-шума. Это означает, что принципиально возможно понизить
порог чувствительности сквида путем понижения его температуры — сей-
час практически доступны температуры до 0,01 К вместо обычных 4,2 К.
С другой стороны, поскольку высокая чувствительность сквида является
следствием не только его ’’слабой” сверхпроводимости, но и низкой тем-
пературы, то сквид, изготовленный из высокотемпературного сверхпровод-
ника и работающий при температуре заметно выше гелиевой, будет обла-
дать и большими шумами.
Влияние температурных флуктуаций на работу сквида определяется
параметром 7 = zKp^o/(2тт£Б Г), типичное значение которого у совре-
менных сквидов примерно равно 25 [25], а у наиболее чувствительных
достигает 1000 [20]. С уменьшением у связано сглаживание нелинейностей
на вольт-амперной характеристике ПТ-сквида (скругления на рис. За) и
на ступенчатой характеристике ВЧ-сквида (плавные границы ступенек на
рис. 66). При 7~ 1 происходит полное сглаживание, и квантовая интер-
ференция не наблюдается.
Рассмотренные собственные шумы сквида принципиально ограничивают
чувствительность магнитометрического прибора, однако реальный шум
прибора в целом обычно выше, так как имеются дополнительные источни-
ки шума, связанные с регистрирующей электронной аппаратурой. Наиболь-
ший вклад дают шумы усилителя, которые, однако, как показывает
практика, могу г быть сделаны меньше собственных шумов сквида, если
использовать во входном каскаде низкошумящие полевые транзисторы.
В случае ВЧ-сквида радиочастотный контур дает дополнительный шум, ко-
торый может оказаться доминирующим, так как значительная часть конту-
ра находится при температурах выше гелиевой, включая комнатную. Мож-
но значительно уменьшить и этот вклад в шум, применив предусилитель,
работающий рядом со сквидом, т.е. при низкой температуре [23]. При пра-
вильном проектировании прибора в целом его суммарный шум определяет-
ся только шумом сквида. Конечно, имеются еще и внешние источники
шумов; борьбе с этими шумами посвящена гл. 3.
В заключение этого параграфа опишем процедуру определения уровня
шумов для магнитометрического прибора, с тем чтобы можно было срав-
нить его с другими приборами и установить, какого уровня сигналы мож-
но им измерять. На сквиде или на приемной катушке трансформатора надо
создать калиброванное магнитное поле. Для этой цели проще всего восполь-
37
зоваться круглой петлей (витком) провода, поле которой вдоль ее оси
рассчитывается по формуле
Нг = IR2/[2(R2 +z2)3/2], (1.37)
где R — радиус петли, I — ток, z - расстояние от центра петли. Калибро-
вочный виток лучше помещать на таком удалении от магнитометра,
чтобы поле на приемной катушке было достаточно однородным. Вдали от
калибровочной петли можно пользоваться упрощенными формулами:
H:=IR2I2z3 (1.38)
для точек на оси петли и
Hz=-IR2Hp3 (139)
для точек в плоскости пегли (р - расстояние от центра). Эти формулы
можно применять для калибровки градиометров: диагонального (1.37),
(1.38) и недиагонального (1.39).
Для калибровки можно применять и близко расположенную катушку,
воспользовавшись формулой взаимоиндукции для двух коаксиальных
витков в параллельных плоскостях
/ 8R \
M = ^R In
(140)
витков, а — расстояние между центрами,
петлю и подсчитывая количество квантов
(см. рис. Зв и бе) в режиме без обратной
(1.41)
И’ =
Здесь R и R + b суть радиусы
Подавая ток в калибровочную
потока проникших в сквид
связи, получаем величину передачи трансформатором магнитного поля
в сквид ДФскв/ДВвнешн —формулы (1.19), (1.20). Аналогично измеряет-
ся величина Э Ивых/Э 2?внешн для малых сигналов без обратной связи и
для произвольных — с обратной связью. Пользуясь этой величиной, опре-
деляют магнитные шумы по шумовому сигналу на выходе электро
ники сквида.
Шум, записанный, например, самописцем, представляет собой непре-
рывную случайную кривую. Если шум белый, то вероятность w отклоне-
ния от нуля описывается гауссовым распределением
1 / Vz
ехр/ _ ——
\ 2 К2
Здесь V - мгновенное значение напряжения, а V — его эффективное, или
среднеквадратичное, значение. Амплитуды случайных колебаний сосредо-
точены в основном в узкой полосе около нуля, и лишь очень редко появля-
ются выбросы: 1 % времени для выбросов V/V = 2,6 и лишь 0,01 % - для
3,9 [53]. Поэтому практически определяют Vдля сигналов герцевых
частот, поделив ширину ’’полоски” шума на 5,2 (так как сигнал отклоняет-
ся в обе стороны) и пренебрегая редкими (реже 1 %) выбросами.
Для определения спектральной плотности шума шумовой сигнал пропу-
скают через полосовой фильтр. Полоса пропускания фильтра определяется
путем квадратичного интегрирования его передаточной функции, однако
для практических целей достаточно взять полосу на уровне 0,7 пропускания
от максимального и умножить на я/2 = 1,57 для простейших RC- или
38
ЬС-фильтров. Для более сложных фильтров дополнительный множитель
близок к единице.
Чтобы определить энергетическое разрешение е* = /(2££0), надо
воспользоваться тем, что к2Ь0 -М2/Lc. Индуктивность £с сигнальной
катушки трансформатора можно измерить стандартными приборами.
Взаимоиндукция М, равная отношению потока в сквиде к наводящему
его току/с в сигнальной катушке (М = ДФСКВ//С), может, быть получена
из измерения числа квантов проникших в сквид при подаче известного
тока непосредственно в сигнальную катушку.
Измеренные и вычисленные описанным способом шумовые характери-
стики магнитометра позволяют сравнивать их с таковыми для приборов,
описанных в литературе, и оценивать применимость прибора для тех или
иных измерений.
1.7. Сравнение ПТ- и ВЧ-сквидов
Работа ПТ- и ВЧ-сквидов основана на общих физических принципах,
однако разные способы регистрации квантовой интерференции приводят
к ряду существенных различий. Отметим сначала то, в чем ПТ и ВЧ-сквиды
совершенно одинаковы:
сквид измеряет магнитный поток через площадь его кольца; для сквида
в принципе применимы джозефсоновские контакты любого типа, но
важно, чтобы параметр гистерезиса перехода j3r = был
меньше единицы (1.8);
тепловые шумы определяют верхний предел индуктивности кольца
сквида Lq <$/(кв Т) ; при этом оказывается, что на практике Lo не
превышает 1 нГн;
существует оптимальное соотношение между индуктивностью сквида и
критическим током джозефсоновского перехода /кр£о % <Ро (для
ПТ-сквида это условие выглядит как 2/кр£0 % Фо, так как в нем два
перехода, однако строгость этого требования невелика и потому коэф-
фициент 2 не существенен);
выходной сигнал сквида строго периодичен по величине приложенного
магнитного потока с периодом <ро;
для увеличения площади приема магнитного п)ля или для измерения
полей определенной конфигурации сквид может применяться с транс-
форматором магнитного потока;
для максимальной эффективности трансформатора его сигнальная
катушка должна быть связана со сквидом так, чтобы коэффициент
взаимоиндукции был максимален (« 1), а индуктивность этой катушки
была равна индуктивности остальной части трансформатора;
собственный шум сквида не зависит от частоты для высоких частот и
имеет порядок (1СГ4 - 10"8) в полосе шириной 1 Гц, а при низких
частотах, обычно ниже 1 Гц, шум начинает расти как 1//;
для уменьшения влияния помех используется дополнительная модуля-
ция магнитного потока в кольце сквида с последующим синхронным
детектированием на частоте модуляции или ее гармонике;
использование обратной связи позволяет линеаризовать зависимость
выходного сигнала от внешнего магнитного поля.
39
Различия ПТ- и ВЧ-сквидов сводятся лишь к способу электрической
регистрации сигнала от сквида, хотя принципиальные схемы очень близки
(см. рис. 4). Более того, в обоих случаях используется колебательный
контур, расположенный рядом со сквидом при температуре жидкого гелия.
И все-таки различия значительны.
ВЧ-сквид:
I. ВЧ-сквид выгодно использовать с возможно большей частотой радио-
частотной накачки, что увеличивает чувствительность и уменьшает шумы
(см. (1.12), (1.33)). Предельная частота накачки около 10 ГГц.
II. На частоту модуляции /мод, кроме того, что она должна быть заметно
выше характерных частот измеряемых магнитных сигналов, наложено
условие и сверху: /мод < /вч/2, гДе Q - добротность радиочастотного
контура, связанного со сквидом.
III. Для увеличения чувствительности необходимо увеличивать доброт-
ность Q ВЧ-контура (см. (1.12), (1.13)) и подстраивать коэффициент
связи к со сквидом в соответствии с добротностью по формуле k2Q 1.
ПТ-сквид:
I. Высокая чувствительность ПТ-сквида при низком уровне шума может
быть обеспечена при работе на сравнительно низких частотах.
II. Частота модуляции должна быть выше частот измеряемых сигналов.
III. Резонансный контур подключается параллельно сквиду.
Основное отличие ПТ-сквида от его ВЧ-собрата состоит в том. что регист-
рирующая электроника ПТ-сквида работает в более удобном диапазоне
частот 0,1 - 1 МГц, при этом паразитные связи между элементами сказы-
ваются слабее, уменьшается влияние емкости кабеля, соединяющего части
приемной системы, находящиеся при гелиевой и комнатной температурах.
В приборах с ПТ-сквидом не возникает проблем, связанных со сравни-
мостью длины электромагнитной волны и размера прибора, что характерно
для гигагерцевого диапазона частот (в случае ВЧ-сквида), где приходится
прибегать к более сложной, волноводной технике.
К достоинствам ВЧ-сквида, пока не существует широкого индустриаль-
ного производства ПТ-сквидов, относится сравнительная простота его изго-
товления.
Полезно провести сравнение характеристик ВЧ- и ПТ-сквидов, выпускае-
мых одной фирмой (см. [12]). И тот и другой применяются в гибридном
варианте, т.е. пластинка с джозефсоновскими контактами зажимается в
ниобиевую деталь с тороидальным каналом для сигнальной катушки тран-
сформатора потока. Все это помещено в герметичную ампулу диаметром
10 мм и длиной 40 мм. Устройство ее одинаково для обоих типов сквидов.
Радиочастотным кабелем ампула соединена с блоком электроники, находя-
щимся при комнатной температуре (у ПТ-сквида блок электроники
несколько сложнее и больше). В области белого шума ПТ-сквид имеет
лучшее энергетическое разрешение: 3 • 1О~30 против 50 • 10~зэ Дж/Гц у
ВЧ-сквида. Пороги чувствительности по потоку соответственно 1,5 • 10~5 и
7 • 10"* ^0/\/Тц. Шум 1// начинает проявляться у ПТ- и ВЧ-сквидов ниже
0,1 Гц.
40
ГЛАВА 2
МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Сквид* *) с трансформатором потока очень чувствителен к магнитному
полю, поэтому при работе с ним важно устранить влияние магнитных шумов
и помех. Приведенные выше пороги чувствительности для ПТ- и ВЧ-скви-
дов были измерены, так сказать, в ’’тепличных” (хотя и при гелиевой
температуре) условиях - приемные катушки сквидов были защищены от
внешних воздействий сверхпроводящими экранами. Но если этими прибо-
рами нужно ’’взглянуть на внешний мир”, т.е. в нашем случае измерить
поля живого организма, не находящегося внутри экрана при гелиевой
температуре, то необходимо учитывать, что помимо полезного сигнала
на сквид действует множество возмущений, которые много сильнее био-
магнитных полей.
Как видно из рис. 1, наиболее сильны городские магнитные шумы.
В них резко выражена компонента 50 Гц**) и ее гармоники. От ин-
дустриальных шумов можно избавиться, удаляясь от города. В сель-
ской местности основной вклад в магнитные шумы дают колебания (флук-
туации) земного магнитного поля - они присутствуют всегда и всюду и
более сильны в приполярных областях. Во время магнитных бурь возмуще-
ния геомагнитного поля могут даже перекрывать характерные городские
шумы.
Постоянная составляющая земного поля намного больше уровня его
флуктуаций, но, в силу постоянства, сама по себе не дает переменных
во времени паразитных сигналов в магнитометре. Однако при наличии
этого поля даже малые механические вибрации магнитометра будут источ-
ником шумов.
В градиометрах (см. ниже) шумы порождаются перемещениями и
колебаниями приемной катушки относительно слабо магнитных деталей
прибора и магнитных деталей ближайшего окружения, намагниченных
земным полем. Заметные шумы вызываются флуктуирующими тепло-
выми токами в деталях с высокой электропроводностью (медных, алюми-
ниевых). Естественно, что в конструкции сквид-магнитометрического
прибора все подчинено задаче борьбы с помехами — при условии, что сохра-
няется высокая чувствительность. Прибор не должен порождать дополни-
тельные собственные шумы или искажать измеряемые поля.
*) В последнее время есть тенденция именовать сквидом весь измерительный комп-
лекс, включая трансформатор, колебательный контур, усилитель и проч. В нашей рабо-
те мы придерживаемся первоначального значения, применяя для измерительного
прибора в целом название сквид-магнито метр.
* *) В некоторых странах 60 Гц, что определяется стандатром электросети.
41
2.1. Немагнитные материалы
Очевидно, что в сквид-магнитометре следует применять материалы,
обладающие слабым магнетизмом, причем требования к магнитной чистоте
тем выше, чем ближе находится этот материал к чувствительному элементу
прибора. ”С точки зрения сквида” все вещества обладают вполне заметным
магнетизмом (диа-, пара-, ферро-), поэтому любой материал требует конт-
роля, тем более что часто встречается ферромагнитное загрязнение слабо-
магнитных веществ. Подробные исследования в этом направлении были
проведены Кабрерой [54]. Его данные по остаточной намагниченности ряда
конструкционных материалов приведены в табл. 1. Указанные значения
следует рассматривать как ориентировочные, так как в процессе изготов-
ления материала и его обработки почти неизбежно появление пара-и ферро-
магнитных примесей. Например, отрезание куска нержавеющей стали
Таблица 1
Остаточная индукция материалов при 4,2 К
Материалы Вост» нТл
Металлы сталь конструкционная 20 000
сталь нержавеющая 500
латунь*) 1 - 100
бронза фосфористая 1,5
медь чистая 0,6
алюминий чистый 0,05
Стекло пирекс 0,015
плавленый кварц 0,005
Пластмассы нейлон**) 0,015 -4
тефлон ***) 0,020 - 0,4
полиэтилен 0,3
майлар (лавсан) 0,060
делрин 0,030
Эпоксидные стайкаст 285ОТ ****) 100
смолы эпибонд 100А 3
фибергласс на фенольном связующем 0,3
эпокаст 121 0,07
корунд голубой (следы кобальта) 15
Керамика корунд белый (наиболее чистый) 0,008
серебряный припой (содержит никель) 200
Припои индий 0,3
медный
Провода званом в изоляции (формивар, шелк, 1—5
форекс) *****)
манганин
*) Влияние включений, сверхпроводящих при гелиевой температуре.
**) Сильную намагниченность дают пигменты, поэтому остаточная индукция макси-
мальна у черноокрашенного нейлона, минимальна у прозрачного.
***) Влияние парамагнитных включений.
****) Очень сильные парамагнитные примеси.
*****) Намагниченность определяется главным образом изоляцией.
42
обычным инструментом увеличивает в месте разреза и так немалую остаточ-
ную намагниченность, а полоски чистого алюминия недопустимо резать
стальными ножницами. Если нужно иметь уровень остаточной индукции
около 1 нТл, то применяется травление деталей в кислотах, чтобы избавить-
ся от поверхностного ферромагнитного загрязнения. Для сбррки наиболее
ответственных узлов чувствительных магнитометров желательно пользо-
ваться специальным ’’магнитостерильным” помещением, где исключена
работа ферромагнитным инструментом. Особое внимание следует уделить
склейкам и работе с эпоксидными смолами, так как поверхностное загряз-
нение может попасть в объем и его невозможно будет устранить.
Если некоторая деталь находится вблизи приемной катушки, то наводи^
мое ею поле примерно равно остаточной индукции, для удаленных деталей
можно воспользоваться оценкой
В = Вост v/r3;
здесь v - объем детали, г — расстояние до катушки.
Жесткие требования к магнитной чистоте могут быть ослаблены, если
измеряются только переменные или периодические сигналы, характерные
для многих биомагнитных и физических явлений. Тогда существенны лишь
изменения полей, вызванные движением или вибрацией деталей, а эти
изменения много меньше самих полей. Практика показывает, что сборку
таких приборов можно вести в обычных лабораторных условиях, без
специальных ’’антимагнитных” ухищрений. При этом, однако, недопустимо
применение явно ферромагнитных материалов — их наличие обычно прове-
ряют с помощью магнита. Также недопустимо расположение вблизи прием-
ной петли магнитометра деталей из материала, сверхпроводящего при
гелиевой температуре, например, оловянно-свинцового припоя, так как
сверхпроводники ’’выталкивают” из себя и тем самым сильно искажают
внешнее магнитное поле. Искажения переменных во времени магнитных
полей могут давать и детали из хорошо электропроводящих материалов
(меди, алюминия) из-за наведения в них индукционных токов. Хаотические
тепловые токи в таких металлах вызывают и дополнительный магнитный
шум. Оценка величины шумов будет приведена в гл. 3 при рассмотрении
экранов из металлов с высокой электропроводностью. Применение неболь-
ших металлических деталей допустимо, но должно быть сведено к миниму-
му. Их следует изготовлять из немагнитных сплавов, предусматривая при
этом возможность легкой замены, если при работе прибора выяснится,
что та или иная конкретная деталь имеет магнитные примеси и вызывает
шум.
Конструкционные материалы, кроме магнитной чистоты, должны обла-
дать устойчивостью к воздействию низких температур, что ограничивает
применение ряда керамик, стекол, пластмасс и эпоксидных материалов,
очень хрупких или коробящихся при охлаждении, не говоря уже о тех,
которые трескаются из-за температурной усадки.
Накопленный практический опыт позволяет рекомендовать для изготов-
ления сверхчувствительных магнитометрических приборов следующие
материалы. Для наиболее ответственных деталей, требующих стабильности
формы, таких как держатель катушек трансформатора потока, - это
плавленый кварц. В качестве основного конструкционного материала для
44
других деталей можно рекомендовать композиты на базе эпоксидных
смол с немагнитными наполнителями (например, стеклопластики). Их
удобно склеивать — в отличие от ряда полимерных материалов, таких как
тефлон или нейлон, которые, тем не менее, тоже могут использоваться
для изготовления ряда деталей. Основной недостаток тефлона, нейлона и
аналогичных им материалов состоит в их большой усадке при охлаждении,
что нужно учитывать при конструировании. Для ряда деталей можно реко-
мендовать плексиглас. Наряду со стеклопластиком можно использовать
текстолит, хотя он менее прочен. Недостатком композитов является то,
что они имеют тенденцию скалываться вдоль слоев при обработке на стан-
ках, и невысокое качество поверхности после обработки. Применяют стек-
ло, но его хрупкость и трудность обработки делают его не очень удобным
материалом. Металлы используются, как правило, ограниченно, в основном
для пружин и крепежных деталей (удобен крепеж и из нетрескающихся
пластмасс). Предпочтительны такие сплавы, как дюраль и бронза. Для
экранов разных назначений - тепловых, радиационных, радиочастотных —
применяются тонкие фольги из чистых меди и алюминия.
Если магнитометр предназначается для измерения слабых квазипостоян-
ных полей, то требования к подбору материалов ужестчаются, и факти-
чески каждая деталь должна контролироваться магнитометрически, а в
конструкции в целом должна быть предусмотрена возможность замены
любой ’’магнитногрязной” детали - с соблюдением всех требований
магнитной гигиены и желательно в ’’магнитностерильном” окружении.
2.2. Градиометры
В принципе своем сквид-магнитометрический прибор очень прост - в
нем немного деталей. Это сквид с трансформатором потока одной из изоб-
раженных на рис. 8 конфигураций и резонансный контур с кабелем, веду-
щим к регистрирующей электронике (рис. 4). Собственно магнитометр
для измерения полей от больших объектов применяется редко, главным
образом в ферромагнитоэкранированных комнатах высокого качества
(см. гл. 3). В подавляющем же большинстве случаев используют градиомет-
ры того или иного типа, которые благодаря специально выбранной геомет-
рической форме в достаточной степени нечувствительны к магнитным
помехам от удаленных источников, в том числе к магнитному полю Земли.
Правда, именно для измерения поля Земли в геофизике обычно применяют-
ся магнитометры.
Намагниченное тело, все три размера которого одного порядка, характе-
ризуется магнитным моментом М3; его поле на расстояниях, много боль-
ших размеров этого тела, зависит от расстояния г следующим образом:
В^М3/г\ (2.1)
Например, для автомобиля М3 10® пТл • м3, для рабочего инструмента
(отвертки, напильника) ~ 103 пТл • м3, а для транзистора или микро-
схемы М3 2 пТл • м3 [55].
Протяженные намагниченные тела длиной / (опорные фермы, столбы,
рельсы или трубы, для которых М3/1 Ю6 пТл • м2) создают поле, медлен-
44
(2.3)
(2.4)
127И3
d2B
dr2
поле еще достаточно велико, градиент его уже
меньше градиент второго порядка. В результате
нее убывающее с расстоянием:
В^М3/(1г2\ (2.2)
а наиболее медленно убывает поле прямолинейного провода (линии) с
током 1:
Цо I
В =-----
2 л г
Если эта линия двухпроводная, как обычно и бывает, то поле быстрее убы-
вает с расстоянием:
Мо Ы
В*---------
2л г2
где расстояние между проводами Ь<г. В любом из этих случаев градиент
поля спадает с ростом г быстрее, чем само поле. Например, дляЛ/3 имеем
dB ЗМ3
— - -7- и
dr г
т.е. там, где магнитное
сильно уменьшен и еще
градиометр уже сам по себе осуществляет хорошую фильтрацию магнитных
помех и позволяет работать без дополнительной экранировки в месте,
удаленном от индустриальных возмущений и лишенном магнитных (желез-
ных) деталей и материалов. Чем выше порядок градиометра, тем слабее
ограничения на близость источников магнитных помех к месту измерения.
Для измерений на уровне биомагнитных полей градиометр следует распола-
гать не ближе 100 м от жилых домов, 300 м от дорог с интенсивным авто-
мобильным движением и силовых кабелей, а электронную регистрирую-
щую аппаратуру следует размещать не ближе 10 м от прибора. С градиомет-
ром второго порядка можно работать уже в условиях лаборатории или
клиники, избегая, конечно, соседства лифтов, трансформаторов и т.п.
Сейчас это наиболее распространенный тип градиометров. Можно использо-
вать и градиометр третьего порядка, он позволяет проводить измерения
в 25 м от оживленной автодороги [55].
Существенным для градиометра является выбор базы. Она определяется
типом источника измеряемого сигнала, но чаще руководствуются тем,
чтобы сигнал принимался только ближней петлей градиометра, а на даль-
них его петлях был бы уже в несколько раз меньше. При измерении
малых градиентов (слабые аномалии магнитного поля Земли) база ограни-
чивается размером самого прибора. В магнитокардиографии база определя-
ется расстоянием от сердца — обычно около 10 см. При магнито энцефало-
графических исследованиях применяется база около 2 см. В этих условиях
градиометр по отношению к измеряемому сигналу фактически представ-
ляет собой магнитометр и компенсирующие петли не участвуют в приеме
сигнала. Это несколько снижает чувствительность градиометров по мере
повышения их порядка, хотя эту трудность можно обойти, применяя
градиометр с неравными петлями (см. § 1.5). Выбор порядка градиометра
определяется компромиссом между степенью подавления помех и чувстви-
тельностью, а также простотой изготовления. Помогает расчет или опыт.
45
Основное техническое требование к градиометру состоит в хорошей
балансировке, обеспечивающей невосприимчивость прибора к однород-
ному магнитному полю (и к полю и его градиенту для градиометра вто-
рого порядка). Поскольку измеряемые сигналы малы по сравнению с
внешними помехами, уровень балансировки, т.е. отношение сигнала гра-
диометра при наложении идеально однородного магнитного поля к сигна-
лу от одной из его петель, должен достигать 10~6. Это означает, что эф-
фективные площади петель градиометра должны различаться не более чем
на одну миллионную. Конструкция градиометра должна быть достаточно
жесткой, чтобы уровень балансировки не нарушался в течение длительных
измерений, при термических циклах (охлаждение до гелиевой температу-
ры и отогрев до комнатной), при транспортировке прибора с неизбежными
вибрациями и толчками.
Прецизионная механическая обработка деталей и сборка приемной части
градиометра позволяет получить исходную балансировку порядка 10~3.
Для дальнейшего улучшения применяются подстроечные устройства в
виде небольших кусочков сверхпроводника, размещение которых вблизи
приемной или компенсирующей катушки изменяет в ту или иную сторону
ее эффективную площадь Sz, так как магнитное поле в сверхпроводник не
проникает. Если подстроечный сверхпроводник представляет собой шарик
радиусом яш, расположенный на оси на расстоянии z от плоскости кольца
радиусом г, то относительное уменьшение площади при аш < г соста-
вит [56]
Д5- а3
Т (7777^ ,2-5)
Если это диск радиусом яд, параллельный кольцу, то имеем при аа < г
AS. 2 / у \
---- = ----I arctg v — ---; I,
5, 7Г \ 1 + v‘ /
где
_ /________________2^__________________у /2
\ г2 + z2 - Яд + \f(r2 + z2 - a%)2 + 4яд z2 /
Петли градиометра всегда несколько не параллельны. Для компенсации
разбаланса этого типа применяются диски из сверхпроводника, перпенди-
кулярные плоскости петли. Такой диск радиусом яд, расположенный на
расстоянии от оси z и перпендикулярный оси х, искажает внешнее
поле так, что петлю пронизывает и перпендикулярная ее оси компонента
В Y, при этом эффективная площадь петли для этой компоненты
2яд xz
~ = ~ (г2 +Z2)5/2 (2’7)
Подстроечные детали передвигаются относительно приемной катушки с по-
мощью стержней, управляемых с верхней части (’’капки”) прибора. Удоб-
ны три подстроечных плоских диска с осями по трем пространственным
координатам — каждый из них осуществляет компенсацию одной компо-
ненты поля разбаланса.
Для балансировки градиометра второго порядка по отношению к гра-
диенту поля иногда в конструкции предусматривают возможность изменять
46
базу одного из плечей градиометра. Тогда держатель катушек делают не
монолитным, а состоящим из двух частей, относительное перемещение
которых задается винтом, управляемым с капки прибора [57, 58]. Конт-
роль балансировки удобно производить в магнитном поле Земли на удале-
нии от сильных аномалий, так как земное поле с высокой точностью одно-
родно. По сигналу, возникающему при перемещениях и поворотах прибо-
ра, можно определить степень компенсации градиометра. Это простейший
способ. Для контроля балансировки можно пользоваться и системой кату-
шек с высокой однородностью магнитного поля типа рассматриваемых в
§3.4. Такими катушками можно создавать и однородный градиент поля.
Проверку балансировки можно проводить и с помощью сильного магнита,
перемещаемого или вращаемого на значительном расстоянии. Распределе-
ние поля такого магнита, характеризуемого магнитным моментом М,
может быть вычислено с высокой точностью по формуле
3R(MR)-M(RR)
[Я I5
(2.8)
Здесь R — радиус-вектор, направленный от магнита к точке измерения
поля, в данном случае к градиометру. Обычно балансировка производится
на работающем приборе в отсутствие объекта измерения, при этом доби-
ваются минимума принимаемых внешних шумов.
У типичного градиометра трансформатор потока наматывается ниобие-
вой проволокой на кварцевой трубе, а сквид помещается примерно на
20 см выше, чтобы он не искажал внешнее поле на приемной катушке
[12, 58, 59]. С помощью стержней, идущих сверху, можно передвигать
подстроечные диски из сверхпроводника и тем самым управлять баланси-
ровкой.
Существуют градиометры, конструктивно решенные иначе. Сквид не
обязательно помещать на удалении от приемных катушек. В некоторых
приборах он располагается между петлями градиометра, при этом, уп-
равляя положением сквида, можно балансировать градиометр [60—63].
Схема такого градиометра показана на рис. 10. Расчет балансировки в этом
случае сложнее, однако экономия места в приборе часто оказывается очень
Рис. 10. Недиагональный сквид-градиометр, при-
меняемый для нейромагнитных измерений в
ИАЭ им. И.В. Курчатова: 1 - кварцевые плас-
тины с намотанными катушками трансформато-
ра потока: 2 - кварцевый столбик с плоскопа-
раллельными торцами; 3 - сквид в ампуле;
4 - опора из стеклопластика; 5 - центрирующие
стеклопластиковые пружины; 6 — коаксиаль-
ный высокочастотный кабель. Указаны размеры
приемной петли
47
К сквиду
Рис. 11. Градиометр второго порядка с наклонным расположением приемных петель,
используемый в Стенфордском университете [66]. Угол между осями приемных пе-
тель и осью прибора равен углу между пространственной диагональю куба и его ребра-
ми А, В, С. Это позволяет, не наклоняя прибора, последовательно снимать три взаимно
перпендикулярные компоненты магнитного поля Бд, Bq, В^, из которых могут быть
вычислены и компоненты Вх, Вг и В=
нужной. Иногда прием сигнала производят непосредственно сквидом, ко-
торый сам по себе может быть градиометром (см., например, рис. 7) и базу
которого можно довести и до 10 см [64, 65]. Но наиболее перспективным
направлением на пути к конструктивной простоте и миниатюризации
прибора представляется напыление градиометра вместе со сквидом на
одну подложку [43]. Используемая для этого литографическая техника
позволяет получать и высокий уровень исходной балансировки — поряд-
ка 10~4.
Часто возникает необходимость измерить в одной точке три взаимно
перпендикулярные компоненты поля. Для того чтобы это сделать, ось
градиометра стандартной формы (с приемной катушкой одного из ти-
пов, изображенных на рис. 8) следует поворачивать на углы в 90° вокруг
двух взаимно перпендикулярных осей, что достаточно сложно, если учесть,
что в дьюар градиометра налит жидкий гелий. Но ось приемного витка
совершенно не обязательно должна быть параллельна оси дьюара. В градио-
метре Стенфордского университета [66] угол между осями выбран 54° 44',
что составляет угол между ребром куба и его пространственной диаго-
налью. Как видно из рис. 11, этот прибор представляет собой градиометр
второго порядка с неравными площадями петель. Тремя поворотами на
120° вокруг продольной оси (это сделать уже несложно) ось градиометра
последовательно совмещается с тремя взаимно перпендикулярными нап-
равлениями А, В и С, позволяя измерить три компоненты поля. Из них ли-
нейным преобразованием можно вычислить три компоненты по осям .г,
р, z. Направления А, В, С можно и просто совместить с x,F,z, наклонив
сам прибор на угол примерно 55°. Наклонное положение прибора удобно
и при однокомпонентной съемке, если чувствительную петлю градиометра
нужно приблизить к груди (спине, глазу, затылку) стоящего или сидящего
человека.
48
2.3. Многоточечные приборы
Часто возникающая необходимость одновременного измерения сразу
трех компонент магнитного поля в одной точке пространства стимули-
ровала появление многоканальных сквид-магнитометрических прибо-
ров*). Трехкомпонентные магнитометры нашли применение в геофизике
[67]. При измерении слабых биомагнитных сигналов, когда следует ис-
пользовать градиометры для уменьшения помех, в том числе со стороны
геомагнитных полей, задача создания многоканальной системы более
сложна. Каждый из градиометров по отдельности может быть сбаланси-
рован хорошо, однако находящийся рядом изготовленный из сверхпровод-
ника градиометр другой компоненты поля влияет на баланс первого, и
наоборот. Такая взаимосвязь предъявляет высокие требования к точнос-
ти изготовления градиометра и усложняет процесс балансировки. В слу-
чае, если трансформаторы потока, включая катушки градиометров, сдела-
ны из проволоки, отсутствие взаимовлияния между ними эквивалентно
равенству нулю взаимоиндукции М12 этих трансформаторов. Если один
из градиометров сбалансирован по отношению к внешнему полю очень
хорошо, то воздействие второго, если он ’’недобалансирован”, проявляет-
ся в том, что наводимый в нем внешним полем ток /2 передается в пер-
вый так, что
Л/! 2
L! - индуктивность первого трансформатора. Следовательно, при конст-
руировании многоканальной системы градиометров нужно добиваться,
чтобы каналы имели возможно меньшую взаимоиндукцию. Эту величину
можно рассчитать [37], а результат проверить измерением. Для этого в
один из трансформаторов надо подать от внешнего источника сравнительно
сильный ток и, слегка изменяя взаимное расположение петель или под-
строечных элементов, добиваться минимума тока в другом трансфор-
маторе. Обычно взаимоиндукция достаточно мала, и такую проверку
можно проводить только в охлажденном приборе с работающим сквидом.
В случае, если трансформаторы потока не проволочные, а сделаны из
полос фольги или напыленных элементов или имеют вид концентратора
потока, ситуация более сложна, так как при наложении магнитного поля
возникает не только ток, текущий через сигнальную катушку сквида
(при совершенной балансировке градиометра этот ток равен нулю). Поми-
мо него в протяженных элементах наводятся короткозамкнутые токи,
могущие передать значительный сигнал разбаланса в соседний трансфор-
матор. Пока не известно приборов, в которых удалось бы объединить
несколько трансформаторов такого типа. Для проволочных же трансфор-
маторов трудности создания многоканальной системы градиометров прео-
*) Термины "многоточечный” и ’’многоканальный” по отношению к обсуж-
даемым приборам различаются по содержанию. Прибор может быть многоточеч-
ным - если содержит несколько принимающих петель, расположенных в разных
точках, но одноканальным - если ’’опрос” петель осуществляется поочередно с пе-
редачей данных по одному каналу. С другой стороны, трехкомпонентныс геофи-
зические магнитометры - трехканальные, но фактически одноточечные.
49
Рис. 12.-Комбинация двух недиаго-
нальных градиометров, примени
мая в Массачусетском технологи-
ческом институте [70]. а - Вид
приемных петель трансформатора
потока, так называемые 2D-rpa-
диометры; б - пространственное
распределение чувствительности
2D-градиометра к магнитному по-
лю Bz и к градиенту магнитного
поля в - провод с током
у ’’хвоста" дьюара со сдвоенным
2D-rpa/iHoMeTpoM; г- при подаче
сигнала от одного 2Р-градиометра
на ось v, а от другого - на ось г
осциллографа точка на экране
показывает направление тока, те-
кущего вблизи ’’хвоста" дьюара
долимы, и трехканальный xj’c-градиометр уже применялся для биомаг-
нитных измерений [62]. Приборы с четырьмя градиометрами для нейро-
магнитных измерений созданы в лабораториях Финляндии [68] и Италии
[337]. Сквид-магнитометр, содержащий девять каналов, разработан фир-
мой ”Байома1нетик Текнолоджи” [12, 69].
Есть и более специализированные задачи для многоканальных градио-
метров. Если измеряемое поле порождается некоторым линейным током,
то определить положение и направление этого тока можно с помощью
’’сдвоенного 27>градиометра”, изготовленного в Массачусетском техно-
логическом институте [70]. Происхождение названия этого прибора понят-
но из рис. 12я. Это вариант градиометра, показанного на рис. 8в, в кото-
ром каждая из приемных петель имеет вид латинской буквы D, а вместе
они составляют окружность, разделенную по диаметру. В приборе два
ID-vрадиометра: один реагирует на производную bBz!bx, другой — на
bB.jby. Каждый из этих градиометров наиболее чувствителен к току,
протекающему вдоль диаметра, разделяющего D-образные половины.
Комбинация двух 2D-градиометров в нижней части дьюара позволяет
определять направление протекающего вблизи них тока, причем если вы-
ходы х и v градиометров подавать на х- и г-каналы осциллографа, то на
экране можно непосредственно наблюдать направление и значение тока —
рис. 12в, г. Этот прибор удобен для регистрации токов, текущих внутри ис-
следуемого объекта.вблизи его поверхности.
Многоточечная система регистрации магнитных полей более всего нужна
для нейромагнитных исследований. Мозг человека порождает поля слож-
ной конфигурации, и чтобы их зафиксировать, надо иметь сразу несколько
датчиков в разных точках головы. Поля столь малы, что часто требуется
процедура многократных повторений с накоплением сигнала, что делает
измерения неприемлемо длительными. Способ преодоления этой трудности
50
состоит в применении сразу большого количества сквичовских датчиков,
что позволит и картировать магнитные поля, и устранять влияние помех,
и усреднять собственные шумы отдельных сквидов.
Была разработана система из семи сквид-магнитометров, работающих в
одном дьюаре [39]. Однако практическая работа с ней выявила серьезные
трудности в обращении с многоточечными приборами. Использование стан-
дартной схемы регистрации сигнала ВЧ-сквида приводило к взаимным
влияниям разных каналов по высокой частоте и к ухудшению характерис-
тик прибора. Возникли проблемы взаимной экранировки каналов и разде-
ления частот накачки ВЧ-сквидов, чтобы полосы пропускания каналов не
перекрывались.
Возможен вариант работы сразу с несколькими ВЧ-сквидами, предло-
женный Ширае и др. [35]. Для всех сквидов имеется лишь один резонанс-
ный контур и один кабель, соединяющий его с блоком электроники
(уменьшение числа кабелей существенно с точки зрения уменьшения теп-
лоподвода в гелий), и всего один усилитель по высокой частоте. Сигналы
от разных сквидов могут быть разделены, так как одновременно приме-
няются сразу несколько частот модуляции — по одной на сквид.
Первые практические достижения были получены все же на традицион-
ном пути [68]. Четырехканальный ’’нейро магни то метр” (комплекс требо-
ваний, которые следует выполнить при создании приборов для магнито-
энцефалографии, достаточно своеобразен, что дает основание употребить
это специальное название) Низкотемпературной лаборатории Техническо-
го университета Хельсинки собран на базе четырех ВЧ-сквидов, рабочие
частоты которых разведены на 1 МГц — 19, 20, 21, 22 МГц. Несмотря на
то что прибор используется в одной из самых совершенных экранирован-
ных комнат (см. § 3.1), трансформаторы потока выполнены в виде градио-
метров, рассчитанных так, чтобы их взаимоиндукция была минимальна.
Удовлетворить этому условию было нелегко, так как взаимное расположе-
ние нижних приемных катушек трансформаторов диктовалось прежде
всего распределением измеряемых полей. Центры катушек находятся в
вершинах тетраэдра с ребром 16 мм, что позволяет измерять поле в че-
тырех точках и градиенты поля по шести направлениям. (Вид кату-
шек показан далее на рис. 36). Система оказалась надежной в эксплуа-
тации.
Более сложная многоточечная система создана для нейро магнитной
лаборатории Нью-Йоркского университета [69]. Она дает возможность
работы и в неэкранированном помещении. Для этого пять измерительных
каналов выполнены в виде градиометров второго порядка. Они располо-
жены под небольшим углом друг к другу, так что плоскости приемных
катушек лежат на сферической поверхности нижней части гелиевого дьюа-
ра: один градиометр посредине, остальные на расстоянии 4 см в вершинах
квадрата вокруг него. Дно дьюара вогнутое, с радиусом кривизны 9см —
оно образует как бы шлем на голове испытуемого. В измерительных кана-
лах установлены ПТ-сквиды, поэтому взаимовлияние каналов не было за-
метно. В системе использованы еще три магнитометра и один градиометр на
ВЧ-сквидах, которые служат для авто компенсации внешних помех.
В 1984 г. девятиканальный прибор был успешно испытан в условиях при-
города в Калифорнии.
Разработка многоточечных нейромагнитометров представляется весьма
перспективным направлением деятельности. Целью ее видится прибор,
обладающий принципиально новыми возможностями для исследований
мозга - речь идет о приборах, содержащих 30— 100 сквидов.
Вероятно, более перспективными для многоточечных систем окажутся
ПТ-сквиды, для которых слабее будет сказываться взаимовлияние кана-
лов. Поскольку ПТ-сквиды производятся индустриальными методами, не
составляет принципиальной трудности изготовить одним процессом вместо
десятков отдельных сквидов сразу готовую многоточечную систему. На
единой пластине сквиды будут расположены в нужной конфигурации, со
всеми необходимыми соединениями, петлями трансформатора потока и,
возможно, с первым каскадом усилителя.
Можно увеличить число точек приема сигнала без увеличения числа
сквидов. Для этого трансформатор потока одного сквида должен иметь
несколько параллельно подключенных петель разного расположения и
формы, снабженных управляющим элементом, который может разрушать
сверхпроводимость в петлях. Тем самым можно подключать к свиду
именно ту петлю трансформатора, которая нужна для измерения в дан-
ный момент. По-видимому, наилучшим управляющим элементом будет
оптическое волокно, свет в котором сможет локально перегревать часть
напыленной петли трансформатора потока [71]. Выключая свет в волокне,
можно последовательно ’’опрашивать” приемные петли системы и в резуль-
тате построить картину магнитного поля, имея лишь один сквид и не пере-
мещая его.
Помимо съемки пространственного распределения полей, многоточеч-
ная сквид-магнитометрическая система, работая по системе совпадений,
способна эффективно фильтровать внешние помехи, но следует иметь
в виду, что это так, лишь если возмущения не слишком велики и не вы-
водят прибор из его рабочего диапазона. Поэтому применение столь слож-
ного устройства, как многоточечный сквид-магнитометр, целесообразно с
использованием того или иного типа защиты от сильных магнитных помех,
о чем говорится в гл. 3.
2.4. Гелиевые дьюары
Неотъемлемой частью сквид-магнитометра является гелиевый дьюар,
так как нужную для работы сквида температуру может обеспечить только
жидкий гелий. К материалам, из которых изготовляется дьюар, предъяв-
ляются те же требования в отношении магнитной чистоты, что и к магнито-
метру (градиометру). Для устранения влияния вибраций и обеспечения
точной фиксации приемного устройства магнитометр должен составлять
с дьюаром как бы единое целое, поэтому желательно использовать одина-
ковые конструкционные материалы. Это важно еще и потому, что тем са-
мым снимаются проблемы, связанные с различием коэффициентов тепло-
вого расширения. Выбор материалов для дьюара не слишком широк,
поскольку они должны удовлетворять очень жестким требованиям: не-
проницаемость для криогенных жидкостей, газонепроницаемость даже
при многократном воздействии низкой температуры, прочность и легкость,
малая теплопроводность; кроме того, эти материалы должны быть не-
52
магнитны и технологичны при обработке. Удовлетворить всем этим требо-
ваниям могут, по-видимому, только композитные материалы. Для неко-
торых типов измерений, вероятно, можно применить дьюары из немаг-
нитных металлических сплавов, если можно быть уверенным, что токи
в металле и магнитные примеси не будут мешать этим измерениям. Воз-
можно размещение сквид-градиометра в стеклянном дьюаре [60], одна-
ко хрупкость стекла и трудности его точной обработки не позволяют
считать его практичным материалом.
Поиски композитных материалов, наиболее подходящих для приме-
нения в криогенике, ведутся в ряде стран [72. 73]. Перспективными напол-
нителями считаются стекловолокно, волокна из графита и кевлара, а также
мелкодисперсная керамика (зерна 0,1 мкм). Связующими материалами
для них служат эпоксидные смолы.
В настоящее время наиболее доступен стеклопластик (фибергласс),
представляющий собой стеклоткань, пропитанную эпоксидной смолой.
Дьюары из стеклопластика получили в сверхчувствительной магнитометрии
широкое применение. Стеклопластик заметно легче алюминия, он не хру-
пок, по прочности сравним со сталью. Теплопроводность его в 40 раз
ниже, чем у нержавеющей стали. Это позволяет изготавливать компакт-
ные, прочные дьюары. В силу малой теплопроводности стеклопластика
дьюар хорошо держит гелий без охлаждения жидким азотом радиацион-
ного теплового экрана: испаряющийся газообразный гелий достаточно
охлаждает экран. Такие дьюары различного назначения объемом от 1 до
25 л производятся рядом фирм. Скорость испарения гелия около 1 л
жидкости в сутки. Стеклопластик — удобный конструкционный материал
с малой тепловой усадкой, хорошо сохраняющий форму. Это позволяет
при значительном размере дьюара (до 1 м длины) обеспечить в его ниж-
ней, ’’хвостовой” части очень маленькое (до 7 мм) расстояние между гелие-
вым объемом, где находится чувствительный элемент магнитометра, и
теплым ’’днищем”. Уменьшение этого расстояния — очень важная задача,
так как измеряемое поле, как правило, быстро спадает с удалением от
источника.
Вакуумное междустенное пространство дьюаров обычно заполнено так
называемой суперизоляцией (многослойной вакуумной теплоизоляцией),
представляющей собой множество неплотно, с прокладками, намотанных
слоев полимерной пленки, имеющей толщину около 10 мкм и покрытой
тонким слоем алюминия. Эти отражающие покрытия эффективно умень-
шают тепловое излучение от наружной стенки дьюара. Если пленка намотана
достаточно плотно (десятки слоев на сантиметр зазора), то она ослабляет
и теплоприток, вызываемый остаточным газом, который обычно имеется
в вакуумном пространстве.
При всех своих достоинствах существующие стеклопластики обладают
недостатком — сквозь них сравнительно легко диффундируют легкие газы,
в нашем случае гелий. Эта диффузия резко ослабляется с понижением тем-
пературы и не представляет проблемы, когда дьюар охлажден до азотной
температуры и ниже. Но после отогрева газ заметно диффундирует сквозь
стенки, а в верхней, теплой части дьюара это происходит, даже если в нем
имеется жидкий гелий. В результате междустенное пространство дьюара
приходится примерно раз в месяц переоткачивать. Вот тут-то и проявляется
53
недостаток суперизоляции, состоящий в том, что из ее многослойной на-
мотки очень трудно выкачивать газ, когда давление опускается ниже 1 тор.
Кроме того, суперизоляция требует длительного времени на свое охлажде-
ние. Поэтому, хотя при работе прибора и не требуется жидкий азот, он
необходим для предварительного захолаживания дьюара, в противном слу-
чае расход гелия при заливке будет слишком велик.
Газопроницаемость стеклопластиков — это основная проблема при
создании гелиевых дьюаров для сквид-магнитометрии. Дело в том, что
молекулярный диаметр легких газов (водорода и гелия) меньше, чем
расстояние между макромолекулами эпоксидной смолы. Поэтому даже
через полимер идеальной структуры эти газы диффундируют с заметной
скоростью, не говоря уже о случаях, когда материал (стеклопластик) со-
держит дефекты: трещины, пустоты, свищи. Газопроницаемость как ха-
рактеристика материала показывает, какое количество газа в 1 см3 при
атмосферном давлении пройдет через стенку толщиной 1 мм и площадью
1 м2, если разность давления газа по разные стороны стенки 1 атм. Изме-
ренная в таких единицах газопроницаемость эпоксидной смолы состав-
ляет 80, стекла пирекс - 0,008, технического алюминия - 4 • 10'5 [74].
Измерения на стеклопластике НИИ стеклопластиков и стекловолокна
дали значение 8 [75]. Этого уже достаточно для изготовления гелиевого
дьюара с периодически откачиваемым вакуумным пространством [61].
Разрабатывая криостат для сквид-магнитометра с объемом гелия 15 л,
рассчитанным на работу в течение 30 суток, французские исследователи
уделили большое внимание уменьшению газопроницаемости стеклоплас-
тика [74]. Для улучшения структуры материала полимеризация велась
в вакууме, причем пластик механически уплотнялся давлением до 40 атм
(4 МПа).
Чтобы еще более уменьшить газопроницаемость, на внутреннюю поверх-
ность деталей криостата (гелиевого дьюара) наносился слой алюминия ме-
тодом напыления. Слой металла служил диффузионным барьером
для атомов гелия. Сверху он покрывался защитным слоем пластика.
Комбинацией этих методов удалось получить газопроницаемость
1,5 • 10"4 см3 • мм/(м2 • атм • сутки), что приближается к показателям,
характерным для металла,
Безазотные стеклопластиковые дьюары с суперизоляцией удобны при
длительной непрерывной работе сквид-магнитометра (с периодической,
желательно не чаще раза в неделю подливкой жидкого гелия). При этом
гелиевый объем должен быть не меньше 5 л, а значит, и размер дьюара
сравнительно велик.
Если магнитные измерения кратковременны, то количество гелия в
дьюаре и его размер можно резко уменьшить, доведя объем до 60 см3,
а массу всего сквид-градиометра до 1 кг [61]. Столь компактный прибор
легко транспортируется и может устойчиво крепиться даже на треноге
теодолита (рис. 13). Несмотря на небольшое количество жидкого гелия,
время работы с прибором без подлива составляло шесть часов. Оператив-
ность действия градиометра (скорость приведения в рабочее состояние,
охлаждение, заливка) улучшена благодаря отказу от использования супер-
изоляции с заменой ее экраном, охлаждаемым жидким азотом. Обычно
жидкий азот не применяется — из опасения вызвать дополнительный
54
Рис. 13. а - Устройство малогабарит-
ного переносного сквид-градиометра
ИАЭ им. И.В.Курчатова, б - Прибор,
готовый к работе
I
Вакуумное уплотнение
' Вентиль откачки
ВЧ-разъем
Жидкий азот
Опорная труба х
Медный экран
Жидкий гелий
- у Стеклопластиковые
' трубы
Кварцевая труба
Сквид
а
магнитный шум, так как кипящий технический азот с примесью сильно
парамагнитного кислорода (иногда поставляют даже жидкий воздух)
дает помехи в важном частотном диапазоне около 1 Гц. Но если азотный
объем достаточно удален от катушек (см. рис. 13), такой шум незаметен.
Отказ от суперизоляции упростил и процедуру откачки дьюара. Она зани-
мает лишь несколько минут и может проводиться небольшим простейшим
адсорбционным насосом, вставляемым в тот же транспортный дьюар,
из которого осуществляется заливка жидкого гелия.
Дальнейшее усовершенствование дьюара этого типа позволило довести
время работы сквид-градиометра после заливки гелия до 48 часов. Это уже
позволяет вести непрерывные измерения с периодическим (раз в сутки)
подливом гелия, при сохранении малогабаритности прибора [63].
Миниатюризация криогенного оборудования для сквидов представляет
собой явно наметившуюся тенденцию, связанную с появлением компакт-
ных напыленных сквидов и градиометров, а также с необходимостью
создания многоточечных систем, в том числе позволяющих изменять отно-
сительное пространственное расположение отдельных датчиков.
В Советском Союзе изготовлены безазотные гелиевые дьюары из стекло-
пластика — для биомагнитных измерений в условиях клиники [76].
Дьюар вмещает 10 л жидкого гелия. Несомненно, что измерительные при-
боры в дьюарах, длительно хранящих жидкий гелий, найдут применение
именно в клиниках, где проводится множество однотипных измерений,
а техническое обслуживание следует свести к минимуму. Перспективу
в этом направлении указывают космические исследования. В космических
аппаратах уже применяются дьюары, хранящие жидкий гелий в течение
10 месяцев. Естественно, они не очень большого размера [77]. В земных
условиях можно воспользоваться гибридной системой, включающей дьюар
с жидким гелием и небольшой рефрижератор, охлаждающий до промежу-
точных температур (55 и 12 К) тепловые радиационные экраны. Такая
система, содержащая всего 10 л жидкого гелия, позволяет вести измерения
в течение 200 дней [78]. Заметим, что внедрение жидкого гелия в клиниче-
скую практику отнюдь не за горами. Это связано еще и с появлением
ЯМР-томографов, т.е. устройств, которые по поглощению телом радиоволн
в магнитном поле (благодаря явлению ядерного магнитного резонан-
са, ЯМР) позволяют получить трехмерную картину распределения химиче-
ских веществ в теле человека. Магнитное поле в томографе создается, как
правило, сверхпроводящим магнитом с большим ’’теплым” объемом —
в него должен помещаться человек. На фоне потребления жидкого гелия
для охлаждения магнита количество гелия, необходимое для работы сквид-
магнитометрических приборов, представляется незначительным.
Остановимся на применении металлов в конструкции стеклопластико-
вых гелиевых дьюаров для сквид-магнитометрии. Это следует делать, при-
держиваясь особых правил, так как шумовые токи в металлических дета-
лях могут ограничивать чувствительность магнитометров. Например,
дюралевый диск толщиной 5 мм, расположенный у дна дьюара вблизи
приемных катушек, создает шумовое магнитное поле около 300 фТл/ \/Гц?
При испытаниях высокочувствительного магнитометра с уровнем шумов
5 фТл/ VTu попытка защититься от помех с частотами выше 50 Гц с по-
56
мощью медного экрана привела к увеличению шумов до 100 фТл/ \/Гц
[49]. Некоторые стекло пластиковые дьюары, выпускаемые промышлен-
ностью, не позволяют реализовать порог чувствительности магнитометра,
т.е. измерять сигналы ниже 100 фТл/>/Гц" — вероятно, из-за шумовых
токов в алюминиевом покрытии многослойной суперизоляции.
Для преодоления этих трудностей применяют следующие приемы. Алю-
миниевое покрытие суперизоляции разбивают на участки, удаляя его вдоль
линий, образующих сетку. Вблизи чувствительных петель прибора наматы-
вают неметаллизированную суперизоляцию или же уменьшают число
слоев металлизированной. Тепловые экраны, которые принимают на себя
тепловой поток от внешних стенок и отводят его к верхней части дьюара,
делают из полосок металла, чтобы исключить круговые токи. Такие токи
в металлах с высокой электропроводностью, из которых делаются экраны
(медь, алюминий), могут создать сравнительно сильные магнитные поля.
Вокруг приемной катушки обычно помещают тонкостенный(0,02 - 0,1 мм)
экран из бронзы или алюминия. Подобным экраном-фильтром из фольги
можно окружить дьюар целиком, и это необходимо в неэкранированном
помещении, где обычно сильны радиочастотные сигналы от широковеща-
тельных станций и телевидения. Такие тонкостенные экраны защищают от
помех на высокой частоте, но не мешают измерениям на низкой частоте.
Они должны быть легко заменяемы, так как их материал и толщину проще
подобрать опытным путем — с тем чтобы заэкранировать прибор от помех
высокой частоты, но не создавать дополнительных шумов из-за низко-
частотных тепловых токов в экране.
2.5. Микрорефрижератор
Для поддержания ниобиевого сквида в сверхпроводящем состоянии
необходима температура ниже 9 К, что достигается его помещением в дьюар
с жидким гелием. Такой метод вполне удобен для многих применений,
однако имеет существенный недостаток. Прибор оказывается привязанным
к ожижительной станции и имеет ресурс работы вне ее около недели. К то-
му же транспортировка криогенных жидкостей связана с определенными
трудностями (например, при авиаперевозках), что еще более сокращает
радиус применения прибора. Как средство преодоления этого ограничения
в последние годы возникла новая область криогеники — микрокриогеника
для сквидов.
Мощность, рассеиваемая сквидом, совершенно ничтожна и не сравнима
с количеством холода, запасенного в дьюаре с жидким гелием. Для полдер-
жания низкой температуры сквида было бы достаточно иметь рефрижера-
тор с очень малой хладопроизводительностью — микрорефрижератор. При
правильно организованной теплоизоляции основной теплоподвод к сквиду
дают электрические провода - около 1 мВт. Эту величину и можно принять
как ориентировочную для хладопроизводительности будущего микро-
рефрижератора.
Задача автономного охлаждения электронных устройств до очень низкой
температуры возникла достаточно давно. В основном приходится охлаждать
чувствительные приемники различных излучений. Существовавшие до сих
57
Пластмассовый
поршень
Рис. 14. Схема микро рефрижератора,
спроектированного и изготовленного
Циммерманом для охлаждения сквида
до 7К [81|
пор потребности привели к созда-
нию рефрижераторов, позволяющих
получать температуры ниже 9 К с
хладопроизводительностью на уров-
не 1 Вт и обладающих определенной
портативностью — их масса поряд-
ка 100 кг [79, 80]. Для охлажде-
ния сквидов, особенно тонкопле-
ночных, достаточно существенно
меньшей хладопроизводительности,
а это может сильно изменить прин-
ципы построения рефрижератора по
сравнению с существующими.
Важнейшее отличие состоит в
том, что микрорефрижератор для
сквид-магнитометрии должен при
работе создавать ничтожные магнит-
ные возмущения. С этой точки зре-
ния требования к нему еще выше,
чем к дьюару и градиометру, так как рефрижератор обычно содержит дви-
жущиеся детали.
То, что проблема создания такого микро рефрижератора разрешима, бы-
ло прекрасно продемонстрировано Циммерманом [81]. Схема его микро-
рефрижератора показана на рис. 14. Масса аппарата около 10 кг, он весь
сделан из немагнитных материалов — фибергласса, нейлона, компрессор —
из дюралюминия. Электромотор привода мощностью 50 Вт расположен на
расстоянии 1,5 м от сквида. В рефрижераторе находится лишь небольшое
количество гелия в замкнутом цикле. Уже через 15 мин после включения
сквид приобретает температуру 7 К. Циркуляция газа в системе обеспечи-
вается возвратно-поступательным движением профилированного вытесни-
теля из нейлона. В дальнейшем в конструкцию микрорефрижератора был
внесен ряд усовершенствований [330]. Механический привод к рефрижера-
тору был заменен на пневматический, что позволило поставить электро-
мотор на удалении и тем самым уменьшить магнитные наводки. Цилиндр и
поршень компрессора были сделаны керамическими, без смазки, которая
могла бы загрязнить внутренний объем микрорефрижератора. Нейлоновый
вытеснитель был заменен на пустотелый из фибергласса, т.е того же мате-
риала, что и окружающая его стенка, которая, в свою очередь, имела внутри
диффузионный барьер из титановой фольги толщиной 30 мкм. Число ступе-
ней вытеснителя доведено до пяти. Все это позволило уменьшить магнит-
ные помехи при работе микро рефрижератора и повысить его надежность.
В этом микро рефрижераторе используется сравнительно эффективный
метод охлаждения по циклу Стирлинга, когда тепловая энергия отдается
58
газом многоступенчатому поршню. Многоступенчатость нужна, чтобы
охлаждение проходило одновременно на разных температурных .уровнях,
и пределом оптимизации в этом направлении будет конический пор-
шень [82]. Такая схема позволяет на сравнительно маломощной установке
охлаждать до гелиевой температуры довольно массивные ВЧ-сквиды с за-
метным теплоподводом по радиочастотному кабелю. Рассматриваемый
микро рефрижератор достигает температуры 7 К, имея при этом еще 1 мВт
хладопроизводительности. Это уже позволяет пользоваться сквидом. Одна-
ко для стабильного температурного режима работы сквида желательно
достигнуть температуры ожижения гелия 4,2 К. Но трудности охлаждения
прогрессивно растут при подходе к этой температуре, хак как рабочее
тело — газообразный гелий — становится неидеальным, и эффективность
процесса охлаждения падает. Исследуется возможность использования
в микро рефрижераторе легкого изотопа гелия 3Не, проявляющего
неидеальность при более низкой температуре.
Очень важно, что такой микрорефрижератор с замкнутым циклом может
работать в любом положении, в том числе ’’вверх ногами”, что очень суще-
ственно для многих видов измерений. Применяемые ныне дьюары с жид-
ким гелием таким достоинством не обладают.
Работа механического микрорефрижератора связана с возвратно-посту-
пательным движением большого поршня и периодическим изменением
давления, что неизбежно приводит к вибрациям. При работе в земном маг-
нитном поле они служат источником помех, достигающих 0,5 нТл в полосе
от 0 до 1 Гц. Такие помехи резко ослаблялись при работе в экранированной
комнате, защищающей от земного магнитного поля. Возможен и более
доступный метод борьбы с этими помехами, который использует периодич-
ность колебания поршня: помеху с четко определенным спектром можно
устранить соответствующей электронной фильтрацией. Если магнитные
измерения проводятся периодически, то возможным вариантом будет вы-
ключение микрорефрижератора на время измерения, в течение которого
будет расходоваться холод, запасенный за время работы компрессора.
Существует и другое направление в разработке микрорефрижератора —
на этом направлении проблема вибраций отходит на задний план, так как
движущихся деталей в устройстве не предполагается. Более того, размеры
рефрижератора становятся столь малыми, что по аналогии его можно
назвать ’’нано-” или даже ’’пикорефрижератором”, так как он относится
к микрорефрижератору Циммермана так же, как тот к своим предшествен-
никам. Пионер исследований в этом направлении Литтл называет свои изде-
лия ’’микроминиатюрными” рефрижераторами [83]. Их конструкция исхо-
дит из элегантной идеи объединения в одном блоке ступени охлаждения и
самого сквида. Для поддержания при гелиевой температуре ничтожного по
массе тонкопленочного сквида достаточно охлаждающего газа, протекаю-
щего по трубочке диаметром в доли миллиметра. Теплообменник такого
размера разумно сделать в том же фотолитографическом процессе, что и
сквид. На пути к осуществлению этой идеи был установлен целый ряд
технических требований к подобному рефрижератору и проверены особен-
ности его функционирования. Оказалось, что традиционный для фотолито-
графии материал кремний имеет слишком высокую теплопроводность,
и его пришлось заменить стеклом. Вместо химического травления канавок
59
Рис. 15. Микроминиатюрный рефрижератор Литтла [83], изготовленный методом
фотолитографии. В нем достигается температура 83 К
в стекле пришлось использовать абразивное с помощью воздушной струи.
Склейка стеклянных пластин была заменена на сварку с помощью более
легкоплавкого стекла. Поскольку развитие микроминиатюрных рефриже-
раторов находится лишь в начальной стадии, несомненно, последует еще
много технических находок.
В микроминиатюрном рефрижераторе для охлаждения используется
процесс Джоуля - Томсона. Газообразный азот под давлением 120 атм
проходит по каналу с сечением 20 X 50 мкм2, в котором охлаждается
обратным потоком низкого давления, текущим по каналу большего сече-
ния, а на конце дросселируется через тонкий капилляр 7 X 50 мкм2. После
дросселя достигается температура 88 К. При 100 К хладопроизво дител ь-
ность устройства 25 мВт, расход газа 2,5 мг/с. Запуск от комнатной темпе-
ратуры занимает всего 30 с. Микроминиатюрный рефрижератор столь
мал (рис. 15), что позволяет охлаждать образцы прямо на приборном
столике микроскопа. Он может быть встроен даже в стандартный корпус
для микросхемы. Очевидным дальнейшим развитием этого направления
будет комбинация из нескольких подобных ступеней, что позволит достиг-
нуть температур, необходимых для работы тонкопленочных сквидов. Для
охлаждения био магнито метра разрабатывается четырехступенчатый микро-
рефрижератор такого типа. В нем используется фреон, азот, водород и ге-
лий. В работе [331] сообщалось о получении температуры 50 К на уровне
водородной ступени. Подключение гелиевой ступени обещает понижение
температуры до 10 К.
К недостатку ’’литографического” рефрижератора можно отнести невы-
сокую эффективность используемого цикла охлаждения, что требует
более высокого входного давления и сравнительно большого расхода газа.
Если же газ пускать по замкнутому циклу, то очень серьезные требования
60
предъявляются к компрессору, так как он должен быть мал по размеру,
чтобы не создать диспропорции с размером самого рефрижератора,
и очень стоек к износу — ведь попадание пыли в тончайшие капилляры
микрорефрижератора грозит полным выходом прибора из строя.
При работе рефрижератора от баллона высокого давления тоже следует
применять очень чистый и сухой газ и пропускать его через фильтры во
избежание поломки прибора.
В разработке надежного микро рефрижератора еще много проблем, но
уже сделаны первые шаги, и несомненно, что дальнейшая отработка приве-
дет к созданию портативного, автономного сквид-магнитометра, практиче-
ские приложения которого будут чрезвычайно широки, в том числе для
биомагнитограф ии.
2.6. Сравнение сквид-магнитометров с магнитометрами других типов
Сквид-магнитометры представляют собой измерители магнитного поля,
по чувствительности заметно опережающие несверхпроводящие приборы.
Однако простота последних и отсутствие в них криогенных жидкостей
делает применение несверхпроводящих магнитометров разумным при изме-
рении сравнительно больших сигналов.
Наиболее прост индукционный магнитометр, чувствительным элементом
которого служит катушка с десятками тысяч витков, но он реагирует лишь
на переменные сигналы, причем порог чувствительности линейно падает
с частотой. Тем не менее именно с помощью индукционного магнитометра
были проведены первые записи магнитокардиограммы [84, 85]. Введение
ферритового сердечника в катушку позволяет получить порог чувствитель-
ности 0,3 пТл/\/Гц при 10 Гц [86]. Пространственное разрешение такого
прибора невелико из-за большого размера катушки.
Значительно более компактен феррозондовый магнитометр. Его чувстви-
тельный элемент - стержень из материала с высокой магнитной восприим-
чивостью (типа пермаллоя) диаметром в несколько миллиметров и длиной
порядка сантиметра. Компонента внешнего поля, параллельная стержню,
сдвигает рабочую точку из положения симметрии на кривой намагничива-
ния, и это регистрируется с помощью подмагниченных катушек. Этот
небольшой и удобный в работе прибор с уровнем шумов 30 пТл/\/Гщ
если говорить о биомагнитных приложениях, позволяет проводить кон-
троль загрязнения легких магнитной пылью [87, 88]. Усовершенствование
приборов для целей космических исследований позволило добиться порога
чувствительности 1,5 пТл / \/Гц~ с ростом шума ниже 1 Гц [89].
Лучшей чувствительностью обладает магнитометр на парах цезия, исполь-
зующий явление оптической ориентации атомных спинов в магнитном
поле [90]. Пары находятся в стеклянной ампуле объемом в несколько
десятков см3. Малые изменения магнитного поля сдвигают резонансную
частоту поглощения оптического излучения накачки.
Шум прибора составляет 150 фТл/л/Гц для частот ниже 40 Гц, что
позволяет получать, в частности, магнито кардиограммы хорошего качест-
ва. К недостаткам прибора относится, во-первых, большой объем датчика,
что затрудняет измерение поля с высоким пространственным разрешением,
61
10724 Дж/Гц,
2-10“25 Дж/Гц,
2-IO’25 Дж/Гц,
10’27 Дж/Гц=1,5-106 /г.
а во-вторых, необходимость работать во внешнем магнитном поле, обычно
земном, поэтому фактически измеряется лишь добавка, параллельная
земному магнитному полю. Это не дает возможности применять оптический
магнитометр в помещении, экранированном от земного поля, и затрудняет
многокомпонентную съемку. Но прибор удобен в обращении, обладает
достаточно высокой чувствительностью, что делает его предпочтительным
при решении ряда задач.
Все рассмотренные приборы, Являющиеся как бы ’’ближайшим окруже-
нием” сквид-магнитометра, можно использовать с градиометрическим
датчиком в качестве чувствительного элемента, что представляет собой
одно из средств борьбы с шумами, однако построение градиометра второго
порядка выполнимо уже не всегда просто.
Сравним несверхпроводящие магнитометры с градиометром второго
порядка, производимым фирмой SHE [12] и имеющим собственный шум
50 фТл/ \/Гц. Разница, казалось бы, не столь радикальна, однако надо
учесть, что эта чувствительность достигнута с плоской приемной петлей
диаметром 2,7 см. Если же сравнивать энергетические чувствительности при-
боров е*, куда входит эффективный объем чувствительного элемента
(см. § 1.6), то мы получим:
для катушки с ферромагнитным сердечником
для лучшего феррозондового магнитометра
для лабораторного магнитометра на парах цезия
для коммерческого сквид-магнитометра
Ранее упоминалось, что сквид сам по себе может обеспечить квантовый
предел чувствительности /г, а с трансформатором потока практически удоб-
ных размеров — до 707г для малых сигналов и 1000 h для’’больших” сиг-
налов (порядка кванта потока) [48]. Включение такого сквида в маг-
нитометр позволило получить порог чувствительности к магнитному
полю 4 фТл/\/Гц. Работать на этом уровне шумов можно лишь в магнитно-
экранированной комнате высокого качества [7].
В заключение сравним между собой рабочие характеристики приборов,
используемых лабораториями, продуктивно работающими в области био-
магнетизма. Наиболее существенны порог чувствительности к магнитному
полю, размер (площадь) приемной петли, определяющий пространственное
разрешение прибора, и граничная частота, с которой в приборе начинает
проявляться 1//-шум.
Коэн с сотрудниками применили в ферромагнитноэкранированной ком-
нате магнитометр площадью 6,2 см2, имеющий порог чувствительности
10 фТл/л/Гц* для частот выше 1 Гц [91]. В аналогично экранированной
комнате в Западном Берлине также используется магнитометр площадью
7,2 см2 с уровнем шумов 15 фТл/ л/ГпТ выше 0,02 Гц [92]. Циммерман
принимал сигнал прямо на ВЧ-сквид с расстоянием между отверстиями
4 см и уровнем шумов 15 фТл / V Гц [64]. Фаррел с сотрудниками работа-
ли в сельской местности с градиометром с очень большими петлями -
19,6 см2, что обеспечивало низкий уровень шумов - 6 фТл/л/Гц, правда,
1//-шум проявлялся уже при 10 Гц [91]. Канадские исследователи
62
(Врба и др.) пользуются градаометром третьего порядка с площадью пет-
ли 3,8 см2 и порогом чувствительности 50 фТл/х/Гц выше 1 Гц [55].
В лаборатории Катила Технического университета Хельсинки (Финляндия)
используется несимметричный градиометр с площадью приемной пет-
ли 3 см2, порогом чувствительности 20 фТл/ \/Тц и проявлением 1//-шума
ниже 2 Гц [91]. В ИАЭ им. И.В.Курчатова работает не диагональный
градиометр с площадью приемной петли 1,5 см2 и уровнем шумов
35 фТл/х/ТТ [63]. В ФТИНТ АН УССР изготовлен градиометр Вто-
рого порядка с площадью петли 6 см2 и порогом чувствительности
100 фТл/х/Гц [76]. В лаборатории Лоунасмаа создан четырехканальный
сквид-градиометр, шумы которого для трех каналов 22 фТл/ х/Гц?
а для четвертого 15 фТл/ VГц" Площади петель - соответственно
1,5 и 3 см2 [68].
Во всех упомянутых приборах применяются ВЧ-сквиды с рабочей часто-
той 20-30 МГц.
В лаборатории Катилынабазе низкошумящего ПТ-сквида [12] изготов-
лен градиометр, имеющий уровень шума 5 фТл/х/Гц при площади прием-
ной петли И см2 [332]. Сквид постоянного тока поставлен в градиометр
второго порядка в Иене (ГДР). Имея диаметр петель 26 мм, он обеспечи-
вает порог чувствительности 70 фТл/ х/ Гц [93].
Пять приемных каналов с ПТ-сквидами в градиометрах второго
порядка имеются в девятиканальной сквидовской системе, разрабо-
танной фирмой ’’Байомагнетик Текнолоджи” для нейро магнитной лабора-
тории Нью-Йоркского университета. Диаметр петель 25 мм, уровень
шума 20 фТл/ >/Гц для частот выше 0,2 Гц [69].
Во многих лабораториях применяется градиометр второго порядка,
изготовленный фирмой SHE, уровень его шумов 50 фТл/ х/Гщ диаметр
приемной петли 25 мм, граница 1//-шума 0.1 Гц. Градиометр выпускается
как с ВЧ-сквидом (рабочая частота 20 МГц), так и с ПТ-сквидом [12].
Эта сводка данных по состоянию на 1984 г. характеризует приборы,
с которыми уже можно эффективно экспериментировать в области био-
магнитных и даже нейро магнитных сигналов. Ввиду быстрого прогресса
сквид-приборостроения эти данные отражают состояние разработок лишь
в определенный период времени.
ГЛАВА 3
БОРЬБА С МАГНИТНЫМИ ШУМАМИ
Описывая различные типы градиометров, мы говорили, что сама их кон-
струкция подчинена борьбе с внешними помехами. Однако и градиометры
целесообразно использовать в магнитно спокойной обстановке. Для борьбы
с помехами важен выбор места проведения экспериментов. Уже в сущест-
вующем окружении разумно произвести магнитное картирование и выяс-
нить источники и спектры шумов. Даже на небольшой территории, скажем,
института или клиники, могут быть зоны, различающиеся по шуму в 100 раз.
Характерные уровни шумов показаны на рис. 1. В зависимости от выбо-
ра места измерений локальный шум будет иметь величину между город-
ским и геомагнитным шумами. Градиенты шумовых полей имеют ту же
частотную зависимость, что и сами поля, и для городских помещений
составляют примерно 100 пТл/ (м • %/Гц) при частоте 1 Гц. Шумовой гради-
ент сетевой наводки достигает 20 нТл/м [7, 91, 94]. Сильнейшие помехи
создают электрифицированные железные дороги - до 50 нТл с градиентом
0,02 нТл/м на расстоянии 3 км (частоты ниже’1 Гц) [95]. Даже сравни-
тельно удаленные места могут быть не лишены индустриального ’’магнит-
ного загрязнения”. Эти магнитные поля создаются токами заземления,
распределение которых трудно предсказуемо. Они зависят от электро-
проводности поверхностного слоя земли и наличия концентраторов тока,
таких как рельсы, кабели, трубы.
Магнитные шумы порождаются также вибрациями деталей из магнит-
ных материалов. Поля от стальных конструкций иногда достигают 60 мкТл,
что превышает земное поле, с градиентами до 10 мкТл/м. Типичные значе-
ния скоростей вибраций в домах 1 — 30 мкм/ (с • \/Гц) для частот ниже
50 Гц [94] (амплитуда вибрации вычисляется как отношение скорости
к угловой частоте сс). В городе магнитные помехи обычно сильно умень-
шаются в ночное время - до 10 раз в полуночные часы, особенно с воск-
ресенья на понедельник.
Работа со слабыми сигналами требует строгого соблюдения правил
’’магнитной гигиены”: надо всячески избегать накопления ферромагнит-
ных материалов вблизи места измерений и установки поблизости электри-
ческих машин (вентиляторов, насосов, станков), а также исключить воз-
можные движения и вибрации тех магнитных материалов, которые не уда-
ется убрать.
Соответствующая постановка эксперимента, а именно сужение час-
тотной полосы приема и накопление сигналов от повторяющихся процес-
сов, характерных для живых организмов, позволяет работать и при срав-
нительно высоком уровне шумов. Этот метод обычно используется при
64
исследовании мозга. На низких частотах с помощью дополнительного маг-
нитометра можно уменьшить влияние шума, если внешние возмущения
будут им приниматься и, с соответствующим уменьшением и фазовым
сдвигом, вычитаться из сигнала, получаемого измерительным градиомет-
ром [96]. Этот принцип положен в основу работы девятиканального нейро-
магнитометра [69].
Для фильтрации внешних помех существенно, чтобы магнитометр рабо-
тал в режиме с обратной связью (см. § 1.3). Спектры измеряемого сигнала
и шумов часто различны, но сквид как широкополосный прибор принимает
и те и другие, причем если помеха больше кванта потока, то слабый сигнал
не удается выделить. Обратная связь линеаризует отклик прибора, поэтому
сигнал может приниматься вместе с большой помехой, которая в дальней-
шем убирается фильтрами (например, на частоте 50 Гц и на гармониках
или на очень низких частотах). Обратная связь должна успевать отсле-
живать внешнее возмущение, т.е. обладать достаточным быстродейст-
вием. Хороший магнитометр позволяет без нарушения обратной связи
регистрировать сигналы, меняющиеся со скоростью до 4 • 10“3 Тл/с на час-
тоте до 6 кГц [49].
И все-таки перечисленные методы недостаточны для того, чтобы прово-
дить многие измерения сигналов с амплитудой вблизи предела чувстви-
тельности сквида. В то же время несомненно, что биомагнитные исследо-
вания, особенно на мозге, поставят задачи именно на пределе чувствитель-
ности сквида. Отметим интересную особенность применения градиометров
для нейромагнитных исследований. При приеме слабых сигналов от мозга
помехой будут не только внешние возмущения, но и собственные магнит-
ные сигналь! организма - от сердца, мышц, глаз. Тогда, вероятно, пона-
добятся приборы, фильтрующие и эти виды помех, а не обычного типа
градиометры. В любом случае нейро магнитные эксперименты требуют
радикальных методов борьбы с шумами, а именно — экранирования от
магнитных помех в большом объеме, в который можно поместить иссле-
дуемый объект вместе с чувствительной измерительной аппаратурой. Это
так называемые экранированные комнаты, о которых уже упоминалось и
четыре типа которых описаны ниже.
3.1. Ферромагнитные экраны
Ферромагнитный экран - это наиболее употребительный тип магнит-
ной защиты в технике. Действие его основано на том, что магнитный поток
через сечение экрана концентрируется в стенках с высокой магнитной
проницаемостью, как показано на рис. 16, и тем самым ослабляет поле
во внутреннем пространстве. Уменьшение внутреннего поля (в случае,
когда Явнутр ^внешн) дается выражением -^внутр /Фвнешн ^/(^д) > где
D — диаметр экрана, а - толщина стенки, д - магнитная проницаемость
материала стенки. Экранировка тем лучше, чем выше проницаемость,
которая может достигать 100 тыс. у сплавов типа мю-металл или пермал-
лой [97].
Кажущееся из формул очевидным улучшение экранировки при увели-
чении толщины стенки не является оптимальным решением, много боль-
ший эффект дает применение многослойных экранов с промежутками меж-
65
Рис. 16. Иллюстрация принципа магнит-
ного экранирования с помощью материа-
ла с высокой магнитной проницаемо-
стью. Силовые линии магнитного поля
концентрируются в стенках ферро маг-
нитного экрана, ослабляя поле внутри
экрана. Показано распределение поля
вокруг длинной трубы из ферромагнит-
ного материала
ду слоями. Тогда общий коэффици-
ент экранировки получается пе-
ремножением коэффициентов от-
дельных слоев, если зазоры между
слоями досгаточно велики [98].
Именно этот принцип положен в ос-
нову конструкции ферромагнитных
комнат, обладающих наилучшими
экранирующими свойствами. По-
строены четыре таких комнаты с
внутренним объемом, превышаю-
щим 2 X 2 X 2 м3, что позволяет
размещать внутри них испытуемых (пациентов), измерительную аппарату-
ру и оператора (рис. 17). В начале 70-х годов под руководством Д.Коэна бы-
ла построена первая такая комната в Массачусетском технологическом ин-
ституте (МТИ, США) [99, 100]. В начале 80-х вступили в строй комнаты в
Финляндии [101], Западном Берлине [102] и Японии [103]. Все они приме-
няются главным образом для проведения биомагнитных исследований. Каж-
дая имеет конструктивные особенности, которые мы сейчас и рассмотрим.
В качестве экранирующего материала используется мю-металл или пер-
маллой, которого на одну комнату нужно несколько тонн. В промышлен-
ных количествах производится мю-металл с магнитной проницаемостью
30 тыс., реальный разброс для отдельных образцов от 10 тыс. до 70 тыс.
[101]. Из листов такого материала толщиной около 1 мм и требуется
собрать комнату. С точки зрения экранировки выгодно, чтобы комната
имела форму, близкую к шару (см. рис. 16) Поэтому комната Коэна с
характерным внутренним размером 2,8 м представляет собой многогран-
ник, получающийся из куба срезанием вершин и ребер (рис. 17).
Однако это усложняет конструкцию, и последующие комнаты в Хель-
синки и Зап. Берлине имели форму куба — для упрощения технологии
сборки. А технология эта и без того не проста из-за неприятного свЬйства
материалов с высокой магнитной проницаемостью типа пермаллоя ухуд-
шать свои магнитные характеристики при деформациях и перегревах.
Это исключает возможность изгиба, штамповки или сварки листов, кото-
рые из-за своей мягкости легко деформируются даже под собственным ве-
сом. И после сборки, в процессе эксплуатации комнаты недопустимы удары
и нагрузки на листы экрана.
При строительстве комнаты в Хельсинки основным сборочным эле-
ментом был ’’сэндвич” размером со стену комнаты, устроенный следую-
66
щим образом. На квадратный лист алюминия толщиной 5 мм осторожно
укладывались в два слоя полосы мю-металла толщиной Л мм и шириной
около полуметра (в одном слое полосы шли вдоль, в другом поперек).
Сверху накладывался другой алюминиевый лист, просверливались отвер-
стия и ставились заклепки. В результате получался жесткий элемент, в кото-
ром механические нагрузки принимал на себя алюминий и с которым
можно было манипулировать. Помимо механических функций алюми-
ниевые листы выполняют роль защиты от высокочастотных электромаг-
нитных помех, аналогично действию экранов из материалов с высокой
электропроводностью, рассмотренных в § 3.3. Замыкание магнитного
потока в стыках по ребрам куба осуществляется с помощью специальных
уголков из мю-металла. Стены-сэндвичи навешивались на сварной алюми-
ниевый кубический каркас по три с каждой из четырех сторон. Так же
устроены потолок и пол. Подобным образом сделаны и плотно прижима-
ющиеся двери во входном проеме. Их две — одна во внутреннем, другая
в наружном слое. Всего использовано 4 т алюминия и 3 т мю-металла.
Внутренний объем комнаты 2,4 X 2,4 X 2,4 м3. Комната в Зап. Берлине
собрана по-другому. Опорой для листов из мю-металла служат блоки
пенопласта размером в стену комнаты и толщиной 200 мм. Ферромаг-
нетик крепится к одной стороне блока, на другой стороне, для жесткости,
укреплен лист металла толщиной 1,3 мм. В наружных слоях экрана, где
магнитное поле выше, используется немагнитная нержавеющая сталь, во
внутреннем слое, где требование к немагнитности выше, — латунь. В общей
Рис. 17. Внешний вид ферромагнитноэкранированной многослойной комнаты, исполь-
зуемой для биомагнитных измерений в Массачусетском технологическом институте
67
сложности каждая грань комнаты состоит из шести слоев. Всего исполь-
зовано Ют мю-металла и столько же по массе других материалов. Кроме
того, внутри всего сооружения располагается массивный медный куб
(масса 5 т), сваренный из листов толщиной 15 мм. Он играет роль высо-
кочастотного экрана с внутренним объемом 2,25 X 2,25 X 2,25 м3. Внутри
него и проводятся эксперименты. Применение пенопласта преследовало
две цели. Он должен электрически изолировать друг от друга разнород-
ные металлы, чтобы исключить появление термоэлектрических токов в
стенках экрана из-за разности температур в разных точках. Такие токи могут
давать заметные квазипостоянные мешающие магнитные поля. С другой
стороны, пенопласт обеспечивает температурную стабильность экрана.
Температура поддерживается постоянной путем продувания кондицио-
нированного воздуха в между стенном пространстве. При строительстве
комнаты выяснилось, что локальные изменения температуры мю-металла
могут вызвать магнитные возмущения внутри экрана. Так, приближение
руки к стенке внутреннего слоя, собиравшегося первым и находившегося
еще в сравнительно большом внешнем поле, регистрировалось при-
борами. Постройка последующих слоев и стабилизация температуры устра-
нили этот эффект. Пенопласт также ослабляет внешний шум, что необхо-
димо для ряда нейрофизиологических и других экспериментов.
В японской ферромагнитно экранированной комнате в качестве опор
для листов пермаллоя применены деревянные рамы. В ней два слоя пер-
маллоя толщиной 2 мм, три слоя алюминия толщиной 5 мм и для защиты
от радиочастотных помех три слоя медной фольги 0,035 мм.
Для устранения нагрузок на листы экрана все экранирующие комнагы
снабжены полом, механически развязанным от стен. Чтобы не передавать
на экран вибрации, связанные с работой внутри комнаты, обычно пол
опирают на столбы, проходящие сквозь отверстия в нижней грани экрана.
Опоры в той или иной мере снабжены антивибрационной защитой, напри-
мер, в Хельсинки они замурованы в скальный фундамент. Защита от виб-
рации связана и с необходимостью уменьшить магнитные помехи внутри
комнаты, которые возникают из-за присутствия в ней остаточных магнит-
ных полей.
Следует быть осторожным в применении для био магнитографии упро-
щенных ферромагнитноэкранированных комнат, которые изготовлялись
в большом числе для других целей. Не обеспечивая необходимой степени
защиты от внешних возмущений, они вносят сравнительно сильные гради-
енты постоянного магнитного поля из-за остаточной намагниченности ма-
териала экрана, а это в силу неизбежных вибраций измерительного при-
бора относительно комнаты сводит на нет все преимущества градиометра.
Циммерман столкнулся с большими вибрационными проблемами в такой
упрощенной комнате [38]. Такие же трудности пришлось преодолевать в
комнате Стенфордского университета [104]. Собственно говоря, эта же
проблема существует и в обсужденных наиболее совершенных экраниро-
ванных комнатах, остаточное поле в которых примерно 5 нТл (сравните с
земным полем 60 мкТл) с градиентами порядка 1 нТл/м. Чтобы достигнуть
такого уровня, применяется процесс размагничивания экрана с помощью
специальных катушек, намотанных вдоль ребер комнаты. Направление раз-
магничивающего поля этих катушек лежит в плоскости стен. Применяются
68
системы катушек, дающие размагничивающее поле в двух взаимно перпен-
дикулярных направлениях на каждой стенке. В катушки подается пере-
менный ток, обычно с частотой сети, создающий небольшое, сравнимое с
земным магнитное поле. Затем амплитуду этого поля постепенно умень-
шают до нуля, благодаря чему остаточная намагниченность материала
экрана уменьшается. Поскольку неизбежны те или иные неоднородности
материала экрана, остаются участки, которые и после этой обработки
имеют заметную намагниченность. Их приходится размагничивать "вруч-
ную” с помощью переносной катушки, подносимой к этому участку. Про-
цесс размагничивания многослойной комнаты достаточно сложен и занима-
ет продолжительное время, тем более что остаточная намагниченность имеет
тенденцию ’’ползти” в течение нескольких суток. В процессе эксплуатации
комнаты качество поля внутри экрана тоже заметно деградирует, что тре-
бует периодического повторения процедуры размагничивания. Естественно,
наиболее строгие требования предъявляются к внутренним слоям, в основ-
ном к самому первому. Наоборот, качество материала наружного слоя,
находящегося в сравнительно сильном земном поле, может быть не столь
высоким.
Практически оказывается, что и малые поля на уровне нанотесла все
же мешают проведению экспериментов очень высокой чувствительности,
например при магнитных исследованиях мозга. Приходится жестко кре-
пить измерительный сквид-магнитомегр (градиометр) к магнитному эк-
рану, одновременно жестко фиксируя голову испытуемого, что весьма
неудобно. Для надежного приема сигналов от резко локализованных ис-
точников в мозге нужно, чтобы градиометр был жестко прикреплен не к
магнитному экрану, а к голове субъекта - с неизбежными при этом виб-
рациями относительно поля комнаты. Задачу можно решить, лишь соз-
дав экраны, внутри которых остаточные поля и их градиенты сведены до
уровня, не вызывающего заметных шумов при качаниях прибора.
Для уменьшения остаточных полей и их градиентов применяют специ-
альный прием — ’’шейкинг”, или магнитную тряску, осуществляемый
тоже с помощью катушек размагничивания. Прием состоит в том, что
во время проведения экспериментов материал экрана непрерывно пере-
магничивают на определенной частоте, чтобы магнитные домены непре-
рывно находились в движении. Шейкинг в несколько (3-7) раз увели-
чивает магнитную проницаемость, так как ослабляет эффекты ’’зацепле-
ния” магнитных моментов доменов на неоднородностях структуры маг-
нетика. Этот процесс, конечно, вызывает сильный шум, но только на одной
частоте и ее гармониках, что можно устранить узкополосными фильтрами.
Обычно шейкинг применяют на частоте сети (50 или 60 Гц). Установка
медного толстостенного куба в самой середине экрана западноберлинской,
комнаты как раз служит цели защиты от сильной наводки (50 Гц), связан-
ной с шейкингом.
Опубликованные уровни экранировки К3 = 6^внешн/6Ввнутр от магнит-
ных возмущений следующие.
В комнате Массачусетского технологического института К3 « 104,
так что в диапазоне частот от 1 до 5000 Гц магнитный шум не превы-
шает порога чувствительности используемого в МТИ сквид-магнитометра
(8 фТл/\/Гц).
69
В комнате Низкотемпературной лаборатории Технического университе-
та Хельсинки Кэ составляет несколько десятков тысяч в том же частотном
диапазоне, но экранировка резко ухудшается для очень низких частот:
при 0,1 Гц Кэ * 300. Поэтому для устранения ультранизкочастотных помех
используется система активной защиты (см. §3.4), дающая увеличение
экранировки примерно в 30 раз при 0,1 Гц. Однако низкочастотный шум
при этом убывает лишь втрое, что позволяет предположить, что заметная
часть шумов порождается самой комнатой.
В западноберлинской комнате достигнут очень высокий коэффициент
экранировки на низких частотах: Кэ % 104 при 0,1 Гц, Кэ 105 при 2 Гц
и Кэ 106 при 1000 Гц. Шум в этой комнате не превышает 15 фТл/х/Гц?
Для комнаты в Ибараки (Япония), наиболее упрощенной из рассматри-
ваемых, сообщается лишь коэффициент экранировки при 50 Гц, а именно
Кэ * 104.
Существенное влияние на экранирующие свойства комнаты оказывает
конструкция двери. Это довольно большой по размеру проем в стене,
и если он просто открыт, это ухудшает экранировку более чем в-100 раз.
Наличие двери лишь в одном из слоев дает уровень экранировки, вдесятеро
меньший максимально возможного. Обычно применяют две двери. Они
должны плотно прилегать своими ферромагнитными слоями к соответст-
вующим слоям стенки. Это достигается применением механических при-
жимных устройств или пневматическим прижатием за счет некоторого
снижения давления воздуха внутри комнаты с помощью вентиляционной
системы (Зап. Берлин). Кстати, качество вентиляции в таких комнатах
сравнительно небольшого размера должно быть очень хорошим, так как
в них часто проводятся длительные измерения на людях. При недостатке
свежего воздуха они могут превратиться в пытку. Вход в западноберлин-
скую комнату дополнительно снабжен ферромагнитноэкранированным
туннелем длиной 2,3 м, который уменьшает проникновение помех сквозь
дверь, где качество экранировки заметно ниже.
Наличие отверстий в экранах неизбежно - это дверь, вентиляционные
отверстия, каналы ввода кабелей и проводов, отверстия для опор пола,
механически развязанных от материала экрана. Влияние малых отверстий
может быть оценено по формулам проникновения поля в ферромагнитную
трубу [105]. Параллельная продольной оси х трубы компонента поля убы-
вает при перемещении внутрь трубы как
Bt(x) = Явнешнехр(-4,5х/Р),
а поперечная еще быстрее:
Вг(х)* /?®нешнехр(—7x/Z>).
Здесь D—диаметр трубы, в нашем случае —отверстия, а— расстояние от него*).
До сих пор мы рассматривали экранирующие свойства комнат в сравни-
тельно низкочастотном диапазоне, до 1000 Гц. Обычно предполагается, что
*)Обратим внимание, что внутри ферромагнитного экрана поперечная компонента
поля убывает быстрее, чем продольная. В рассмотренном ниже случае сверхпроводя-
щего экрана, наоборот, продольная компонента убывает быстрее. Это отражает разли-
чие в физических принципах, лежащих в основе эффекта магнитного экранирования
в том и другом случае.
70
с увеличением частоты экранировка металлическим экраном только улуч-
шается — благодаря экранирующим токам. Это действительно так, если
не допущены ошибки при вводе в комнату проводов и кабелей для целей
эксперимента. Они могут служить антеннами, проводящими радиочастот-
ные помехи внутрь. Чтобы избежать этого, необходимо тщательно заземлять
экранные оболочки кабелей и применять радиочастотные фильтры на
каждом электрическом вводе. Самый безобидный проводник может доста-
вить много хлопот. Вообще не рекомендуется загромождать экранирован-
ную комнату различным оборудованием. При тонких измерениях в ней
должен находиться лишь объект исследования и минимум измерительной
аппаратуры, обычно только предусилитель сквида. Освещение и зритель-
ная информация могут быть переданы по световодам из стеклянных во-
локон.
Ферромагнитное экранирование применяется при магнитных измерениях
и другим способом. В экраны небольшого размера помещают приборы,
необходимые для проведения эксперимента (лампы-вспышки, электро-
моторы и т.п.), если они создают при работе сильные магнитные возмуще-
ния. Тем самым их магнитное влияние на измерительный сквид-магнито-
метр устраняется.
Следует отметить появление нового материала для магнитного экрани-
рования — ткани из тонких нитей или лент ’’металлического стекла” (мет-
гласса) [106]. По своим магнитным свойствам метглассы близки к пер-
маллою, но лишены излишней чувствительности к механическим воздейст-
виям. Полотно, сотканное из метгласса, допускает изготовление мягкого
экрана произвольной формы. Такой материал может оказаться чрезвычайно
полезным для экранировки различной аппаратуры. Если его можно будет
производить в больших количествах, то можно предвидеть появление
новых многослойных экранированных комнат, конструкция и технология
изготовления которых будут много проще, чем ныне существующих.
Следовательно, и стоимость их будет меньше.
Многослойная ферромагнитно экранированная комната - это сложное
и дорогостоящее сооружение. Комната в МТИ появилась в результате эво-
люции более простых ферромагнитных экранов, созданных Д. Коэном.
Комната в Хельсинки строилась шесть лет и обошлась примерно в полмил-
лиона долларов, включая стоимость трех тонн мю-металла и оборудования.
Комната в Зап. Берлине — это фактически целый магнитоизмерительный
комплекс. Он размещен в зале площадью 400 м2, оснащен пультом управ-
ления, системой обработки данных, работающей от батарейных источников
питания, и вычислительной машиной Хьюлетт-Паккард 1000 F. Имеются
комнаты подготовки испытуемых и образцов, пункт экспериментально-
клинического контроля пациентов и система кондиционирования воздуха.
Собственно, каждая из магнитноэкранированных комнат высокого качест-
ва превращается в крупный научно-исследовательский центр, оснащенный
разнообразным дополнительным оборудованием и способный решать
любые магнитометрические задачи на сквидовском уровне чувствитель-
ности. Сейчас это в основном биомагнитные, в ближайшем будущем — ней-
ромагнитные исследования.
71
3.2. Сверхпроводящие экраны
Хорошую изоляцию от магнитных помех дают сверхпроводящие экраны,
однако создание таких экранов с большим ’’теплым” объемом — сложная
техническая задача. Самый крупный из известных нам сейчас [107] пред-
ставляет собой цилиндр с внутренним диаметром 40 см и длиной около
двух метров. Окружающий этот теплый объем дьюар содержит слой свинца
толщиной 0,25 мм и расходует 6 л жидкого гелия в день. К сожалению,
тонкий слой сверхпроводника, охлажденный ниже температуры перехода
во внешнем магнитном поле, содержит области нормальной фазы с ’’вмо-
роженным” магнитным потоком. Это происходит потому, что эффект
Мейсснера (выталкивание магнитного поля из сверхпроводника) оказы-
вается неполным из-за большого размагничивающего фактора для слоя.
Захваченное экраном постоянное магнитное поле неоднородно и потому
порождает те же вибрационные проблемы, что и для ферромагнитных
экранов. В работе [107] они преодолевались тем, что экран переводился
в сверхпроводящее состояние в ферромагнитноэкранирова.нной комнате
в поле около 0,1 нТл*). Криогенные трудности при создании сверхпро-
водящего экрана с линейными размерами около 2 м, необходимого для
био магнито графии человека, преодолимы, но здесь главная проблема —
избавиться от вмороженного неоднородного поля, а пути ее негромоздкого
решения не очень ясны. Сверхпроводящие экраны малых размеров широко
используются в эксперименте. Вмороженное в них поле уменьшают тем, что
охлаждение проводят в объеме, защищенном наружным ферромагнитным
экраном, но такой путь для сверхпроводящего экрана большого размера
эквивалентен строительству еще большей ферромагнитноэкранированной
комнаты.
Подробные исследования процесса ”вмс раживания” магнитного поля
при сверхпроводящем переходе в свинцовых экранах цилиндрической
формы проводились во ФТИНТе АН УССР [108]. Частичный захват потока
объясняется тем, что в процессе перехода распространение сверхпроводя-
щей фазы и выталкивание ею внешнего магнитного поля идет неравномер-
но, и фронт распространения, будучи сильно изрезанным, иногда окружает
области нормальной фазы. Магнитный поток в этих областях и оказывается
вмороженным. Исследования показали, что коэффициент ослабления по-
стоянного магнитного поля К = 2?внешн//?внутр после перевода, экрана в
сверхпроводящее состояние тем выше, чем бездефектнее и химически
чище материал экрана и чем медленнее происходит процесс охлаждения,
который обязательно следует вести из одной точки экрана. Важно поддер-
жание сравнительно высокого градиента температуры на фронте распрост-
ранения сверхпроводящей фазы. Экспериментально были найдены пара-
метры процесса для цилиндрических свинцовых экранов с характерными
размерами: диаметр 60 мм, длина 230 мм, толщина стенки 1,5 мм. Опти-
мальный градиент температуры 0,23 К/см и скорость движения фронта
1,1 см/с. Дно экрана должно иметь закругленную форму, что в десятки
раз улучшает коэффициент ослабления внешнего поля по сравнению с
экраном в виде стакана с плоским дном. Свинец показал себя наилучшим
*)Эта комната используется в космической программе США.
72
материалом для экрана; исследованные параллельно ниобий и олово,
а также сплавы свинца оказались явно неудачными.
Ослабление внешнего поля тем больше, чем оно ниже. Для земного .
поля К составляет несколько сотен, а для вдесятеро меньшего возрастает
на порядок. С уменьшением остаточного поля улучшается и его однород-
ность. Отсюда следует необходимость предварительного ослабления внеш-
него поля какими-либо сравнительно простыми средствами (катушки
с током, ферромагнитные экраны), чтобы повысить эффективность дейст-
вия сверхпроводящего экрана. Очевидным развитием этого метода будет
применение многослойных сверхпроводящих экранов. Медленным последо-
вательным охлаждением трех вложенных друг в друга свинцовых экранов
харьковские физики смогли получить остаточное поле с индукцией меньше
0,3 пТл. Поле 0,1 нТл можно было создать даже в теплом объеме диамет-
ром 50 мм и высотой 120 мм. Вопрос о том, можно ли изготовить столь
бездефектный экран размером порядка (2,5 м)3 и провести направленный
медленный процесс его охлаждения, пока остается открытым.
Было измерено проникновение магнитного поля внутрь сверхпрово-
дящего экрана в виде цилиндра [108]. Продольная компонента поля убы-
вает с продвижением по оси цилиндра от его края (z = 0) по закону
2?z(z) = 2?zBHemHexp(—3,5 z/r),
а поперечная как
Bz(z) = В?™шпехр(—1,75z/r) ;
г — радиус цилиндра. При смещении внутрь от обреза цилиндрического
сверхпроводящего экрана продольное поле, т.е. параллельное его оси,
ослабляется в 31 раз на расстоянии, равном одному радиусу, а поле, пер-
пендикулярное оси, в 6 раз на таком же расстоянии. Это соответствует
результатам теоретического расчета [109]. Для ферромагнитного цилиндра
характер экранирования иной.
Существуют и другие способы уменьшения вмороженного поля. Если
в процессе сверхпроводящего перехода во внешнем магнитном поле экран
вращать с частотой около 1 Гц, то удается получить остаточное поле внутри
экрана, в 100 раз меньшее внешнего [107]. Это объясняется, во-первых,
тем, что снижается вероятность захвата магнитного потока на структурных
дефектах сверхпроводника, так как поле на нем переодически меняет
знак, а во-вторых, влиянием индукционных токов, наводимых в проводни-
ке, движущемся в магнитном поле, причем поле этих токов направлено
противоположно внешнему.
Испытан также метод ’’раздувающихся экранов” [54, 110], при котором
оболочка в сложенном состоянии переводится в сверхпроводящее состоя-
ние, а затем расправляется - захваченное поле уменьшается с увеличением
объема. Проводя такой процесс последовательно до трех раз, можно полу-
чить остаточное поле в несколько пикотесла в цилиндрическом объеме
диаметром 20 см и высотой до 30 см. Столь малые поля нужны дня прове-
дения экспериментов, в которых магнитное поле является мешающим
фактором, например при работе со спутниковым гироскопом или в поис-
ках магнитного монополя, о предполагаемом наблюдении которого, пока
единичном, сообщалось Кабрерой [111]. Мешающим фактором магнитное
73
Во
Рис. 18. Вид магнитного поля, "вмороженного” в тонкий
слой сверхпроводника. Силовые линии концентрируют-
ся в маленьких областях, где поле достигает критиче-
ского и сверхпроводимость нарушается Под действием
тока эти нормальные области могут двигаться в направ-
лении, перпендикулярном току
поле может быть и для ряда биомагнитных изме-
рений. Оно мешает наблюдению собственных сла-
бых постоянных полей организма, а также не до-
пускает проведения чувствительных измерений с
подвижным датчиком, в котором из-за переме-
щений в остаточном поле возникают сильные па-
разитные сигналы. Последнее важно потому, что
в перспективе нейромагнитных измерений видит-
ся применение системы сквидов, закрепленных
на голове испытуемого в виде шлема, при сохра-
нении подвижности человека.
Можно предложить способ уменьшения вморо-
женного поля, который еще не применялся для
экранировки, но может оказаться подходящим
именно для больших экранов. Он состоит в использовании явления течения
магнитного потока под действием тока в сверхпроводнике, которое иссле-
довалось на небольших образцах [112. 113].Если внешнее магнитное поле
направлено перпендикулярно тонкому слою сверхпроводника первого
рода, например свинца, то оно вмораживается следующим образом: маг-
нитный поток концентрируется в небольших областях (как показано на
рис. 18), где магнитное поле достигает критического и сверхпроводимость
нарушается. Сверхпроводящий слой становится как бы ’’изрешечен” мно-
жеством нормальных областей, каждую из которых пронизывает поток
порядка 100 Эти области обладают определенной подвижностью, и в
силу этого даже замкнутый экран из сверхпроводника, но с вмороженным
полем, не дает совершенной экранировки. Изменение внешнего поля немно-
го перераспределяет поле, захваченное внутри экрана, так как при этом
нормальные области передвигаются по экрану. Этот эффект вполне заме-
тен, если перемещать постоянный магнит вне тонкостенного свинцового
экрана, окружающего сквид-магнитометр.
Подвижность нормальных областей можно использовать для уменьшения
вмороженного поля. Если в слое пропускать ток, то на нормальные области
будет действовать сила, заставляющая их двигаться перпендикулярно
току (рис. 18). Она как бы ’’сдувает” их в сторону, вплоть до полного
выхода из образца, причем в монокристалле скорость движения может
достигать нескольких метров в секунду. В реальном поликристалле при-
меси и границы зерен резко задерживают это движение, но при плотностях
поверхностного тока ~20 А/см, вполне обычных в сверхпроводнике,
можно получить скорость движения 5 • 10'3 см/с. Одновременное наложе-
ние переменного тока частотой в несколько герц и примерно той же ампли-
туды, что и постоянный ток, резко усиливает ’’сдирание” нормальных
областей с центров захвата и ускоряет процесс ’’вытекания” потока. Этот
74
метод предъявляет высокие требования к чистоте и совершенству структу-
ры сверхпроводника. Индукционное наведение токов нужной величины
и направления вполне возможно, и если такой метод ’’размагничивания”
удастся применить к большим экранам, это будет важным шагом в созда-
нии нового поколения магнитно экранированных объемов — сверхпрово-
дящих комнат,дающих экранировку порядка 108, а возможно, и лучше.
Стоимость постройки такой комнаты, вероятно, будет раз в пять выше,
чем для ферромагнитно экранированной комнаты.
Определенный опыт в постройке больших криогенных объемов уже
накоплен. Это прежде всего большие транспортные контейнеры, вмещаю-
щие до 20 м3 жидкого гелия, но ближе всего по исполнению к большому
сверхпроводящему экрану две установки, построенные для поддержания
при гелиевой температуре массивной антенны, предназначенной для регист-
рации гравитационных волн [114]. Каждая имеет большой объем, охлаж-
денный до гелиевой температуры, в котором размещен алюминиевый
цилиндр массой около 5 т. Установки выполнены из немагнитных мате-
риалов, в основном алюминиевых сплавов, так как в качестве детектора
колебаний антенны применяется сквид. От устройства такого типа лишь
один шаг к созданию ’’теплового” объема со сверхпроводящей экраниров-
кой^ котором можно исследовать человека.
Сверхпроводящий экран имеет одно принципиально важное достоинст-
во — он обеспечивает высокий уровень экранировки для любых частот,
в том числе для очень низких, ниже 1 Гц. Именно ниже 1 Гц начинается
резкое усиление геомагнитного шума [51], а даже современные ферромаг-
нитноэкранированные комнаты часто недостаточно защищают от таких
возмущений. Сверхпроводящий экран позволит проводить исследование
процессов с периодами от Юс до суток, что даст возможность ставить
неосуществимые сейчас магнитографические и общефизические экспе-
рименты.
Для магнитных исследований мозга перспективно использование узко-
специального сверхпроводящего экрана меньшего размера в форме шлема.
Уменьшенный прототип его уже испытывался [115]. Приемная петля
сквид-магнитометра находится в узком пространстве между поверхностью
головы и экраном — такая схема резко улучшает чувствительность к близ-
ким источникам поля (в коре мозга) и, наоборот, ослабляет влияние
удаленных посторонних источников. В шлем* можно разместить несколь-
ко магнитометров для многоточечной съемки. Правда, сравнительно неглу-
бокий шлем, одеваемый на голову, не слишком эффективен для защиты
от внешних помех в сравнении с замкнутым экраном или обычно исполь-
зуемыми экранами в виде длинной трубы. Возможность практической
реализации такого шлема еще требует проверки.
3.3. Экраны из материала с высокой проводимостью
Технологически прост в изготовлении экран из металла с высокой
проводимостью. Экран представляет собой ящик, сваренный из толстых
алюминиевых листов (можно медных, но тогда он получится дороже и
тяжелее). Размеры экрана (около 2X2X2 м3) позволяют разместить
внутри него испытуемого и приемную аппаратуру. Изменение внешнего
75
поля вызывает в стенках индукционные токи, линии которых охватывают
внутренний объем. Их магнитное поле направлено противоположно внеш-
нему возмущению и частично компенсирует его. Компонента внешнего
возмущения с угловой частотой со (со - 2 я/, где f — круговая частота,
измеряемая в герцах) ослабляется в \/1 + со2т2 раз [38], где т =V2ii0oLd,
До — магнитная проницаемость вакуума, о — проводимость материала
стенки, d — ее толщина, L — характерный размер экрана. Видно, что замет-
ная экранировка начинается лишь для частот выше со~ 1/т. Для типичной
алюминиевой комнаты (университет в Тампере, Финляндия [116]) при
толщине стенок 45 мм т - 1 с, т.е. комната практически не экранирует
частоты ниже 0,2 Гц. Для частот выше 1 Гц коэффициент экранировки
^^внешнМ^внутр ~ n^aLdf растет линейно с увеличением частоты и
толщины стенки, обеспечивая ослабление компоненты 50 Гц в 300 раз.
Постоянная времени т может быть измерена, если в большой катушке,
расположенной вне комнаты, скачком изменить ток и следить за измене-
нием поля внутри комнаты. Приведенная выше постоянная т рассчитана
для однородного поля. Если же небольшой источник возмущения (катуш-
ку с током) приближать к алюминиевой стенке, то по измеренному внутри
полю тоже можно получить постоянную времени т *, но она окажется в
несколько раз меньше [117], т.е. такой источник экранируется слабее.
Это означает, что не следует располагать электрическую аппаратуру ближе
3—4 м от стенок комнаты.
В отличие от ферромагнитного экрана замена одного толстого слоя
алюминия несколькими тонкими не дает существенного улучшения защиты
от помех по сравнению с однослойным экраном, так как индукционные
токи в разных слоях связаны между собой (из-за большой взаимоиндук-
ции между слоями). Поэтому всегда используются толстые листы, хорошо
сваренные в стыках. Недопустима сборка клепкой или на винтах, так как
контактные сопротивления могут намного превышать собственные сопро-
тивления листов, составляющие единицы микроом. По этой же причине
в таких комнатах не применяются закрывающиеся двери, а для уменьше-
ния ’’провисания” внутрь комнаты внешних полей делают умеренной длины
входной коридор, как на рис. 19. Конечно, помехи проникают через этот
коридор, но величина проникнове-
ния различна для разных ком-
понент. Изображенный на рис. 19
входной коридор почти не влияет
на токи, дающие поле вдоль го-
ризонтальных осей, но не дает за-
мыкаться токам, текущим в гори-
зонтальных плоскостях. В резуль-
тате экранировка вертикальной
компоненты магнитного поля
Рис. 19. Строение толстостенной алю-
миниевой магнитноэкранирующей ком-
наты, используемой для измерений
в ИАЭ им. И.В.Курчатова
76
ослабляется. Согласно [116] ослабление 50-герцевой помехи составляет
50 дБ для Ву, 46 дБ для Вх и 44 дБ для Bz (т.е. соответственно в 310, 200
и 160 раз). Измерения показали, что градиенты внешних полей ослабля-
ются в той же степени, что и сами поля, что очень существенно при исполь-
зовании градиометров. Из-за влияния входного проема распределение вер-
тикальной компоненты Bz наиболее неоднородно, в сравнении с другими
компонентами [117]. Внутри комнаты она изменяется в 10 раз, при этом,
естественно, В2 минимальна вдали от входа.
Был поставлен эксперимент, в котором проем был заварен и оставлена
лишь горизонтальная щель в 20% площади [118]. Проникновение сетевой
помехи уменьшилось в центре лишь в 1,6 раз, что, по-видимому, не оправ-
дывает возникающих неудобств.
Как и в случае с ферромагнитной комнатой, надо обратить внимание на
устранение радиочастотных помех.Относительно широкий входной коридор
достаточно хорошо пропускает радиосигналы внутрь комнаты. Поэтому,
если аппаратура сама по себе не защищена от высокочастотных помех,
следует установить сравнительно тонкий металлический экран, закрываю-
щий входной коридор. Он может быть сделан, например, из алюминиевой
сетки. Надо принять меры предосторожности, чтобы радиочастотные поме-
хи не проникали внутрь по кабелям и проводам, идущим в комнату.
Как и ферромагнитноэкранированная комната, комната из алюминия
должна быть обеспечена антивибрационной защитой. На это есть две причи-
ны. Во-первых, эта комната не экранирует от постоянного земного магнит-
ного поля, поэтому необходимо избежать колебаний измерительного
магнитометра относительно этого сильного поля. Во-вторых, если стены
комнаты колеблются в земном поле, в них из-за хорошей электропровод-
ности материала наводятся заметные переменные токи, порождающие
шумовые магнитные поля. Удар средней силы по стене вызывает магнитные
помехи на частотах механического резонанса комнаты с амплитудой до
20 пТл, убывающие в течение нескольких секунд. Даже громкая речь вызы-
вает детектируемые сквидом сигналы [17].
Защита от вибраций в комнате университета в Тампере осуществляется
установкой комнаты на пневматические баллоны и развязкой крепления
деревянного рабочего пола внутри комнаты от алюминиевых стен. Анало-
гичный способ антивибрационной защиты применен и в подобной комнате
в Париже [94]. Если комната находится в спокойном, без аномальных
вибраций, помещении, то для проведения магнитокардиографических
экспериментов достаточно установки комнаты на бетонный пол через
деревянные прокладки. Внутри нее настилается толстый ковер [117].
Хорошо проводящие стенки, осуществляющие экранировку, одно-
временно сами являются источником шума. Тепловые токи в экране с
высокой электропроводностью вызывают шумовые магнитные поля.
Их можно оценить, зная параметры экрана: его постоянную времени т
и объем [38, 333]. Средний квадрат шумового магнитного поля опреде-
ляет флуктуации энергии магнитного^ поля в объеме экрана Еэ, которые
должны быть порядка къТ\ Мщум Г, отсюда для экрана
2X2X2 м3 со стенками толщиной 5 смх/^^ум^25 фТл — это интеграль-
ный шум во всем диапазоне частот. Спектр магнитных шумов определяется
77
постоянной времени экрана т:
шум _ Тейтум
da) 1 +со2т2
Видно, что тепловой шум в основном сосредоточен в области низких частот.
Приведенная оценка касается основной шумовой моды, поле которой
сравнительно однородно во всем объеме. Ближе к стенкам будут про-
являться локальные шумовые моды, которые могут быть сильнее основной.
Своим появлением они обязаны шумовым токам, охватывающим лишь
определенные участки поверхности стенки, а не весь объем комнаты, и
поэтому имеющим иную частотную зависимость. Если спектр шумов в
центре куба размером 2,25 X 2,25 X 2,25 м3 из медных листов толщиной
15 мм (западноберлинская комната) сосредоточен при частотах ниже 1 Гц,
то на расстоянии 10 см от стенок он уже простирается до 50 Гц, а в 1 см
от стенки — и до нескольких килогерц [102] .Проведенный анализ показы-
вает, что шумовое магнитное поле в полосе частот ниже f растет с прибли-
жением к стенке как
1/2 1/2
(dkBT\ f
\ p / X
здесь d — толщина стенки, p — ее удельное сопротивление, X — расстояние
до стенки. Применив эту формулу для западноберлинской комнаты, полу-
чим, что для частот ниже 20 Гц амплитуда шумового поля в центре экрана
25 фТл,на расстоянии 10 см от стенок — 0,25 пТл, а в 1 см от стенки —
2,5 пТл. Такая зависимость величины шума при приближении к металли-
ческой стенке подтверждена экспериментами Маневского с сотрудника-
ми [332].
Технологическая простота изготовления и сравнительно невысокая
стоимость (примерно 30 тыс. долларов) комнат из чистого алюминия
вызвали большой интерес к их использованию. Построены комнаты в
США [38], Финляндии [116], Канаде [117]. В экранирующей комнате из
чистого (99,8%) алюминия ведутся эксперименты в ИАЭ им. И.В. Курча-
това. Особенно привлекательны алюминиевые комнаты для медицинских
учреждений. Такая комната для клинических исследований в условиях
госпиталя построена во Франции [94]. Но не следует забывать, что толсто-
стенная алюминиевая комната не экранирует низкочастотных помех,
да и частоты порядка 10-100 Гц экранирует много хуже, чем ферромаг-
нитноэкранированная комната, поэтому для нее существует ограничение на
круг возможных задач и качество измерений.
3.4. Активная защита от помех
Применение тех или иных экранов обеспечивает пассивную защиту от
помех. Активная же защита заключается в том, что с помощью чувствитель-
ного прибора измеряется величина внешнего возмущения, и этот прибор
управляет током в катушках, которые создают магнитное поле, равное
по величине и направленное противоположно возмущающему. Тем самым
помеха компенсируется. Чтобы защита работала в сравнительно большом
78
объеме, необходимом для магнитографии, размер компенсирующих кату-
шек должен заметно превышать размер рабочего пространства, с тем чтобы
магнитное поле катушек в нем было достаточно однородным. Конструиро-
вание катушек, производящих однородное поле в значительном объеме, —
это уже решенная техническая проблема. Существует много вариантов
систем таких катушек, методы их расчета даны в книге Штамбергера [119],
и выбор того или иного диктуется конкретными требованиями.
Задача магнитной защиты объема, где работает сквид-магнитометр,
может быть разделена на две части. Во-первых, это компенсация постоян-
ной составляющей земного магнитного поля, призванная устранить вибра-
ционные шумы магнитометра или влияние этого поля на объект измерения,
а во-вторых, компенсация относительно быстрых колебаний поля Земли
и других внешних полей. Первая часть требует довольно мощных и высоко-
стабильных источников тока, вторая — источников слабых токов, управляе-
мых датчиками магнитного поля. Катушки, питаемые теми и другими
источниками тока, должны обеспечивать свободный доступ к рабочему
пространству. Наиболее известны удовлетворяющие этому условию катуш-
ки Гельмгольца, представляющие собой два одинаковых соосных круго-
вых витка с током (или катушки с длиной и высотой намотки, много мень-
шими радиуса), раздвинутые на расстояние, равное радиусу. Область од-
нородности находится в центре между ними. Для компенсации по трем
пространственным координатам нужны три таких пары катушек со вза-
имно перпендикулярными осями.
Пара катушек Гельмгольца — отнюдь не единственная возможная систе-
ма компенсации. Размер области однородности можно увеличить комбина-
цией большего числа катушек. В Годцардовском центре космических
полетов США [98] компенсация по каждой координате производится
четырьмя соосными катушками, и все вместе они представляют собой
довольно сложное ажурное сооружение почти сферической формы.
Постройка его - не простое дело, так как радиусы катушек, расстояния
между ними, параллельность и перпендикулярность должны быть выдер-
жаны с очень высокой точностью (примерно 10“4), такой же должна
быть и стабильность формы катушек. Следует устранить вибрации систе-
мы катушек. С точки зрения удобства постройки системы со столь высо-
кими требованиями к точности предпочтительнее катушки прямоугольной
или квадратной формы, которые можно крепить прямо на стенах здания
лаборатории. По этому пути пошли в Аргоннской национальной лаборато-
рии США [120]. Расчет поля таких катушек и их оптимизация требуют
большой вычислительной работы, но значительное упрощение сборки
и контроля, оптимальное использование лабораторного объема делают
этот путь предпочтительным. Конечно, само лабораторное здание должно
быть немагнитным и защищенным от вибраций.
Для активной защиты от помех можно применять различные датчики
поля. Управляемая феррозондовым магнитометром система катушек
диаметром 11,2 м в Годцардовском центре космических полетов обеспечи-
вает компенсацию колебаний земного поля до 1 нТл в сфере диаметром
1,3 м [98] Применение цезиевого оптического магнитометра позволило
стабилизировать магнитное поле в образцовой мереМК-306 НПО ’’Геофизи-
ка” в пределах 0,1 нТл [121]. Устройство содержит систему квадратных
79
катушек со стороной 2 м. Пара катушек, создающая поле по одной из
пространственных осей, представляет собой так называемые квадратные
катушки Гельмгольца. Если для пары круглых катушек оптимальным
с точки зрения получения однородного поля будет расстояние между
катушками, равное радиусу (катушки Гельмгольца), то для квадратных
катушек оптимальное расстояние равно 0,5445 стороны квадрата. В рабо-
чем объеме диаметром 0,12 м удается подавлять медленные вариации
земного поля в 5000 раз, и даже на более высоких частотах 50 - 500 Гц
промышленные помехи ослабляются в 15 раз [95, 121]. Можно надеяться,
что применение сквид-магнитометров для компенсации позволит еще более
стабилизировать магнитное поле в районе измерений.
Размещение датчиков поля определяется двумя возможными принципа-
ми управления компенсацией. В первом случае их располагают на удалении
от катушек, с тем чтобы обратное воздействие поля катушек на датчик
было незначительным. При этом компенсация эффективна, лишь если
возмущающее поле достаточно однородно, так что колебания внешнего
поля совпадают в рабочем пространстве и месте расположения датчика.
Во втором случае датчики помещают в самом рабочем объеме, и они с
системой катушек работают в замкнутой петле обратной связи - возмуще-
ние принимается датчиком, который через усилитель выдает ток в катуш-
ки, создающие компенсирующее поле на датчике. Это полностью эквива-
лентно описанному в § 1.3 режиму работы сквида с обратной связью.
Требования к пространственной однородности шумов в этом случае замет-
но ниже. Один, датчик поддерживает постоянство одной компоненты маг-
нитного поля в точке, где он помещен, а при большом размере катушек
и во всей области их однородности. Управление по трем компонентам
поля требует трех систем ’’датчик — катушки”, которые в силу неточной
ортогональности будут взаимосвязаны, поэтому большое внимание следует
уделять устойчивости этой системы управления, чтобы избежать генерации
собственных колебаний тока в катушках.
Качество активной защиты можно улучшить, применив компенсацию
также и градиентов возмущающих полей [120]. Для этого нужно иметь
еще датчики градиентов поля (градиометры) и градиентные системы кату-
шек. Тензор градиента поля имеет девять компонент: три диагональных
(дВх/дх, дВу/ду. dBz/dz) и шесть недиагональных (дВх/ду, дВу/дх и т.д.),
из которых, в силу уравнений Максвелла, лишь пять независимых. В качест-
ве генераторов градиентов может быть использован следующий набор
катушек:
1) диагональные компоненты градиента могут быть созданы теми же
катушками, которые поддерживают однородное поле (для этого катушки
Гельмгольца нужно запитать так, чтобы токи в них были направлены про-
тивоположно) ,
2) для компенсации трех независимых недиагональных компонент
градиента требуются дополнительные пары катушек.
В силу сравнительной малости градиентов поля, добавочные, создающие
компоненты градиентов токи в основных катушках невелики, а три допол-
нительные пары катушек могут быть сделаны совсем небольшими (диамет-
ром около 20 см) и располагаться в углах лабораторного помещения.
Такая схема применена в Аргоннской лаборатории [120].
80
Характеристики реальных магнитных полей часто позволяют упростить
систему компенсации. Так, расположив ось лаборатории вдоль магнитного
меридиана север — юг, можно компенсировать магнитное поле Земли лишь
двумя системами катушек. Во многих местах главным источником магнит-
ного шума являются поверхностные токи в земле, и доминирует вертикаль-
ная составляющая шума, поэтому иногда лишь ее достаточно компенси-
ровать.
Система активной защиты в диапазоне частот 0 — 60 Гц, предназначенная
для биомагнитных исследований, разрабатывается в Стенфордском универ-
ситете [66]. Она состоит из двух гельмгольцевых пар диаметрами 1,5 и
1,8 м с осями в направлениях с севера на юг и по вертикали.
Активная защита применена в качестве дополнительного экранирующего
средства в ферромагнитной экранированной комнате в Хельсинки [101].
Она предназначена для подавления помех в диапазоне частот ниже 1 Гц.
Пары компенсирующих катушек намотаны вокруг комнаты в трех взаимно
перпендикулярных направлениях. Ток в каждой паре управляется своим
феррозондовым магнитометром, установленным снаружи примерно в полу-
метре от стенок. Специальный электронный блок следит за отсутствием
самовозбуждения колебаний в системе катушек. Помехи на частоте 0,1 Гц
с помощью этой системы активной защиты удается ослаблять в 50 раз.
Отметим важное отличие активной защиты от пассивных методов.
Последние устраняют шумы во всем объеме экрана, что, в общем, и не
обязательно. Важно лишь отсутствие шумов около места расположения
измерительного градиометра. Такую локализованную компенсацию и
осуществляет активная защита. Из-за большого размера катушек активная
защита работает хорошо лишь на низких частотах, поэтому разумной будет
ее комбинация с экраном из материала с высокой электропроводностью.
Выбор того или другого из перечисленных выше способов защиты опре-
деляется, главным образом, уровнем материальных затрат на постройку
экранирующих систем. Строго оценить затраты трудно, но в последователь-
ности убывающей стоимости они расположатся так: сверхпроводящая
комната, многослойная ферромагнитноэкранированная комната, комбина-
ция системы катушек с толстостенной алюминиевой комнатой. Эффек-
тивность защиты от помех убывает в той же последовательности.
Может сложиться впечатление, что магнитография - это нечто очень
громоздкое и требующее больших затрат. Для исследовательских работ
на пределе чувствительности, при работе в большом научном центре с
богатыми возможностями для эксперимента, но и с множеством помех,
для создания чувствительных магнитографических приборов действительно
необходимы дорогостоящие экранированные комнаты, служащие как
бы опорными точками магнитографии. Они становятся материальными
центрами исследовательских групп, обеспечивающих широкое прикладное
применение магнитографических приборов и методов. Но, как уже показы-
вает опыт, многие биомагнитные измерения, имеющие клиническую и
исследовательскую ценность, можно вести в обычных условиях, используя
градиометры в спокойном магнитном окружении. Это касается прежде
всего магнито кардиографии, а также наблюдений за ферромагнитными
частицами в организме, например в легких. Такие измерения разумно про-
водить в боль ни чно-сана торных условиях, а именно там можно ожидать
наиболее спокойной магнитной обстановки. Сам же градиометр со всей
электроникой, массой менее 10 кг, может заливаться жидким гелием на
неделю и легко транспортироваться на дозаливку и обратно. Работа с
градиометром не сложнее (а может быть даже проще), чем с электрокар-
диографом. Очень широкого применения сквидов для биомагнитографии
можно ожидать с разработкой автономных сквид-магнитометровСтрадио-
метров) на базе микрорефрижераторов замкнутого цикла, которые, как
показывают уже проведенные исследования, не будут превышать по массе
нынешние гелиевые дьюары. Работать они будут так же, как й бытовые
холодильники, т.е. для получения низкой температуры нужно будет лишь
подключиться к источнику электроэнергии мощностью всего в десятки
ватт.
Таким образом, биомагнитографические приборы в работе могут быть
не сложнее многих других, используемых в клинической практике. Вопрос
в том, какую информацию о пациенте дают именно магнитные сигналы.
Сейчас биомагнитография находится в поисках того круга явлений, кото-
рые лучше всего выражены при магнитных измерениях, и разрабатывает
соответствующие методики наблюдения.
ГЛАВА 4
БИОМАГНЕТИЗМ
4.1. О чем дают информацию биомагнитные поля?
Магнитные поля, порождаемые электрическими токами, протекающими
внутри организма при его жизнедеятельности, называют биомагнитными.
Биотоки возникают как следствие электрической активности клеток,
главным образом мышечных и нервных. Электрически активной частью
клетки, преобразующей химическую энергию в электрическую, является
клеточная мембрана. Процессы, протекающие в ней, определяют картину
биомагнитных полей, или, как говорят, биомагнитных сигналов.
Рассмотрим, в каких случаях и каким образом эти процессы вызывают
появление биомагнитных полей в окружающем тело пространстве. Мы
будем опираться на данные о свойствах нервных клеток — нейронов, но
в принципе электрические процессы протекают аналогично и в других
клетках, таких как глиальные клетки мозга или мышечные клетки (пос-
ледние отвечают на электрическое возбуждение еще и сокращением).
Мембрана имеет толщину всего около 5 нм и в основном состоит из
липидов - веществ, по электрическим свойствам прекрасных изоляторов.
В нее вкраплены белковые комплексы, среди которых можно выделить
два электрически активных тела. Во-первых, это так называемые ’’натрие-
вые насосы”, которые, расходуя метаболическую энергию (энергию хими-
ческих веществ, преобразуемых в процессе жизнедеятельности), поддержи-
вают ионную среду внутри клетки, отличной от межклеточного пространст-
ва. В результате концентрация ионов натрия в клетке оказывается в 20 раз
ниже, чем вне ее, - ионы ’’выкачиваются” наружу. Роль белковых ком-
плексов второго типа, так называемых ’’каналов”, заключается в пассив-
ном транспорте ионов сквозь мембрану под действием электрического
поля. Однако этот транспорт ионно-избирателен: в отсутствие возбуждения
(будем считать это состояние покоем) проницаемость мембраны для
ионов калия много выше, чем для ионов натрия. Мы не будем рассматри-
вать влияние других ионов (кальция, хлора и т.п.), они изменяют общую
картину лишь в деталях. Благодаря различию в концентрациях ионов
по разные стороны полупроницаемой мембраны возникает разность потен-
циалов Нернста A£ion, т.е. такие трансмембранные электрические потенциа-
лы, при которых поток ионов данного типа сквозь мембрану равен нулю:
к ь Т со
A^ion =----- In — ; (4.1)
здесь со и с, суть концентрации данного иона вне и внутри клетки, къТ -
произведение постоянной Больцмана на абсолютную температуру, е — заряд
иона. Эти потенциалы (слово ’’разность” и значок А часто опускают) доста-
83
точно близки для разных типов клеток, их характерная величина для калия
Ек = -75 мВ, а для натрия /TNa = +55 мВ, за нуль принимается потенциал
вне клетки. Из этих величин и значений проводимости мембраны для ионов
калия и натрия gK и gNa можно вычислить, какой трансмембранный потен-
циал Ут установится в клетке в результате активности мембраны [122].
При стационарном Ут пассивные токи калия и натрия сквозь мембрану
должны уравновешивать друг друга, т.е.
/*К ~~ ~ к) ~ /*Na ~ ~ Nа)• (4-2)
Таким образом,
у _ (^Na^K)£Na +^К
(W#k) + 1
и параметром, определяющим уровень трансмембранного потенциала,
является отношение проводимостей мембраны к ионам натрия и калия.
При отсутствии возбуждения gNa много меньше gK, и поэтому Ут близок
к Ек, обычно составляя -70 мВ, т.е. внутренняя сторона мембраны заряже-
на отрицательно. Эта довольно большая величина может быть измерена,
если внутрь клетки ввести электрод. При протыкании мембраны клетки
микроэлектродом в виде стеклянной микропипетки диаметром 0.1 мкм
регистрируется именно такой скачок потенциала, инутриклеточным
электродом можно измерять и изменения трансмембранного потенциала.
Сдвиг потенциала может происходить при изменении ионного состава
внеклеточной жидкости, согласно уравнениям (4.1) и (4.3). Такова, напри-
мер, реакция глиальных клеток мозга на локальное уменьшение содержа-
ния калия в межклеточном пространстве вследствие активности нейронов.
Это сравнительно медленный процесс.
Более быстрые изменения потенциала с постоянными времени до милли-
секунды вызываются изменением проницаемости мембраны. Вариации
проницаемости вызываются открыванием и закрыванием ионных каналов
в мембране клетки, которых насчитывается около 100 на 1 мкм2 поверх-
ности. Проводимость открытого канала порядка 1О"10 Ом"1 . В состоянии
покоя открыты главным образом калиевые каналы, они обеспечивают
проводимость единицы поверхности мембраны gQK примерно Ю^Ом"1 • м'2.
Проводимость подвержена влиянию трансмембранного электрического
поля (кстати, довольно сильного, достигающего 107 В/м, что близко к
полю пробоя хорошего изолятора), так что если внешним воздействием
вывести клетку из электрического равновесия, подняв внутриклеточный
потенциал ♦), gK может достигнуть значения 100 Ом"1- м”2, agNa от практи-
чески нулевой поднимается до 300 Ом"1 • м”2. Так как трансмембранный
потенциал сам зависит от gK и #Na согласно уравнению (4.3), процесс
измерения проводимостей и потенциала при достаточном смещении от
равновесия в сторону деполяризации становится неустойчивым — возникает
электрический импульс. Длительность его мала, около 1 мс, но за это
время разность потенциалов на клеточной мембране меняется с —70 до
*) В эксперименте это можно сделать, подав напряжение на микроэлектрод, вве-
денный в клетку.
84
+50 мВ, т.е. клетка переполяризуется, а затем возвращается обратно к
равновесию. Это так называемый потенциал действия (ПД) или спайк
(от английского spike - острие).
Помимо электрического поля, ионные каналы могут управляться воз-
действием химических веществ. Некоторыми из них (ядами) каналы
полностью блокируются. Другие оказывают временное влияние. Локальное
химическое воздействие с помощью веществ, называемых медиаторами
(’’посредниками”), оказывает, например, одна нервная клетка (нейрон)
на другую или же на мышечную клетку в месте их соприкосновения
(синапсе). Изменение проводимости мембраны сопровождается сдви-
гом трансмембранного потенциала от положения равновесия. Смещение
в сторону деполяризации называется возбуждающим постсинаптическим
потенциалом (ВПСП). Смещение в другую сторону, т.е. гиперполяризация,
называется тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП). Значения
обоих отсчитываются от уровня равновесного потенциала.
Обычно эти потенциалы быстро затухают - за время порядка 10 мс.
Если же клетка регулярно ’’бомбардируется” сигналами от других нейро-
нов, число синапсов с которыми может исчисляться тысячами, изменение
потенциала может поддерживаться более длительно. Возбуждающий потен-
циал получил свое название оттого, что если он достигает примерно 20 мВ,
то нервная клетка возбуждается — в ней возникает потенциал действия.
Тормозной потенциал соответственно препятствует возникновению этого
импульсного процесса. Что очень существенно, потенциал действия, или
спайк, обладает способностью распространяться вдоль клетки, а именно
вдоль отростка нейрона, называемого аксоном, иногда достигающего
метровой длины. Движение спайков по аксонам составляет основу меха-
низма передачи информации в нервной системе. Локальные изменения
потенциалов (градуальные потенциалы) определяют частоту появления
спайков в той или иной клетке.
Следует особо подчеркнуть, что само по себе наличие трансмембранного
потенциала и даже его импульсное или градуальное (плавное) изменение не
связаны с появлением токов во внеклеточном пространстве. Электрические
токи текут сквозь мембрану, заряжая и разряжая ее как конденсатор.
Их можно обнаружить лишь при регистрации потенциала внутриклеточным
электродом.
Как следствие трансмембранных токов могут возникнуть макроскопи-
ческие (’’объемные”) токи во внеклеточном пространстве, но клетка вызы-
вает объемные токи лишь тогда, когда ее мембрана поляризована неодно-
родно вдоль своей поверхности. Тогда имеются части мембраны, потенциал
на которых в одном месте выше, а в другом - ниже среднего. Эти места
служат соответственно источником и стоком внеклеточных токов, замы-
кающихся внутри клетки. Такие токи уже можно обнаружить при внекле-
точной регистрации.
Если появление неоднородной поляризации в разных клетках не скор-
релировано, то результирующие внеклеточные токи взаимно компенсиру-
ются, если скоррелировано - получаются вполне заметные макроскопичес-
кие токи. В отличие от колебаний внутриклеточного потенциала, внеклеточ-
ные токи, обычно измеряемые на удалении от клетки-источника, отражают
интегральную активность группы клеток или органа в целом. Эти токи
85
проявляют себя двояко. Во-первых, из-за того, что все ткани организма
проводят электричество, между различными точками кожи возникают
разности потенциалов 1 — 1000 мкВ. Во-вторых, токи в теле порождают
магнитные поля, простирающиеся за пределы организма. Регистрация
поверхностных потенциалов называется электрографией (кардио-, энцефа-
ло- и т.п.), регистрация магнитных полей - магнитографией. Распределение
и колебания потенциалов и магнитных полей однозначно определяются
распределением и колебаниями токов внутри тела.
Первичными источниками этих токов являются так называемые сторон-
ние токи порождаемые активностью клеточных мембран (точнее, под
в англоязычной литературе называемыми impressed currents, имеется
в виду плотность тока, измеряемая в А/м2). В случае бесконечной однород-
ной среды потенциалы И(г) и магнитные поля В(г) в ней выражаются
объемными интегралами соответственно от дивергенции V • /' и ротора
V X jl сторонних токов [123, 124] :
1 V/'(r') , ,
Г(г) = —----f -----7~d3r', (4.4)
47Г0Г v I r - r I
4я v
VX /V)
\r-r' \
d3r\
(4.5)
где о — электропроводность среды. Более близок к реальности случай,
когда токи распределены в ограниченном пространстве (организме), раз-
деленном на области с разной электропроводностью (отдельные органы).
В этом случае потенциалы и поля связаны со сторонними токами / 1 и
между собой более сложными зависимостями. Границы раздела органов
с разными электропроводностями 04 и о2 становятся как бы источниками
вторичных сторонних токов к1, определяемых потенциалом И(г)
на границах:
к1 = -(^1 - о2) К(г)л(г), (4.6)
где п — единичный вектор нормали к поверхности раздела, обладающий при
интегрировании свойствами дельта-функции. Потенциалы и поля удается
довольно простым способом выразить через ] 1 и к1:
--------------/----------- -</3г . (4.7)
4тга---------------------------------------------------г - г
и 1
, Vo с VX[/'(r')+*'(r')l 3 >
Л(г) = — f--------:-----г------d3r .
4тг г - г
и
(4.8)
Распределение сторонних токов / z в пространстве образует некоторое по-
ле токов, которое математически может быть разложено на вихревую / '
и потенциальную /п' части: / 1 = Ц + /п' , причем дивергенция V /в пер-
вой и ротор V X/nz второй равны нулю. Уравнения для потенциала и поля
86
принимают вид
Т/ГА 1 ' 1 f V'^Z<r/ > 73 л
И(г) =------г--------—dr----------J -------;—dr ,
4яа v | r - г I 4яо v | r - r |
4тг | r - г | 4 я | r - r |
и 1 1 и 1 1
(4.9)
(4.Ю)
Из этих уравнений следует, что, во-первых, потенциалы V (г ) и поля В (г )
дают различную информацию о строении вызывающих их источников сто-
ронних токов: потенциалы - о потенциальной части /J ; магнитные поля -
о вихревой части /в. Во-вторых, имеет место неизбежная связанность этой
информации через источники вторичных сторонних токов к1. В результате
оказывается, что электрические потенциалы и магнитные поля, физически
вызываемые одной и той же причиной (мембранными клеточными тока-
ми j 1), могут в одних случаях иметь сходные пространственные распреде-
ления и временные зависимости, а в других сильно различные, что опреде-
ляется внутренним строением источников тока в организме. Ниже будут
рассмотрены случаи как очень похожих, так и сильно различающихся био-
магнитных и биоэлектрических сигналов.
Отметим, что вопрос о разделении на первичные и вторичные сторонние
токи связан с определенными трудностями [125]. Дело в том, что если
строго принять за первичные только трансмембранные ионные токи в месте
возбуждения, тем самым пытаясь решать задачу начиная прямо с микроско-
пического уровня, то чтобы прийти к конечному результату, придется
учитывать все вторичные токи, возникающие из-за микроскопических
неоднородностей проводимости в клетке и непосредственно прилегающем
пространстве. Такие расчеты действительно проводятся с целью установить
распределение полей и токов внутри и вокруг активных клеток, например
от потенциала действия, распространяющегося по аксону [126]. Однако из
уравнений (4.7) и (4.8) видно, что первичные и вторичные сторонние токи
одинаковом образом определяют электрические потенциалы и магнитные
поля. Это означает, что в зависимости от степени детализации решаемой
задачи по определению потенциалов и полей часть вторичных токов можно
переопределить как первичные, отнеся к таковым вторичные токи, возни-
кающие на клеточном или даже более высоком уровне. Такой подход
позволяет вводить в качестве первичных модельные сторонние токи, считая
их, например, равномерно распределенными по объему сердечной мышцы
при решении кардиографических задач [123].
Сложный вид уравнений (4.9), (4.10) несколько маскирует различия
в свойствах электрических потенциалов и магнитных полей. Магнитный
сигнал от источника регистрируется в некоторой точке одним датчиком,
электрический же сигнал может быть измерен лишь в виде разности потен-
циалов между двумя точками, и для получения строгого соответствия
между потенциалом в точке и током в источнике необходим тщательный
выбор места крепления второго, ’’нейтрального” электрода. Можно приме-
нять и два близко расположенных электрода (’’биполярное отведение”), но
87
в этом случае сильнее проявляется различие электрографии и магнитогра-
фии, заключающееся в том, что вторичные источники обычно слабее прояв-
ляют себя в магнитных сигналах. Действительно, магнитный датчик глав-
ным образом реагирует на сильные токи, текущие в области активности,
и в меньшей степени на ослабленные сдабопроводящей преградой (напри-
мер костями черепа) токи в поверхностных слоях тела. В то же время
именно распределение слабых поверхностных токов влияет на картину
электрических потенциалов. Например, изменение распределения этих
слабых токов с помощью закорачивания двух точек биполярного отведе-
ния, что зануляет электрографический сигнал, не окажет заметного влияния
на магнитный сигнал.
Дополняющий друг друга характер электрических и магнитных данных
можно проиллюстрировать на двух примерах (рис. 20). Информацию о по-
ложении изолированного витка с током внутри некоторого тела и значении
этого тока можно получать лишь магнитографически, так как виток не
создает разности потенциалов на поверхности тела. Наоборот, дипольный
источник тока (’’токовый диполь” - рис. 205), помещенный в центр прово-
дящего шара, вызывает токи, о которых можно судить только по рас-
пределению потенциалов на поверхности шара. Магнитное поле снару-
жи тождественно равно нулю независимо от тока в источнике и его
ориентации.
Определение потенциалов и полей по источникам представляет собой
так называемую прямую задачу, разрешимую точно. Подробно она рас-
смотрена в работах [124, 127 — 130]. Однако много более важной пред-
ставляется обратная задача - нахождение источников токов по изме-
ряемым потенциалам и магнитным полям. Но она не имеет однозначного
решения [123]; электро- и магнитографических данных, даже вместе
взятых, недостаточно для построения картины распределения источников
токов. Неоднозначность решения обратной задачи легко проиллюстрировать
Рис. 20. Примеры, иллюстрирующие взаимно дополняющий характер магнито-и элек-
трографических данных, а - Изолированный виток с током внутри шара создает маг
нитное поле вне шара, но не вызывает разности потенциалов на его поверхности.
Информация о таком витке может быть получена лишь магнитографически, б - Ди-
польный источник тока в центре шара вызывает распределение потенциалов на его
поверхности, но магнитное поле порождаемых им токов равно нулю вне шара. Такой
диполь регистрируется только электрографически
88
теми же примерами, что показаны на рис. 20. Если шар а дополнительно
окружить слоем сверхпроводника = 0), а шар б - слоем металла
( е = °°), то вне их не будет ни электрического, ни магнитного поля, а это
означает, что любое число подобных объектов может находиться внутри
ограниченного объема, и установить их наличие там невозможно электро-
и магнитостатическими методами. Эта трудность устраняется введением
ограничений на вид приемлемых источников и рассмотрением мо-
дельных источников — таких, чтобы рассчитанные поля от них совпадали
с измеренными.
Одним из приближений является используемое в кардиографии понятие
электрического вектора сердца [123, 131, 132], определенного как
р = (4.11)
и
Картина измеренных поверхностных потенциалов позволяет вычислить
этот вектор. Аналогично вводится магнитный вектор сердца [104,
123, 128]:
т = j fг ' Xf'(r')d3r', (4.12)
и
который может быть рассчитан из распределения магнитных полей вокруг
тела. Восстановление магнитного и электрического векторов (любого
органа, не обязательно сердца) не есть полное решение обратной задачи,
но по величине и эволюции этих векторов можно достаточно уверенно
судить о состоянии и функционировании органа.
Возникает вопрос об оптимальном способе обмера биомагнитных полей
вокруг организма, дающем достаточную информацию об источнике. Набор
определенным образом расположенных относительно организма датчиков,
по сигналам от которых намерены восстановить строение источника,
называют отведением. Для каждого отведения можно ввести та:с назы-
ваемое поле отведения, которое характеризует чувствительность данного
набора датчиков к источнику той или иной формы и ориентации. Если
измерительные электроды использовать не для приема сигнала, а, наоборот,
пропускать через них в тело переменный ток Re Irr?1^1 , то в теле воз-
никнет распределение плотности тока jье(г ), которое и называют полем
электрического отведения. Зная это поле, можно определить сигнал, кото-
рый возникнет на данной системе электродов (отведении) от имеющихся
в теле периодических источников сторонних токов с распределением
плотности / 1 (г ) :
Ve = —7-----f/ее(г)/" (r)d3r, (4.13)
a/RE и
где о — проводимость вещества тела, v — его объем. Аналогичная взаимо-
связь между плотностью переменных токов (/* ), наводимых катушка-
ми магнитного датчика, питаемыми переменным током Re Irm^*, и
сигналом (выраженным в вольтах), вызываемым в катушках сторонними
89
источниками (г ), существует и для магнитного отведения:
VM = “V-----fjLM(r)j'\r)d3r. (4.14)
О I RM V
В уравнениях (4.13), (4.14) Vf jL и jl суть комплексные амплитуды при
периодическом множителе . Если катушка магнитного датчика —
сверхпроводящая (трансформатор потока), то сигналом является не
электрическое напряжение, а периодическое изменение магнитного потока
на приемной петле, пропорциональное Ум-
В концепции полей отведения существенным является то, что она позво-
ляет довольно просто оценивать эффективность той или иной системы
датчиков (отведения) для приема сигналов от определенного распределе-
ния сторонних токов /z (г) в теле. Причем сигнал определяется видом
поля отведения только в районе источников и производится лишь компо-
нентой /z(r), параллельной полю. Если рассматривается сравнительно
протяженный источник, такой как сердце, для которого следует построить
магнитный вектор, то желательно иметь три отведения, поля которых
взаимно перпендикулярны и однородны в объеме сердца. Уже проведена
большая работа по поиску оптимальных отведений в магнитокардиографии
и предложено отведение [133], позволяющее получить достаточную инфор-
мацию о магнитном векторе сердца при съемке трех компонент поля всего
в одной точке вне тела (см. рис. 12) .
Но сердце — не единственный источник биомагнитных сигналов. В дру-
гих органах (например, мышцах, мозге) электрическая активность не так
сильно скоррелирована, чтобы всему органу можно было приписать единый
электрический или магнитный вектор. Более детальным модельным источ-
ником сигналов является токовый диполь, показанный на рис. 206. Он
представляет собой своего рода миниатюрную батарейку с близкорасполо-
женными электродами, помещенную в проводящую среду. В точке распо-
ложения токового диполя течет сторонний ток с плотностью / 1, а вне его —
объемные токи с плотностью /.
Токовый диполь — очень важное понятие при описании биомагнитных
полей, поэтому проанализируем его свойства более подробно. В качестве
конкретного примера рассмотрим уединенный токовый диполь, помещен-
ный в однородный проводящий шар (рис. 21). Такая система хорошо
поддается точному математическому расчету и, кроме того, является
достаточно хорошим приближением для описания электрических процессов
в таком важном органе, как головной мозг. В меньшей степени такая
модель применима для представления сердечной деятельности, хотя и мо-
жет рассматриваться как грубое приближение [128]. В сферическом случае
удается математически рассчитать распределение токов, вызываемых токо-
вым диполем Р, и, следовательно, определить магнитное поле, создаваемое
источником и объемными токами. Установлены свойства таких магнитных
полей. Важнейший результат состоит в том, что если диполь ориентирован
вдоль радиуса шарообразного тела, то магнитное поле вне тела равно нулю.
Более того, внешнее поле отсутствует не только в случае шарообразного,
но и любого тела, которое аксиально-симметрично относительно токового
90
Рис. 21. а - Вид сверху на проводящий шар с токовым диполем Р (стрелка). Изобра-
жены линии равной интенсивности радиальной компоненты магнитного поля. Поле
выходит из шара там, где линии сплошные, и входит там. где линии штриховые.
б - Вид спереди на шар с токовым диполем Р. Тонкие линии со стрелками показы-
вают линии токов в объеме шара. Толстой линией /экв обозначена эквивалентная
токовая петля, соответствующая эквивалентному магнитному диполю т. В нижней
части показан токовый диполь Рф, вводимый для описания эффекта изменения фор-
мы при усечении шара (заштрихованный сегмент), в ~ Вид справа на шар стоковым
диполем Р, показывающий картину силовых линий магнитного поля
диполя. В этом состоит важное отличие магнитографии от электрографии,
так как токовый диполь создает ненулевые поверхностные электрические
потенциалы при любой ориентации. Очень существенно еще то, что даже
наличие в шаре концентрических неоднородностей электропроводности
никак не влияет на магнитные поля вне его. Напротив, величина поверх-
ностных электрических потенциалов сильно уменьшается при нали-
чии слабопроводящего приповерхностного слоя по сравнению с однород-
ным шаром. Эти различия скажутся при сопоставлении магнито- и электро-
энцефалографии.
Только диполь (токовый), ориентированный перпендикулярно
радиусу, т.е. тангенциально, может создать внешнее магнитное поле. Если
токовый диполь расположен наклонно, то можно рассматривать только его
тангенциальную компоненту. Подчеркнем, что для радиального токового
диполя, т.е. направленного параллельно радиусу-вектору точки его распо-
ложения, магнитное поле отсутствует только вне шара, но не внутри его.
Аксиально-симметричное распределение токов (рис. 20) приводит к тому,
что магнитное поле оказывается сконцентрированным внутри сферы и не
выходит за ее пределы. Это аналогично случаю тороидального соленоида.
Отклонения от симметрии позволяют магнитному полю ’’выбраться”
за пределы шара, где оно может быть зарегистрировано внешним прибо-
ром. Наиболее асимметричен случай тангенциального токового диполя
вблизи поверхности, как на рис. 21. Возникающую картину можно пред-
ставить следующим образом. Токовый диполь служит концентратором
линий тока, заполняющих весь объем (рис. 216). Плотность тока убывает
примерно как обратный куб расстояния от источника. Картина силовых
линий магнитного поля имеет вид, показанный на рис. 21 в. В настоящее
время наиболее часто измеряют компоненту магнитного поля, перпендику-
лярную поверхности шара, на что есть причины, связанные с конструкцией
сквид-градио метров, в которых чаще всего приемная петля лежит
в плоскости дна прибора. Для этой (нормальной) компоненты поля полу-
чается распределение, показанное на рис. 21 я. Согласно Гриншпану и
Гезеловицу [128] такой вид поля на достаточном удалении от шара с хо-
рошей точностью соответствует полю, магнитного диполя, ориентированно-
го под 90° к токовому диполю и расположенного на треть ближе к центру
шара, чем Р. Например, если расстояние от центра до токового диполя а,
то такую же картину поля получим от магнитного диполя, удаленного от
центра на 2/3я. Считая а вектором, идущим из центра, вектор магнитного
диполя т получим в виде векторного произведения Уга X Р. Заметим, что
положение токового диполя совпадает с местом электрической активности,
тогда как положение эквивалентного (с точки зрения распределения созда-
ваемых полей) магнитного диполя не связано с какими-либо процессами
в этой точке. Она является не более чем центром такой токовой петли,
которую можно считать эквивалентной сложному распределению объемных
токов. Введение магнитного диполя позволяет лишь лучше представить
пространственное распределение магнитного поля, производимого токовым
диполем в проводящем шаре.
В действительности магнитное поле от токового диполя внутри сферы
отличается от дипольного. Точный расчет дан в статье Каффина и
Коэна *[134], которые приводят значения компонент поля в сферических
координатах. Если в ситуации, подобной изображенной на рис. 21, декар-
товы координаты ввести так, что токовый диполь лежит на оси z и на-
правлен по оси х, а сферические координаты определить так, что
х - г si п0 C'4s , г = г si п 0 si z = г cos 0, то компоненты напряженно-
сти магнитного поля Н (В = в отсутствие магнетиков) в сфериче-
ских координатах таковы:
аР sin 6 sin
Л тт к3 у 3/2
Р sin^[7cos0/ г г 7 1/2 \ al <7\]
= -—- —^7 :.....2--~ I cos0---+------I----1 cos0----1
4яг у [sin2# \ а а / г\ r/J
Р COS (Г / г г у1/2 \
Н^ =------ —-------------COS0-----------.
4 я г" 7 1/2 sinfl \я а /
(4.15)
(4.16)
(4.17)
где введено обозначение
2 a cos О
(4.18)
92
a г обозначает расстояние от центра сферы до места измерения. Наличие
в формулах (4.16) и (4.17) sin 6 в знаменателе не означает расходимости
при 0 -> О, так как при этом скобка-сомножитель также стремится к нулю.
Обратим внимание, что в выражении для магнитного поля (4.15) — (4.18)
не входит радиус сферы, а только расстояние а токового диполя от ее
центра. Этот факт и лежит в основе того, что концентрические неоднородно-
сти электропроводности не влияют на магнитное поле токового диполя.
Это свойство очень важно при энцефалографических расчетах, так как
форма головы близка к шару, содержащему концентрические слои различ-
ной электропроводности — череп, скальп, спинномозговую жидкость,
а многие виды активности в коре головного мозга сильно локализованы и
могут быть представлены токовыми диполями.
Если источник активности залегает неглубоко, то можно воспользовать-
ся иной моделью — токовый диполь внутри проводящей полуплоскости.
Собственно, это лишь предельный случай рассмотренного выше примера,
когда радиус сферы стремится к бесконечности. Основные положения об
отсутствии внешнего магнитного поля для токового диполя, перпендику-
лярного границе раздела, и об отсутствии влияния неоднородностей в виде
слоев, параллельных границе, остаются в силе. Рассчитано и распределение
поля [134]. Если токовый диполь Р ориентирован по оси у и расположен
на глубине d, а ось z направлена перпендикулярно границе полупростран-
ства, то
Р (y* 2 *-x2)[x2+y2+(d+z)2]3/2—(d+z){(y2—x2)[y2+(d+z)2]-2x4}
4 я (x2+j?2)[x2+j’2+(d+z)2]3/2
(4 19)
н = — (</+г)[3х2+3->|2,1'2(‘/+г)2]~2[х2+.>72+(с/,1'г)2]3/:г (4 ->0)
У 4 я (x2+^2)[x2 + y2+(d+z)2 ]3/2
// ----------------—______________ (4 ° 1)
2 4я[х2 + у2 +(d + z)2 ]3/2
Приведенные выражения для магнитного поля — это строгие математиче-
ски^ результаты. Беда в том, что применять их приходится для реальных
систем — в биомагнетизме для описания активности различных органов.
Следовательно, возникает вопрос о том, в какой мере распределение полей,
полученное теоретически, будет зависеть от различных отклонений иссле-
дуемого объекта от теоретической модели. В рамках строгого математиче-
ского подхода были проанализированы некоторые частные случаи.
Показано [135], что если модельную сферу сплющивать или растягивать,
превращая ее в эллипсоид, то относительное искажение распределения
внешнего магнитного поля даже меньше, чем геометрическое изменение.
Если, скажем, сферу растянуть на 1 %, то эквивалентный магнитный дыюль.
соответствующий токовому диполю, изменится менее чем на процент.
Полученное утверждение распространяется даже на значительные отклоне-
ния от сферичности, достигающие 30%. Рассчитаны и распределения полей
для вытянутого и сплюснутого эллипсоидов [134].
93
Математически рассмотрен еще один случай отклонения от однородно-
сти шара [128], заключающийся во введении в него неоднородности в виде
меньшего шара с иной электропроводностью. Если в ситуации, показан-
ной на рис. 21, эту шарообразную неоднородность радиусом b поместить
на радиусе, идущем к точке расположения токового диполя так, чтобы
расстояние между центрами шаров было равно Z, то можно рассчитать
значение эквивалентного магнитного диполя:
Ра Pl / b \3/ о — а0
т = —
2
(4.22)
о + 2 а0 /
здесь По и о суть электропроводности среды соответственно в большой
сфере ч в шаровой области неоднородности, а - расстояние токового
диполя от центра. Первое слагаемое дает значение момента в однородном
случае, второе — поправку к нему. Видно, что если о> о0 , то т становится
меньше; если о < а0 , т.е. неоднородность состоит из худшего проводника,
то т даже возрастает. Качественно это можно объяснить, пользуясь
рис. 216. Объемные токи вынуждены огибать слабопроводящую неодно-
родность, расположенную внутри эквивалентной токовой петли /экв, тем
самым увеличивая ее размер и соответствующий магнитный диполь.
Имея точные математические результаты в качестве надежного первого
приближения, можно оценивать также и влияние отклонений от математи-
ческой модели, не обладающих сферической или какой-либо иной регуляр-
ностью. Картина распределения объемных токов, показанная на рис. 21 б,
может в этом помочь [136]. Рассмотрим сначала какое-либо изменение
формы модельной сферы, например, усечение ее нижней части. Такая
процедура будет следующим приближением к реальной форме головного
мозга в черепной коробке. Усечение приближенно можно имитировать
введением в исходном шаре пространственно распределенных сторонних
токов, равных по величине и противоположно направленных объемным
токам в усеченной части. Этим сторонним токам можно соотнести сум-
марный токовый диполб, получающийся интегрированием плотности
объемных токов в усеченной части (рис. 216). Учитывая, что объемные
токи первичного токового диполя / убывают примерно обратно пропор-
ционально кубу расстояния от него, можно получить
Р f Kr)dv
V
и .
3 ’
(4.23)
здесь и - объем усеченной части шара, г - его среднее расстояние от пер-
вичного диполя. Из этой формулы видно, что даже весьма сильное измене-
ние формы шара на достаточном расстоянии от первичного диполя (усече-
ние нижней части до половины радиуса) эквивалентно введению сравни-
тельно малого диполя Р. Кроме того, этот диполь находится вдали от
места измерения поля и поэтому почти не оказывает влияния на распреде-
ление поля от первичного диполя. Аналогичным образом можно оценить
другие отклонения формы, например, эффект глазниц при магнито энцефа-
лографических измерениях. Направление токового диполя в каждом слу-
чае изменения исходной сферической модели антипараллельно среднему
94
направлению объемных токов в этом месте. Конечно, это грубая оценка,
но во всяком случае она позволяет установить те отклонения формы,
которые оказывают малосущественное влияние на магнитное поле, созда-
ваемое дипольным источником. Это рассмотрение показывает, что для
токовых диполей, расположенных в сферической части черепной коробки,
можно с хорошей точностью пользоваться сферической моделью; однако,
если диполь находится в нижней части черепа или у глазниц, потребуется
более детальный расчет или моделирование.
Более сложную магнитную активность можно представить как резуль-
тат действия множества диполей, и уже проведены расчеты для некоторых
их распределений в организме, с тем чтобы по наблюдаемым полям можно
было выбрать подходящее распределение токовых диполей [137].
При оасчетах полей, производимых синхронной активностью большого
участка нервной или мышечной ткани, иногда используют представление о
двойном слое. Это как бы лоскут поверхности с четко определенными
краями, одна сторона которой заряжена положительно и является источни-
ком тока, а другая заряжена отрицательно и служит стоком. Эту поверх-
ность можно представлять себе равномерно заполненной токовыми
диполями, ей перпендикулярными. Смысл введения такого представления
заключается в важном для расчетов свойстве двойных слоев: электрические
и магнитные поля, производимые слоем токовых диполей, зависят лишь от
конфигурации границы слоя и не зависят от формы трехмерной поверхно-
сти, натянутой на этот контур [123, 124]. В живом организме происходят
реальные процессы, приближенно описываемые движением двойного слоя.
Это и распространение фронта переполяризации мышечных клеток желу-
дочков сердца при сокращении, и ритмические процессы в коре головного
мозга и т.п.
Наряду с математическими расчетами биомагнитных полей, исходящими
отнюдь не из простых интегральных уравнений (4.6) — (4.8), получает
распространение и экспериментальный модельный подход, который
зачастую более удобен и прост. С его помощью, в частности, удается иссле-
довать влияние объемных токов, текущих вне сердца, на вид магнито кар-
диограммы. Это оказывается возможным, во-первых, в ’’предельно мо-
дельном” эксперименте, когда обособленное сердце животного помещается
в ванну, заполненную проводящей жидкостью (раствором соли), а форму
ванны можно варьировать. Кроме того, измерения проводились и на живом
человеке, помещаемом в такую же ванну, которая с точки зрения электри-
ческих и магнитных полей как бы сильно изменяет форму тела [138].
Такое моделирование может быть доведено до очень высокого уровня
подобия. Именно, изготавливается макет человеческого тела, заполненный
раствором поваренной соли. При этом проводимость различных ’’органов”
модели делается неодинаковой (в соответствии с естественной проводимо-
стью) применением различных пористых материалов [139]. Внутрь этого
макета можно помещать управляемые извне источники тока и, моделируя
с их помощью реальные сигналы, проводить обмеры электрических и маг-
нитных полей. Такие измерения проводятся и на макете человеческой
головы [140]. Необходимые для постановки подобных экспериментов
характерные проводимости различных тканей тела приведены в табп. 2.
95
Таблица 2
Приближенные значения удельной проводимости
(1 ЧОм-м)) различных тканей [5, 141 j
Морская вода 5 Скальп 0,3
Спинномозговая жидкость 1,6 Мозг:
Физиологический раствор 1Д серое вещество 0,4
Кровь 0,6 белое вещество 0,15
Сердечная мышца: Легкие 0,08
вдоль волокон 0,4 Жир 0,05
поперек волокон 0,17 Череп 0,005
Казалось бы, магнитографические данньи имеют не большую ценность,
чем электрографические, так как являются следствием тех же токов,
которые фиксируются электрограммой. Методика электрографии, сущест-
вующей уже около 100 лет, разработана весьма подробно, получение же
магнитограмм требует более сложного оборудования с применением
жидкого гелия. Из изложенного следует, однако, что магнитные и электри-
ческие данные дают разную информацию о токах в организме, и связь
между ними (или отсутствие таковой) определяется структурой источни-
ков токов. Поэтому электро- и магнитография — это не конкурирующие,
а дополняющие друг друга методы исследования организма. Несмотря на
большую сложность аппаратуры, у био магнито гр афии есть определенные
принципиальные преимущества:
бесконтактность, что позволяет вести измерения через повязку или даже
через стенку;
возможность измерять квазипостоянные сигналы, которые на электро-
граммах часто маскируются из-за электрической активности кожи;
следующая из бесконтактности возможность легко и быстро передви-
гать магнитный датчик для поиска того или иного вида активности, что
удобно для точной локализации сигнала; в электрографии это невозможно,
так как пересоединение электродов вызывает мешающую кожную и мио-
генную (мышечную) электрическую активность;
большая локализация биомагнитного сигнала вблизи источника актив-
ности (так как магнитный датчик менее чувствителен к объемным токам)
позволяет точнее определять местоположение того или иного источника,
а это очень важно, особенно в энцефалографии;
с помощью магнитографии можно определять наличие магнитных вклю-
чений в организме и наблюдать их поведение;
магнитографически можно измерять магнитную восприимчивость орга-
нов и тканей.
Для многих клинических применений точное описание внутренних про-
цессов не является необходимым — большую ценность имеет уже срав-
нительное наблюдение биомагнитных сигналов в норме и патологии. Био-
магнетизм сейчас находится в стадии экспериментальных исследований,
преследующей цель накопления статистических данных о значении и виде
биомагнитных сигналов здоровых людей и изменениях в магнитограммах
96
при разных нарушениях. Магнитография применялась для исследования
сердца (кардио-), скелетных мышц (мио-), плода, глаза (окуло-), мозга
(энцефалография), магнитных загрязнений легких, постоянных токов в
коже человека и для ряда других задач.
4.2. Магнитокардиография
Сердце человека порождает наиболее сильные электрические и магнит-
ные поля в организме. Болезни же сердца представляют собой одну из
главных опасностей для человека в современном мире. Поэтому именно
магнитокардиография была первой областью применения биомагнитогра-
фии, еще до появления сквидов.
Электрическая активность сердца исследуется с помощью электрокар-
диографии [142], т.е. регистрации электрических потенциалов в определен-
ных точках поверхности тела. Кривая изменения этих потенциалов со вре-
менем называется электрокардиограммой (ЭКГ) и имеет вид периоди-
ческой, с частотой пульса, последовательности серий пиков, для каждого
из которых есть обозначение: Р, Q, R, S, Т. Первый связан с деятельностью
предсердий, остальные — желудочков сердца. При снятии ЭКГ с разных то-
чек (”в разных отведениях”) формы пиков несколько отличаются. При сня-
тии ЭКГ в стандартном отведении изменение формы и расположения пиков
по отношению к норме указывает на нарушение сердечной деятельности.
Стремление получить дополнительную информацию о работе сердца сти-
мулировало развитие магнитокардиографии (МКГ). Первые результаты
были получены Бойлем и Макфи, а в Советском Союзе Сафоновым и др.
с помощью индукционных катушек с большим числом витков (до мил-
лиона) и ферритовым сердечником [84, 85]. Ливанов с сотрудниками
[143] использовали для МКГ более чувствительный магнитометр — на
парах цезия с оптической накачкой. Применение же сквид-магнитометров
[100, 61, 144 - 146] дало возможность получать МКГ с таким же разре-
шением, что и ЭКГ, и приступить к широким исследованиям магнитной
активности сердца.
На рис. 22 приведены примеры магнитокардиограмм, снятых у двух
испытуемых при различных уровнях шума измерительного градиометра —
100 и 25 фТл/>/Гц. Видно, что в обоих случаях сквид-градиометр обеспе-
чивает хорошее качество МКГ. Естественно, низко шумящий прибор поз-
воляет более тонко разрешать детали кардиограммы. Обе записи сделаны
при расположении чувствительной петли в 20 мм от груди в ее левой части
(положение С4, см. ниже). Измерена компонента поля, перепендикулярная
поверхности груди. МКГ содержит те же характерные признаки, что и ЭКГ,
поэтому пикам МКГ присвоены те же обозначения Р, Q, R, S, Т (рис. 22).
Максимальная амплитуда R составляет около 50 пТл, но сильно варьирует
у разных людей. При снятии ЭКГ электроды закрепляются на коже, дат-
чик же МКГ достаточно приблизить к груди. МКГ вполне хорошего качест-
ва получаются при расстоянии до 5 см от поверхности тела *).
*) Бесконтактность процедуры записи сигналов оказывается заметным практи-
ческим преимуществом магнитографии (не только кардио-) перед электрографией в
таких случаях, как обследование детей (многие из них боятся электродов) и пациен-
тов с ожоговыми и другими поражениями кожи.
97
1с
Рис. 22. Примеры магнитокардиограмм, записанных авторами для двух испытуемых.
Верхняя запись сделана при уровне шума измерительного градиометра 100 фТл/ \/Гц,
нижняя - при шуме 25 фТл/\/Гц. Полоса частот 0,1-100 Гц, с фильтрацией 50 Гц
и гармоник. При измерениях чувствительная петля градиометра находилась в 20 мм
от поверхности груди в точке С4. На нижней записи обозначены характерные пики
кардиограммы
Рис. 23. Сетка точек съемки магнитокардиограммы, предлагаемая в качестве стандар-
та и привязанная к анатомическим особенностям человека (147]. Высота сетки - от
верха грудины до низа ребер, ширина - между серединами ключиц. Точки измерений
находятся в серединах получающихся прямоугольников и имеют соответствующее
обозначение, например, С4. В левой части спины имеется дополнительная сетка 3x3
из прямоугольников такого же размера; нижний правый угол сетки совпадает
с одиннадцатым позвонком
Соотношение амплитуд и полярностей пиков кардиограммы зависит от
точки измерения. Для облегчения сравнительного анализа распределений
магнитных полей, снятых МКГ-методами, предложена в качестве стан-
дартной процедура магнитокардиографической съемки [147]. На груди
пациента устанавливается прямоугольная сетка, размеры которой опреде-
ляются анатомическим строением (рис. 23). Сетка симметрична относи-
тельно средней линии тела и по ширине простирается между серединами
ключиц, а по высоте от верха грудины до низа ребер. Этот прямоугольник
разделен на шесть рядов по горизонтали и шесть по вертикали, и точками
98
съемки компоненты поля, перпендикулярной груди, служат центры полу-
чившихся прямоугольников. Точки съемки имеют обозначения от А1 до
F6. Дополнительная сетка из прямоугольников тех же размеров применя-
ется для съемки МКГ со спицы в левой части тела,'при этом нижний
угол сетки совпадает с один-
надцатым позвонком. В этой
сетке девять точек — от Л до
L3, Рекомендуемый частот-
ный диапазон 0,2 50 Гц, с
записью на самописце на ско-
рости 5 см/с при масштабе
25 пТл/см.
При измерении МКГ по
всей сетке получаются карты
распределения магнитного по-
ля для каждого момента сер-
дечного цикла, аналогичные
показанным на рис. 24 [148].
Из последовательности таких
карт можно составить муль-
типликационный кинофильм,
дающий очень наглядное и
информативное изображение
всей совокупности кардиогра-
фических данных. Использо-
вание небольших ЭВМ с вы-
ходом на телеэкран (дисплей)
позволит применять этот ме-
тод в клинической практике.
Это, вероятно, в будущем. По-
ка же характер нарушения
сердечной деятельности отра-
Рис. 24. Пространственное распре-
деление компоненты магнитного
поля, перпендикулярной груди па-
циента, в момент максимума /?-пи-
ка МКГ: а - при нормальной МКГ,
б - при инфаркте миокарда. Ис-
ходные данные получены Айтто-
ниеми и сотрудниками [148] при
регистрации магнитного поля в уз-
лах координатной сетки, как по-
казано на рис. в. Приведенные рас-
пределения представляют собой
примеры мультипликационных
кадров, последовательность кото-
рых дает наглядное и информатив-
ное киноизображение динамики
магнитного поля сердца (в [ 148] -
с шагом 2 мс)
99
жается на кардиограмме, снимаемой в определенных точках и чаще всего
фиксируемой самописцем, и опытные врачи делают заключение просто по
виду ЭКГ или МКГ. Но универсальность метода требует более обобщен-
ного способа изображения данных, представляющего возможность объек-
тивного анализа и понимания генезиса кардиограмм.
Сигналы, записываемые на ЭКГ, можно представить как следствие вра-
щений в пространстве переменного по величине электрического диполя,
расположенного в центре сердца [124, 131]. Аналогичная модель приме-
нима и для МКГ-данных. Виксво и Фейрбенк [104] определили значение
магнитного момента сердца в максимуме (0,8 мкА • м2), установили ха-
рактер его изменения со временем (по величине и ориентации) и связь
с движением электрического диполя, определенным по ЭКГ (рис. 25). Для
снятия МКГ они пользовались рассмотренным выше градиометром с нак-
лонным расположением петель, позволяющим достаточно просто прини-
мать три компоненты магнитного поля [66]. Аналогичные картины дви-
жения магнитного вектора сердца получены с помощью трехканального
сквид-градиометра [62]. В этом случае все три компоненты снимаются
одновременно.
Применение понятия магнитного момента дает удобное, но лишь приб-
лиженное описание магнитной активности сердца. Более трудоемким, но
Магнитный вектор сердца
Злектрический. вектор сердца
Од мкА м2
— С
I—I—I—I—I—I—I___I_I_I_I
0 500 1000 мс
OJhkA-m2
0,3 мВ
[
Рис. 25. Изменение компонент магнитного и электрического векторов сердца в течение
сердечного цикла. Внизу показаны траектории движения концов каждого из векторов
в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Ось х направлена из груди вперед,
ось v - справа налево, ось z - снизу вверх, начало координат - в центре сердца. Рас-
стояние между штрихами соответствует промежутку времени 4 мс. Данные Виксво и
Фейрбенка [104]
100
дающим более полную информацию, является снятие распределения маг-
нитных полей на всей поверхности груди пациента.
Со времени появления магнитокардиографии велись работы по выяв-
лению клинической ценности нового метода. Было проведено большое
число исследований влияния различных нарушений сердечной деятельности
на вид ЭКГ и МКГ [60, 149- 151].
Анализ, проведенный Лепешкиным [152], показал, что для некоторых
видов болезней сердца даже обычные (одноточечные) МКГ дают информа-
цию, не содержащуюся в ЭКГ. Из накопленного опыта видно, что тра-
диционный метод применения МКГ, аналогичный ЭКГ, обладает примерно
теми же диагностическими возможностями, что и электрокардиография.
Видимо, требуется больший статистический материал, чтобы выделить
класс нарушений нормальной деятельности сердца, наиболее отчетливо
проявляющихся магнитографически. Но, конечно, с точки зрения био-
магнетизма наибольший интерес представляет исследование тех явлений,
которые принципиально обнаруживаются лишь при магнитной регистра-
ции. Это привлекло интерес к поиску специальных методик и вариантов
магнитокардиографии.
Были исследованы возможности магнитокардиографии при нало-
жении внешнего магнитного поля [66, 153, 154]. Увеличение поля пример-
но втрое по сравнению с земным магнитным полем несколько изменя-
ет вид МКГ. Причиной являются колебания объема сердца при сокращени-
ях, что приводит к изменению эффективной магнитной восприимчивости
торса, так как окружающие сердце легкие имеют восприимчивость, сильно
отличную от остальных каней. Применение этого способа может позволить
без зондового вмешательства определять величину кровотока в сердце.
Правда, новой информации об электрической активности сердца этот
метод не дает.
Другое важное свойство магнитных сигналов, а именно их лучшая ло-
кализация в районе источника активности, позволило записать МКГ плода
в теле беременной женщины [155]. Попытки принять ЭКГ плода (для
установления нормальной работы его сердца) в определенные периоды
беременности часто бывают неудачны из-за того, что ЭКГ плода забивается
более сильными электрическими сигналами материнского сердца. Это свя-
зывают с тем, что в эти периоды электропроводность околоплодной среды
увеличивается, в результате чего сигнал ЭКГ плода на поверхности тела
матери сильно ослабляется. На магнитный же сигнал сердца плода изме-
нение электропроводности среды практически не влияет, к тому же маг-
нитное поле сердца матери практически не заметно вне области груди,
что дает возможность принять МКГ плода без помех со стороны сердца
матери (рис. 26).
Еще одним достоинством магнитографии является возможность при-
ема постоянных и медленно меняющихся сигналов. Некоторые виды пора-
жения органов вызывают постоянные ’’токи повреждения” в организме.
Электрографически их обнаружить трудно из-за маскирующих электри-
ческих потенциалов кожи, возникающих в месте контакта с электродами.
В то жешвремя сквид-магнитометр может надежно измерять магнитное поле
токов повреждения. В экспериментах по искусственной закупорке коро-
нарной артерии собаки была зарегистрирована постоянная составляющая
101
Рис. 26. Сравнение магнито- и электрокардиограммы плода (F) в теле беременной
женщины. На МКГ хорошо различим сердечный ритм плода, в то время как на ЭКГ
превалируют сигналы сердца матери (Л/). Данные группы Катилы [155]
магнитокардиограммы (5Г-сдвиг), отсутствующая при нормальной про-
ходимости артерии [156]. Коэн и сотрудники [157, 158] получили похо-
жие результаты для больного человека. Постоянная составляющая МКГ
может проявляться двояко: это или сдвиг по вертикали горизонтального
участка между пиками 5 и Г, или сдвиг всей нулевой линии на участке
TQ (см. рис. 22).
Интерпретации этих двух сдвигов различны. 5Т-сдвиг означает, что во
время сокращения желудочков сердца (в систолический период) пробе-
гающие по сердечной мышце фронты деполяризации и последующей репо-
ляризации клеток дают не компенсирующие друг друга магнитные поля,
что отражает патологическое состояние. 5Т-сдвиг наблюдался у пациентов
с ’’ранней реполяризацией” и блокадой левой ножки пучка Гиса. Реально
5Т-сдвиг — это периодический (с периодом пульса), а не постоянный маг-
нитный сигнал, в то время как TQ-сдвиг есть следствие постоянно теку-
щих в сердце токов повреждения. Такие токи были обнаружены у человека
с коронарной болезнью сердца после небольшой физической нагрузки
(подъем на несколько ступеней лестницы). Таким образом, 5Т-сдвиг
отражает нарушения, проявляющиеся лишь при работе желудочков, а
TQ-сдвиг — в остальное время, в том числе когда мышца находится в по-
кое (диастола). Применение этой разновидности МКГ пока сталкивается
с трудностями, так как в теле человека имеются и другие источники по-
стоянных магнитных полей, которые могут маскировать постоянную
составляющую МКГ. Однако можно ожидать, что методика магнито-
графического картирования полей и локация их источников позволит
не только разделять магнитные поля сердца и других органов, но и вы-
делить те или иные области возбуждения в самом сердце, имеющем срав-
нительно большой размер. Группа итальянских исследователей, применяя
метод картирования магнитного поля сердца больного инфарктом миокар-
да, сумела установить положение и ориентацию пораженного участка сер-
дечной мышцы [159].
В исследованиях МКГ возникло направление, близкое к нейромагне-
тизму, заключающееся в более ’’пристальном” изучении участка PQ магни-
токардиограммы - это так называемая МКГ высокого разрешения [160].
На этом отрезке времени, т.е. после сокращения предсердий, сигнал воз-
буждения передается по пучку Гиса и волокнам Пуркинье к мышцам
желудочков сердца. Передача сигнала сопровождается магнитным полем с
102
амплитудой, характерной для нервных процессов, т.е. раз в 100 более сла-
бой, чем у последующего QRS-комплекса. Измерения показали интерес-
ную особенность. Конкретная форма участка PQ сохраняет стабильность
в течение 10—20 циклов, а затем слегка изменяется, оставаясь опять некото-
рое время постоянной, затем снова меняется. По такому поведению сиг-
нала, вероятно, можно судить о деталях процесса нервного возбуждения в
сердце. С методической точки зрения факт обнаружения такого явления
говорит о том, что при приеме слабых сигналов биологической природы
нужно быть весьма осторожным при пользовании многократным усред-
нением, так как может быть утрачена важная информация.
Участок с небольшим наклоном между пиками Р и Q магнитокардио-
граммы хорошо выражен на рис. 22. В работах [160 - 162] было прове-
дено аккуратное картирование магнитного поля в этом промежутке сер-
дечного цикла и получены картины, характерные для источника в виде
четко локализованного токового диполя. Удалось даже проследить его
перемещение в пространстве на расстояние около четырех сантиметров,
что согласуется с теоретическими представлениями об активности про-
водящей системы сердца [163]. В каждый момент времени местополо-
жение диполя в трехмерном пространстве определяется с погрешностью,
ограниченной кубом со стороной 1 см. Эти обнадеживающие исследова-
тельские результаты еще требуют тщательной клинической проверки,
особенно в части установления их клинической значимости, тем более что
другие авторы [164, 165] указывают на наличие сравнимых по величине
магнитных сигналов от предсердий на том же участке.
Успешное картирование слабых МКГ-сигналов на другом ’’тихом”
участке — ST — проводилось в магнитноэкранированной комнате в За-
падном Берлине [166]. Были исследованы как здоровые испытуемые,
так и пациенты, перенесшие инфаркт миокарда. Картины поля оказались
очень индивидуальны, но позволяли выделить существенные признаки,
по которым удавалось разбить больных на классы. Здоровые испытуемые
давали наиболее простую картину поля, у больных наблюдались нерегу-
лярности.
Несмотря на широкие магнитокардиографические исследования в науч-
ных центрах, в клинической практике МКГ пока не применяется. Причиной
этому — определенная сложность и непривычность сквидовской аппаратуры
и отсутствие ярких новых кардиографических эффектов магнитного
характера. Перспектива здесь будет, вероятно, в возможности тонкого
картирования магнитных полей и точной локализации и разделения источ-
ников сигналов. Исследовательские работы в этом направлении будут,
несомненно, продолжены.
Исходя из быстрого развития технологии производства сквидов, микро-
компьютерной техники и криогеники, можно даже предвидеть возмож-
ность массового применения магнитокардиографического контроля насе-
ления. Технической основой такого контроля мог бы стать аппарат с набо-
ром сквид-градиометров (например, в виде сетки, аналогичной изображен-
ной на рис. 23), сигналы которых обрабатываются микропроцессором и
выдаются на экран дисплея, демонстрируя периодически изменяющуюся
рельефную картину типа показанной на рис. 24. Это очень информативное
и образное изображение позволит детально судить об электрических про-
103
цессах в сердце и регулярно контролировать его работу. Все устройство
со встроенным микрорефрижератором (см. § 2.5) будет питаться от обыч-
ной сети, работать в обычном окружении и не превышать по размерам ком-
натный кондиционер. Для снятия МКГ не требуется раздеваться или ло-
житься, надо лишь прислониться грудью к вертикальной стенке, анало-
гичной экрану рентгеновского аппарата, причем требования к отсутствию
на человеке железных вещей не будут превышать строгости контроля при
посадке в самолет. Аппарат такого типа пригоден именно для массового
МКГ-контроля и может устанавливаться прямо в цехе, учреждении, общест-
венном месте или спортивном зале. МКГ можно снимать почти на ходу или
периодически при больших физических или эмоциональных нагрузках
с затратой на одного обследуемого не более нескольких секунд. Учитывая
серьезность и тяжелые последствия сердечных заболеваний, а также имею-
щуюся пока распространенность различных сердечно-сосудистых наруше-
ний, широкое внедрение магнито кардиографии, резко превышающее масш-
таб применения современной электрокардиографии, не выглядит фантас-
тическим, тем более что технические проблемы преодолимы уже на сегод-
няшнем уровне технологии.
4.3. Поля постоянных токов в организме
Деятельность живого организма может порождатьне только переменные
(как правило, периодические) поля, но и постоянные или медленно меняю-
щиеся. Под постоянными имеются в виду поля, величина и распределение
которых не меняются в течение определенного промежутка времени. Ис-
следования таких магнитных полей проводились Коэном с сотрудниками
в магнитноэкранированной комнате [70,167, 168]. Интересна методика
этих измерений. Испытуемый периодически перемещался вблизи маг-
нитометра на устройстве типа качелей. Мерой постоянного биомагнитного
поля был сигнал, принимаемый на частоте качаний.
Возможны три различных источника постоянных полей. Это или токи,
производимые различными органами, или вариации магнитной воспри-
имчивости отдельных частей тела при измерениях с внешним магнитным
полем, или, наконец, остаточные поля ферромагнитных частиц в теле.
Генерация постоянных токов оказалась свойственна многим органам.
Выше уже говорилось о постоянных токах повреждения сердца. Савар
и Коэн обнаружили довольно сильные постоянные магнитные поля в об-
ласти живота человека. Исследования показали* что они вызываются де-
ятельностью желудка. Через час после еды градиенты поля достигали зна-
чения 75 пТл/см (измерения проводились 2£Хградиометром, показанным
на рис. 12) в районе желудка и содержали ряд переменных во времени
компонент, что связывалось авторами с активностью гладких мышц стенок
желудка. После длительного перерыва в еде (более 12 часов) поле умень-
шалось более чем в три раза и было постоянным во времени либо коле-
балось с периодом 20 с. Попытки разнообразных воздействий на организм
с целью устранить постоянное поле в области желудка успеха, не имели.
Например, выпитый стакан холодной воды резко усиливал постоянное
поле, в то время как теплая или газированная вода или вода с аспирином
уменьшали постоянную составляющую, но вызывали колеблющееся поле.
104
Постоянные магнитные поля желудка по величине сравнимы с полем пов-
реждения сердца и поэтому могут мешать клиническому использованию
измерений поля повреждения сердца. Авторы работы [167] полагают, что
исследование магнитных полей желудка будет представлять определен-
ную ценность для диагностики желудочно-кишечных заболеваний.
Источником сравнимых по величине постоянных магнитных полей яв-
ляются мышцы тела, даже находящиеся в покое (сокращающиеся мышцы
дают быстропеременные поля — магнитомиограмму, см. § 4.6). Измерения
на предплечье [70] показали наличие квазипостоянных полей с градиента-
ми 5-15 пТл/см. Предполагается, что источником этих полей служат токи,
протекающие в приповерхностном слое. Эти токи приписываются деятель-
ности мышц, так как они отсутствовали у пациентов с параличом рук, к
тому же обширные повреждения кожи (шрамы) не искажают наблюдаемое
распределение полей. Прикосновения было недостаточно для генерации при-
поверхностных токов, требовался небольшой массаж. В местах, лишенных
мускулатуры (женская грудь), магнитные поля от приповерхностных
токов отсутствовали. В двух исследованных случаях с опухолью женской
груди постоянных магнитных полей обнаружено не было.
Постоянные магнитные поля мышц можно было инициировать или уси-
лить инъекцией раствора КО с концентрацией, превышающей обычную вне-
клеточную, что вызывает частичную деполяризацию мышечных волокон.
Влияния инъекции на постоянное поле в тех местах, где магнитное поле
первоначально отсутствовало, замечено не было.
Постоянные магнитные поля до 10 пТл наблюдались Граймсом и др
на голени [169, 170]. Эти поля возникали после работы мышц и затем спа-
дали в течение десятков минут. Причем у двух клинически вполне здоро-
вых людей поведение поля было явно аномальным — после нагрузки оно
сначала росло, достигало максимума через время бколо 40 мин и лишь
затем медленно спадало. Прикосновения и легкие пожатия не оказывали
влияния на эти поля. Удалось установить вид источника, представимого
как пара встречных линейных токов, текущих вдоль кости на расстоянии
около 1 см друг от друга. Механизм возникновения токов пока неизучен,
но авторы полагают, что именно эти токи играют важную роль при росте
костной ткани и, следовательно, при заращивании переломов, что соответ-
ствует представлениям о важности постоянных токов в теле для процессов
роста и регенерации [171].
На то, что с процессами роста биологического объекта связаны сравни-
тельно сильные постоянные токи, указывает обнаружение в куриных эм-
брионах токов с плотностью до 100 мкА/см2 [172]. Магнитные поля этих
токов были зарегистрированы Граймсом с сотрудниками [173]. На вторые
сутки инкубации яиц у них появлялось измеримое магнитное поле, дости-
гавшее максимума (10 пТл) на четвертый день, а затем убывающее. Источ-
ник этого поля представим в виде токового диполя 10"7 А . м. Эти токи
текут по замкнутым петлям радиусом около 1 мм. Можно ожидать, что
магнитография окажется полезной для исследования магнитных полей,
генерируемых и другими развивающимися биологическими объектами.
При анализе магнитных полей и токов, связанных с мышечной деятель-
ностью, следует учитывать еще один возможный источник таких токов, а
именно скелетные кости. Обнаружено, что кость обладает так называемым
105
пьезоэлектрическим эффектом, т.е. при наложении нагрузки она элект-
рически поляризуется — на кости появляются положительно и отрицательно
заряженные области, являющиеся источниками и стоками для токов в ок-
ружающих тканях. Эффект невелик — в десятки раз слабее, чем у кварца,
и тем не менее возникающие токи и связанные с ними магнитные поля
вполне измеримы. Более того, их величина не так уж мала, что дало воз-
можность СахаиЛейксу [174] зарегистрировать магнитное поле, возникшее
при механической нагрузке на кость, с помощью многовитковой катушки с
ферритовым сердечником. Измерения, правда, велись на частотах порядка
10 кГц, где чувствительность катушки заметно выше, чем на низких часто-
тах. Импульс нагрузки подавался на один конец кости, а на другом конце
приход импульса сопровождался появлением магнитного поля порядка
10 пТл. В этом эксперименте механическое напряжение кости составляло
всего лишь 1/300 обычного напряжения при ходьбе. Более подробные ис-
следования этого явления пока не проводились, но иметь его в виду при
изучении биомагнитных полей совершенно необходимо.
Источником постоянных магнитных полей оказались и токи, генери-
руемые активностью кожи [70]. Оказалось, что области поверхности го-
ловы, покрытые волосами, при прикосновении к ним генерируют токи
в коже, распределение которых одно и то же у каждого из двух десятков
обследованных мужчин, причем не меняется при различных воздействиях,
включая применение грелки и положение вверх ногами. Исследование влия-
ния разнообразных воздействий, вплоть до экзотических, связано с попыт-
кой уменьшить магнитные поля скальпа, так как они мргут мешать магни-
тоэнцефалографическим измерениям. Неудача этих попыток привела,
например, к тому, что в Биттеровской магнитной лаборатории для магнито-
энцефалографических исследований в качестве обследуемых приглашают
лысых или наголо бритых мужчин ( в этом есть еще и дополнительное
удобство — при нанесении отметок на голове и установке контактов для
электроэнцефалографии). Вызванные прикосновением постоянные токи,
создающие магнитные поля с градиентом 10—25 пТл/cm, текут по коже
головы, собираясь со всех сторон в районе темени. Токи вызываются лишь
в коже, покрытой волосами, включая лицо, но отсутствуют на лбу или
лысине. Однако токи прикосновения не обнаруживались подмышками
и на лобке, в то время как проявлялись на груди при развитом волосяном
покрове. Заметим, что электрографически обнаружить такие явления
чрезвычайно трудно из-за контактных напряжений на электродах. Пока
не ясно, какую клиническую или исследовательскую ценность могут пред-
ставлять эти результаты.
Постоянные магнитные поля существуют и вокруг глаз, о чем будет
сказано в § 4.7.
4.4. Измерение магнитной восприимчивости тканей
Методика магнитографии позволяет измерять магнитную восприимчи-
вость организма или его частей. Сложности здесь заключаются, во-первых,
в конструктивных трудностях из-за большого размера объекта — человека,
а во-вторых, в том, что магнитная восприимчивость тканей сравнительно
однородна во всем теле. Магнитная восприимчивость х связывает намагни-
106
ценность М, т.е. магнитный момент на единицу объема образца, с приложен-
ным магнитным полем В9 а именно М Основная масса живых тка-
ней по своей магнитной восприимчивости практически соответствует обыч-
ной воде с диамагнитной восприимчивостью х= — 9 • 10"6. Минус означает,
что магнитный момент, наведенный в теле, противоположен приложен-
ному полю. Наиболее отличаются по восприимчивости от других органов
наши легкие из-за большого содержания в них воздуха, х=—4-10”6,
поэтому вполне заметны сигналы, связанные с движением участков тела
с различной восприимчивостью при сердцебиении и дыхании [153, 154].
Сигналы эти растут с увеличением внешнего поля и достигают 4 пТл в
поле, втрое большем земного.
Представляет интерес измерение восприимчивости печени, диамагнетизм
вещества которой уменьшен примерно на 5% по сравнению с окружающими
тканями, так как в печени содержится необходимый для жизнедеятельнос-
ти запас железа. Последнее входит в состав белков и находится в пара-
магнитном состоянии. В норме в печени 0,03% (весовых) железа, в пато-
логии или уменьшается до 0,001% или возрастает до 1%. Магнитография
позволяет определить такие изменения содержания железа в органе без
взятия проб, требуется лишь выделить магнитный сигнал именно от печени
на фоне мешающих магнитных полей от других органов.
С помощью специальной формы приемной катушки градиометра, чувст-
вительной к источнику, залегающему на определенной глубине, группе
университета Кейз Вестерн Резерв удалось измерить содержание железа в
печени пациента [175, 176]. Авторами применен интересный метод компен-
сации влияния воздушного промежутка между пациентом и прибором,
изменение которого может давать паразитные сигналы, так как высоко-
чувствительный магнитометр легко замечает разницу между магнитными
восприимчивостями воздуха и тканей организма. В промежуток между
прибором и пациентом вставлялся мягкий мешок, заполненный водой,
диамагнетизм которой с хорошей точностью соответствует диамагнетизму
тканей, и поэтому небольшие изменения промежутка не мешали измере-
ниям. О диамагнетизме человеческого тела нужно обязательно помнить
при проведении измерений в магнитном поле, поскольку простое прибли-
жение тела к магнитометру в земном поле эквивалентно включению до-
полнительного постоянного поля величиной 20—50 пТл — той или иной
ориентации в зависимости от геометрии измерения.
Разработан метод сквид-измерений магнитной восприимчивости на пе-
ременном токе, что позволяет работать в удобном частотном диапазоне,
где помехи заметно меньше, чем при измерении квазипостоянных полей
[177]. Кроме того, метод допускает использование сразу нескольких
наборов подмагничивающих катушек, работающих на разных частотах
и чувствующих поля различной конфигурации. Это позволяет проще ис-
следовать пространственное распределение областей с разной магнитной
восприимчивостью. Основная трудность при работе с измерительной сис-
темой на переменном токе — это обеспечение стабильной балансировки
градиометра по отношению к подмагничивающим катушкам, чтобы прибор
не давал сигнала в отсутствие объекта измерения.
107
4.5. Ферромагнитные частицы в организме
Если в организм попали ферромагнитные частицы, то они создают пос-
тоянные магнитные поля, которые могут быть сильнее даже магнитных
полей сердца. Вполне заметное магнитное поле порождается, например,
микрочастицами железа в легких сварщика или крупинками жести, по-
павшими в желудок вместе со съеденными консервированными продук-
тами. Это позволяет различить, были ли съедены, например, бобы свежими
или из жестяной консервной банки (рис. 27) [178]. Много железной пыли
накапливается на коже человека, если он работает в металлообрабатываю-
щей промышленности.
Магнитные поля ферромагнитных частиц делали бы невозможным из-
мерение постоянных полей биологического происхождения, если бы не
было способа избавиться от их влияния. Существует достаточно простой
и стандартный способ размагничивания ферромагнитных частиц с помощью
медленно отодвигаемой катушки с переменным током; тот же результат
дает отодвигание покачивающегося постоянного магнита. С другой сторо-
ны, эффект ферромагнитных частиц можно и усилить, налагая внещнее
постоянное поле, что не только существенно облегчает их обнаружение,
но и делает сами эти частицы хорошим исследовательским средством.
Уже первые работы Коэна [168, 179] выявили наличие сравнительно
сильных постоянных магнитных полей (до 10 нТл) около грудной клет-
ки. Они вызывались частицами пыли, обладающими остаточной намагни-
ченностью и попавшими в легкие. Проникнуть в легкие может лишь пыль
с частицами размером меньше 2 мкм, более крупные частицы задержива-
ются в верхних дыхательных путях [5]. В частицах такого размера железо,
как правило, полностью окислено до магнетита Fe3O4, который пред-
ставляет собой ферримагнетик*) и потому обладает более слабым магне-
тизмом (индукция насыщения В = 0,6 Тл), чем ферромагнитное метал-
лическое железо (В = 2 Тл). Значительное накопление пыли в легких
объясняется огромной поверхностью осаждения — десятки квадратных
метров. Измеренное с помощью магнитометра распределение магнитного
поля над поверхностью груди (и спины) пациента (после намагничивания
в поле в несколько миллитесла) называют магнитопневмограммой (МПГ).
Задачей исследователя или врача является установление распределения
пыли в легких по виду МПГ. Решение этой обратной задачи без допол-
нительных предположений сложно и часто оказывается ’’неустойчивым”,
т.е. малые погрешности в измерении МПГ приводят к радикальному изме-
нению расчетного распределения магнитной пыли [180]. Поэтому был
предложен метод локальной пневмографии: магнитом небольшого разме-
ра намагничивается лишь малая часть тела, затем снимается МПГ, потом
тело размагничивается и процесс повторяется в следующей точке [181].
Таким способом можно существенно более точно установить распределе-
ние магнитной пыли в легких.
Магнитопневмография нашла применение преаде всего в исследованиях
по промышленной гигиене и контролю содержания пыли в легких у рабо-
*) В ферримагнетике, в отличие от истинного ферромагнетика, микроскопические
магнитные моменты не однонаправлены, однако их векторная сумма ведет себя во
многих отношениях как намагниченность ферромагнетика.
108
Рис. 27. Распределение магнитного поля вокруг легких сварщика (справа) и вокруг
желудка человека, съевшего бобы из консервной банки (слева). Темные квадраты
показывают места выхода, светлые - входа магнитных силовых линий. Размер квад-
рата соответствует значению поля в данной точке, максимальное поле - 30 пТл. Дан-
ные Коэна [ 178 ]
чих таких специальностей, как сварщики [182, 183], литейщики [184],
шахтеры по добыче асбеста [88] и угля [185] *) и ряда других [5]. Во
многих случаях магнитные поля сильны настолько, что вполне можно поль-
зоваться магнитометрами и менее чувствительными, чем использующими
сквид, например феррозондовыми [87, 88]. В Японии для таких изме-
рений была создана передвижная лаборатория-автобус [186]. В ней про-
водятся осмотры промышленных рабочих с помощью феррозондового
магнитометра. Для контроля запыленности легких частицами с меньшей
намагниченностью, как, например, у проживающих вблизи дорог с интен-
сивным движением автотранспорта, использующего шины с металличес-
кими шипами, в этой лаборатории применяется сквид-магнитометр.
Информация, получаемая в магнитопневмографических исследованиях,
может быть очень разнообразной и характеризовать состояние и свойст-
ва внутренней поверхности легких. Если резко изменить направление
внешнего магнитного поля, то ферромагнитные частицы (они, как правило,
обладают высокой коэрцитивной силой — это означает, что магнитный
момент жестко связан с частицей) начнут поворачиваться, и по скорости
приближения к новому положению равновесия можно определить вяз-
кость среды, в которой они находятся. При выключении подмагничивающе-
го поля намагниченность еще некоторое время сохраняется, экспоненциаль-
но убывая с постоянной времени порядка нескольких минут благодаря
спонтанной вращательной разориентации отдельных частиц. Это время
релаксации зависит от свойств и состояния поглотившей пыль среды и сте-
пени связи частиц с различными органеллами. Так, Гер и сотрудники [187]
обнаружили в опытах на хомяках, что скорость релаксации в течение не-
скольких часов падает, а затем растет и выходит на постоянное значение.
Такое поведение частиц магнетита объясняют тем, что в начальный период
происходит процесс их захвата макрофагами, и в результате скорость ре-
лаксации становится выше, чем у несвязанных частиц. Предположение
♦) В неочищенном асбесте и угле достаточно много примесей, в том числе окислов
железа.
109
проверялось последующим микроскопическим анализом препарата легких.
Полезно отметить, что при изготовлении такого препарата нельзя поль-
зоваться стальными инструментами, а следует применять пластмассовые
и танталовые лезвия [188]. Необходимо также обеспечить Отсутствие маг-
нитных частиц в пище подопытных животных.
Предположение о клеточном механизме релаксации стимулировало
проведение магнитометрических экспериментов с клеточными препара-
тами, которые получались промыванием у хомяков легких после ингаляции
магнетита с последующим центрифугованием и выделением макрофагов
[189—191]. В работе [191] исходное намагничивание препарата произ-
водилось коротким импульсом поля (0,1 Тл, 10 мкс), с тем чтобы проис-
ходило только перемагничивание частицы без ее поворота как целого.
Движение частицы в клетке при перемагничивании могло бы исказить
внутриклеточную структуру (’’скелет”), ответственную за последующую
разориентацию магнитных моментов. Проведенные эксперименты дейст-
вительно продемонстрировали основную роль внутриклеточных меха-
низмов в процессе релаксации. Исследование этого типа магнитной ре-
лаксации дает новый метод изучения процессов внутри клетки.
Более тонкую информацию о параметрах поглотившей пыль среды даст
целенаправленное воздействие на магнетитовые частицы с помощью ультра-
звука или нагрева высокочастотным электрическим полем, что изменит
характер намагничивания и релаксации *). Этот комплекс исследований
благодаря высокому пространственному разрешению сквид-магнитометров
позволит выделить в легких очаги нарушений небольшого размера еще
до того, как они проявятся при рентгеноскопии. При поисках таких четко
локализованных нарушений удобны градиометры высоких порядков,
так как они чувствительны к полям, быстро меняющимся с расстоянием,
а это характерно именно для источников небольшой протяженности. Од-
новременно градиометры хорошо отфильтровывают внешние шумы.
Если задаться целью исследовать отдельные части легких, можно вос-
пользоваться тем, что магнетитовая пыль оседает преимущественно вблизи
сильного магнита, притягиваясь его магнитным полем. Приблизив магнит
к нужному участку грудной клетки, можно увеличить концентрацию
частиц в изучаемой части легких в пять раз [5].
К важным задачам магнито пневмографии относится определение скорос-
ти выведения пыли из легких. Для этого в легкие вводят в виде аэрозоля
из воды с частицами магнетита размером около 1 мкм примерно 1 мг
магнетита (это не превышает обычного поглощения пыли при соблюдении
гигиенических норм запыленности). Затем регулярно следят за уменьше-
нием амплитуды МПГ в течение месяца и более. Проводя такие исследо-
вания, Коэн и сотрудники [192] показали, что скорость очищения легких
от пыли у некурящих выше, чем у курящих. Такой же результат был
получен в работе [193], где, кроме этого, обнаружилось, что у курильщи-
ков наиболее замедлено выведение пыли из глубоких отделов легких.
Другие пневмомагнитографические исследования [194] показали, что
*) Магнетит имеет электрическую проводимость 2 • 104 (Ом • м) что намного
выше проводимости окружающих биологических тканей (ср. с данными табл. 2 из
§ 4.1).
110
скорость выведения магнетитовой пыли из легких, так же как и скорость
релаксации после намагничивания, существенно зависят от того, что содер-
жит пыль помимо магнетита. Опыты на хомяках показали, что если в ин-
галяте к 0,2 мг Fe3O4 добавлялось 3,75 мг Fe2O3, то, время необходимое
на выведение половины магнетита, возрастало с 9 до 18 дней. Эффект
ингаляции SiO2 в качестве дополнения к Fe3O4 еще выраженнее. Время
выведения половины магнетита увеличивалось до 74 дней, тогда как про-
цесс разориентационной релаксации намагниченности, наоборот, сильно
ускорялся. Очевидно, это связано с усилением фагоцитоза — пыль SiO2
токсична в отличие от Fe3 О4 и Fe2 О3.
Магнетит — безвредное для организма вещество (в отличие от радиоак-
тивных изотопов, используемых для решения похожих задач), однако
нельзя сказать, что методика МПГ с введением магнетитовой пыли не
встречает возражений. Стерлингом [195] было высказано мнение, что
частицы магнетита в легких при наложении внешнего поля могут сли-
паться между собой, как железные опилки у полюсов магнита. Тем самым
могут образовываться кластеры довольно большого размера, поведение
которых будет сильно отличаться от поведения отдельных пылинок. В мо-
дельных экспериментах [196] действительно было обнаружено образование
кластеров. В то же время исследовние реальных препаратов легких после
ингаляции магнетитовой пыли не показало наличия скоплений [187].
По-видимому, степень кластеризации зависит от концентрации и способа
введения магнетита, во всяком случае возможность слипания ферромаг-
нитных частиц нужно учитывать при интерпретации экспериментов.
Эксперименты, подобные магнитопневмографическим, можно проводить
и на любом другом органе, если в него удастся ввести ферромагнитные
частицы. Например, исследования на хомяках по внутривенному введению
частиц магнетита в печень [187] показали, что релаксация намагниченности
резко замедлялась после смерти животного. Это указывает на то, что
измеренная скорость релаксации определяется процессами жизнедеятель-
ности печени, а не чисто физической разориентацией магнитных моментов
отдельных частиц.
В последние годы обнаружено, что некоторые организмы сами по себе
содержат кристаллы магнетита размером около 0,1 мкм — это пчелы,
голуби, некоторые виды бактерий, есть сообщения и о дельфинах. Эти
кристаллы имеют удлиненную форму и расположены вблизи чувствитель-
ных нервных окончаний, реакция которых на поворот кристаллов отно-
сительно магнитного поля Земли и объясняет навигационные способности
указанных животных [197, 198]. Очевидно, что детали этого навигацион-
ного механизма тоже могут быть исследованы методами сквид-магнито-
метрии.
Существует еще один способ применения сквид-магнитометров для
наблюдения за ферромагнитными частицами в организме. Если миниа-
тюрный, но сильный магнитик, например из SmCo5 или Nd2Fej4B,
прикрепить к какому-либо органу, то по изменениям (колебаниям) магнит-
ного поля вне органа можно судить о движении магнитика. Кусочек раз-
мером 1,2X0,8X0,15 мм3, установленный на контактной линзе глаза,
позволяет наблюдать миниатюрные движения глаза при рассматривании
предмета — скачки (саккады), дрейф и малые колебания амплитудой
111
около 2 мкм (микротремор) [199]. Установленный на барабанной пере-
понке такой магнитик позволял следить за амплитудой ее колебаний при
звуковом воздействии [200]. Несомненно, реализуемы и другие варианты
такого использования магнитометрии. При этом именно сквид-магнито-
метры с их уникальной чувствительностью позволяют использовать сверх-
миниатюрные магнитики, практически не мешающие работе изучаемого
органа.
4.6. Магнитомиография
Сигнал, сравнимый по силе с магнитокардиографическим, дают скелет-
ные мышцы человека. Коэн и Джайнвлер [201] первыми измерили поле
в 20 пТл от мышц руки при ее напряжении. Впоследствии магнитные сигна-
лы от мышц (магнито миограммы, ММ Г) наблюдались во многих лабора-
ториях [103,143,167,202].
Рис. 28. Магнитомиограмма (ММГ), снятая на расстоянии 20 мм от поверхности би-
цепса во время его напряжения. Полоса пропускаемых прибором частот - до 100 Гц.
Видны квазипостоянная и быстропеременная составляющие ММГ. Запись получена
авторами
Строение скелетных поперечнополосатых мышц отличается от строения
сердечной мышцы, и характер сигнала существенно отличен от кардиогра-
фического. На рис. 28 показан пример ММГ, полученной при напряжении
бицепса руки. Измерения проводились во внешнем магнитном поле, намно-
го меньшем земного, это устраняет помехи из-за перемещения мышечной
массы при сокращении (мышцы, как и большинство тканей тела, обладают
заметным диамагнетизмом — см. § 4.4). Работа мышцы сопровождается
магнитным сигналом, в котором можно выделить две существенно раз-
личные компоненты. Это квазипостоянное магнитное поле, проявляющееся
в сдвиге вниз (см. рис. 28) среднего уровня записи в течение всего време-
ни сокращения, и наложенный на этот сдвиг быстропеременный и довольно
нерегулярный сигнал. Он содержит очень широкий спектр частот колебаний
с максимумом в диапазоне 40—80 Гц. В сторону высоких частот спектр
ММГ простирается в кГц-диапазон [201]. Исследование высокочастот-
ной компоненты ММГ мышцы голени [103] показало, что миограмма
представляет собой последовательность импульсов различных амплитуд,
следующих друг за другом с различными промежутками, которые зависят
от силы сокращения, в то время как длительность отдельных импульсов
сравнительно постоянна. Такой вид ММГ согласуется с представлением
об акте сокращения мышцы как о последовательности несинхронных
сокращений отдельных моторных групп мышечных волокон, вызываемых
нервными импульсами. Импульсы ММГ соответствуют потенциалам дейст-
вия в этих волокнах. Длительность импульса, т.е. промежуток времени
между моментами, когда импульс достигает половины амплитуды на
фазах роста и спада, составляет 4 мс. По измерениям других авторов [201],
112
проведенных, правда, на мышцах руки, длительность импульсов 15 мс.
Расхождение может объясняться различиями в размере и ориентации прием-
ных катушек, так как потенциал действия, вероятно, перемещается вдоль
мышц.
Поведение медленно меняющейся компоненты ММГ в деталях не изуче-
но. Она может существовать не только в течение работы мышцы, как на
рис. 28, но в ряде случаев и длительное время после ее работы. Исследова-
ние этой компоненты миограммы электрическим методом затруднено
из-за мешающего влияния контактных потенциалов. Магнитометрически
же удалось проследить поведение квазипостоянной составляющей в течение
часа и более [168].
Результаты магнито миографических измерений показывают, что, во-
первых, сквид-магнитометры дают новый способ диагностики работы
мышц, а во-вторых, наличие сравнительно сильных магнитных полей мышц
необходимо учитывать при проведении магнитных исследований других
органов — например (и особенно) мозга.
4.7. Магнитные поля глаза
Известно, что глаз является источником сильных электрических сигна-
лов. Довольно высокая разность потенциалов поддерживается между
различными слоями сетчатки — до 10 мВ, поэтому движение глаз, а также
функционирование сетчатки вызывают переменные электрические поля.
Так как глаза находятся близко к мозгу, эти электрические сигналы могут
сильно мешать снятию ЭЭГ и искажать результаты электроэнцефалографи-
ческих исследований, особенно при изучении зрительного восприятия [203].
Поэтому вопрос о магнитных полях глаза, их величине по сравнению с
магнитными полями мозга представляет существенный интерес.
Подробные исследования магнитных полей глаза проводили Катила с
сотрудниками [204, 205]. Ими выделены две компоненты магнитного
сигнала глаза: магнитоокулограмма (МОГ) и магниторетинограмма (МРГ).
Первая из них гораздо сильнее и определяется постоянными токами, теку-
щими благодаря разности потенциалов, создаваемых сетчаткой глаза.
Магнитоокулограммой называют переменный сигнал, возникающий
при изменении постоянного поля во время движения глаз. На рис. 29
показан пример магнитоокулограммы, записанный при движениях глаз
из крайнего правого в крайнее левое положение и обратно. В начале записи
взгляд направлен прямо. Чувствительная петля градиометра располагалась
над левой бровью. Поведение магнитного поля можно объяснить моделью,
предполагающей, что сетчатки обоих глаз могут быть представлены в виде
Рис. 29- Магнитоокулограмма (МОГ), измеренная над левой бровью на расстоянии
20 мм от поверхности лба. В начале записи взгляд направлен прямо перед испытуе-
мым, а затем глаза попеременно переводятся из крайнего правого в крайнее левое
положение и обратно. Запись получена авторами
113
токовых диполей, направленных перпендикулярно дну глазного яблока.
Поворот глаз из среднего положения, в котором диполь направлен радиаль-
но (т.е. вдоль радиуса головы-шара), соответствует появлению танген-
циальной составляющей токового диполя, направленной при повороте
вправо в одну, а при повороте влево — в противоположную сторону. Поэто-
му магнитоокулограмма и дает симметричные отклонения (рис. 29).
Было рассчитано пространственное распределение МОГ в модели токовых
диполей и проведено сравнение с результатами картирования магнитного
поля, силовые линии которого выходят изо лба, огибают глаза и возвра-
щаются обратно в районе щек и носа (или в обратную сторону при пере-
мене направления взгляда) [205]. Согласие оказалось вполне хорошим,
что позволяет считать МОГ результатом вращения постоянных по величи-
не (примерно 1 мкА • м) токовых диполей, по одному в каждом глазу.
Для полей, измеряемых на расстоянии нескольких сантиметров от сетчат-
ки глаза, несущественно то обстоятельство, что источники сторонних токов,
а именно палочки и колбочки, расположены по всей поверхности сетчат-
ки — их суммарный эффект можно свести к точечному источнику. Ампли-
туду изменения поля, измеряемого у лба при повороте глаз от среднего
положения на угол у, можно выразить простой формулой
^мог = ^osintP>
где Во равно примерно 3 пТл.
Заметим, что описание МОГ дипольной моделью оказалось возможным
лишь благодаря удачному совпадению различных компенсирующих факто-
ров. Дело в том, что распределение электропроводности в районе глаз
очень неоднородно: рядом находятся окружающие глазницу кости черепа,
не обладающие симметрией, характерной для затылочной части головы.
Магниторетинограмма вызывается изменением величины токового
диполя, которое порождается изменением разности потенциалов на сетчат-
ке в результате ее раздражения светом. Поскольку это изменение составля-
ет лишь малую часть самой величины диполя, сигнал МРГ заметно слабее
МОГ. Изменение токового диполя имеет порядок 10 нА • м, что дает поле
МРГ около 0,1 пТл. Выделение сигнала МРГ оказывается весьма сложной
задачей, так как раздражение глаза светом (вспышкой) вызывает непроиз-
вольное движение глазного яблока и соответствующий маскирующий
эффект МОГ. МРГ удалось выделить потому, что отклик сетчатки проис-
ходит много быстрее, через 50 мс после вспышки, и лишь по прошествии
200 мс начинается движение глаз. Косвенным методом изменение потен-
циала сетчатки и соответствующего ей токового диполя было зарегистри-
ровано в работе Карпа и др. [206] ,в которой использовано то обстоятельст-
во, что амплитуда сигнала МОГ при повороте глаз зависит от степени адап-
тации сетчатки к свету или темноте. После темновой адаптации в течение
10 мин включение света увеличивало амплитуду МОГ (с 4 до 6 пТл), но
на свету это дополнительное поле постепенно, за время около 10 мин,
убывало до нуля. Такое поведение согласуется с результатами электрофи-
зиологических опытов. Ливанов и сотрудники [143] обнаружили измене-
ние магнитного поля глаза на 10 пТл при моргании.
Все проявления магнитной активности глаза имеют свои электрические
аналоги, и пока трудно говорить об исследовательской или клинической
114
перспективности магнитографических методов в этом направлении. Но
сам факт наблюдения и установления величины магнитных сигналов глаза
очень важен, так как позволяет оценить степень их мешающего влияния
при магнитных исследованиях мозга. Влияние оказывается достаточно
сильным, и его нужно учитывать, чтобы исключить паразитные эффекты
из-за движения глаз. Вероятно, наилучшим способом разделения сигналов
от глаз и мозга будет картирование магнитных полей, так как поле окуло-
граммы, хотя и более сильное, порождается источниками в глазах, а не в
мозге. Имея в виду именно эту цель, группа финских исследователей,
занимающаяся магнито энцефалографией, провела картирование магнит-
ных сигналов, возникающих при моргании [207]. Максимум амплитуды
(4 пТл) наблюдался в районе виска, и даже на удалении 8 см, в задней
части головы, где обычно проводятся измерения при изучении зритель-
ного восприятия, сигнал от моргания был достаточно велик (0,5 пТл).
Распределение поля соответствовало источникам, расположенным в обоих
глазах.
ГЛАВА 5
НЕЙРОМАГНЕТИЗМ
5.1. Новое направление в исследовании мозга человека
Начавшееся в конце 60-х годов исследование биомагнетизма сопровож-
далось непрерывным усовершенствованием методики измерений и магнито-
метрической аппаратуры. Шедший параллельно прогресс в технологии
производства сквидов и улучшение их чувствительности позволяли пере-
ходить к изучению все более слабых и сложных по структуре биомагнитных
сигналов. Вводились в строй новые магнитно экранированные комнаты,
обеспечивающие возможность проведения более разнообразных и тонких
биомагнитных измерений. Стремительно росло число исследовательских
групп, работающих в области биомагнетизма, которые по необходимости
были весьма разносторонними по своему профессиональному составу.
В них совместно и с интересом работали и работают физики и математики,
инженеры и врачи, физиологи и психологи, движимые энтузиазмом пионе-
ров в новой, быстро развивающейся области науки. Главный объект иссле-
дования здесь — человек, но подход к его изучению характеризуется при-
внесенной из естественных наук строгостью методик и постановки задач.
Такова общая характеристика биомагнитных исследований, когда
стало возможным экспериментально изучать самые слабые (во всяком
случае из пока известных) магнитные сигналы, создаваемые организмом
человека. Эти сигналы вызываются активностью нервной системы и, что
наиболее важно, головного мозга. Поскольку уже первый этап магнитных
исследований мозга показал несомненную перспективность метода и имея
в виду особую значимость головного мозга, это направление особо выде-
ляют из общего русла биомагнетизма под названием нейро магнетизм.
Магнитные исследования мозга с помощью сквидов привлекают особое
внимание по двум причинам. Первая - чувствительность сквид-магнито-
метров болевхчем в 100 раз выше, чем у лучших несверхпроводящих магни-
тометров, и как раз этот выигрыш в чувствительности позволяет проводить
исследования сигналов мозга. В этой области измерительная техника на
основе сквида обладает полной монополией. Во-вторых, мозг как биологи-
ческий объект особо выделен как по своей функции в организме, так и
по сравнительно слабой изученности принципов его работы. Если рассмот-
ренные выше органы, обладающие биомагнитной активностью (сердце,
мышцы, глаз), хорошо изучены другими методами и их строение и способ
действия представляются понятными, то мозг во многом, может быть в
основном, остается terra incognita. Информация о его устройстве, функ-
ционировании различных частей и процессах в них получена большей частью
с помощью хирургического вмешательства (удаление или разрушение
частей мозга, вживление электродов для регистрации внутренней актив-
116
ности или электрического его раздражения), что во многом искажает
работу мозга. Такой метод неприменим при исследовании человеческого
мозга, исключая случаи неизбежных нейрохирургических операций.
Перед наукой о мозге стоит много фундаментальных проблем (таких
как сущность восприятия, различие между сознаваемым и неосознаваемым,
природа памяти, функция сна) и прикладных клинических задач. Это очень
обширная и еще далекая от сколько-нибудь стройной упорядоченности
область исследований, в которой уже получено много фундаментальных
результатов, но, по-видимому, еще больше предстоит найти. Само знакомст-
во с проблематикой представляет собой непростую задачу. Читателю-
физику как введение в науку о мозге можно предложить книги Бехтере-
вой [208], Прибрама [209], Роуза [210], Шаде и Форда [211]. Хороший
и достаточно популярный обзор дан в [212].
Последнее десятилетие характеризуется вторжением современных физи-
ческих методов и аппаратуры в исследовательские лаборатории и нейро-
хирургические клиники, причем методов, не требующих хирургических
вмешательств, как говорят, ’’неразрушающего контроля” работы мозга.
Это и компьютерная томография, позволяющая путем просвечивания тела
тонкими пучками рентгеновских лучей во многих направлениях и после-
дующего обсчета на ЭВМ всей совокупности сигналов для каждого направ-
ления восстановить трехмерную картину распределения плотности, т.е.
рентгеновский образ тела [213]. Распространение получает метод ЯМР-
интроскопии (цойгматографии), позволяющий по магнитному ядерно-
резонансному поглощению телом радиоволн в градиентных магнитных
полях путем, опять-таки, обсчета очень большого числа отдельных изме-
рений получить трехмерную картину распределения атомов, точнее, ядер
определенного типа с резонирующим спином в этом теле [214]. Еще
один метод заключается во введении в организм, например путем инъек-
ции, химических веществ, содержащих изотоп, который, распадаясь, излу-
чает гамма-кванты. Применяя множество детекторов излучения, можно
по распределению направлений вылета гамма-квантов установить трех-
мерную картину тех областей в биообъекте, где происходит химическое
связывание веществ, содержащих позитронно-активную метку, — это
метод создания позитронных изображений [215]. Такими способами
можно определить индивидуальные особенности строения мозга, распре-
деление веществ и активность химических процессов, но не картину элект-
рических явлений в мозге, лежащих в основе его функционирования.
До недавнего времени основным ’’неразрушающим” методом физи-
ческого контроля активности мозга была электроэнецефалография (ЭЭГ),
регистрирующая изменения электрических потенциалов на коже головы
[216]. Эти потенциалы являются лишь слабым отражением электрических
процессов собственно в мозге, что связано со строением головы человека.
Мозг окружен тремя слоями тканей, обладающих существенно различными
электропроводностями — спинномозговой жидкостью *), костью черепа
*) Спинномозговой называют жидкость, заполняющую как канал спинного мозга
в позвоночнике, так и сообщающуюся с ним внутренность черепной коробки. Она
находится в тонком (2-3 мм) слое между наружной поверхностью мозга и внутрен-
ней поверхностью черепа.
117
и кожей скальпа (рис. 30). Значения электропроводности чередуются:
над мозгом с о =0,33 (Ом м)-1 лежит прослойка спинномозговой жид-
кости с лучшей электропроводностью а= 1 (Омм)"1, над ней слабо
проводящая кость с о= 0,04 (Ом • м)"1, покрытая кожей, снова обладаю-
щей сравнительно хорошей проводимостью, такой же, как у мозга, а =
= 0,33 (Ом • м)-1. Толщины слоев соответственно 2, 4 и 3 мм, при радиусе
кривизны головы 8,8 см. Это параметры модели, применявшиеся Каффи-
ном и Коэном для магнитоэнцефалографических расчетов [217] и достаточ-
но точно описывающие реальную ситуацию. Такая электропроводящая
структура существенно уменьшает плотности токов, текущих в скальпе,
по сравнению со случаем однородной проводящей среды. Кроме того,
она сглаживает пространственные вариации плотности токов, т.е. локаль-
ные неоднородности токов, вызванных нервной активностью, находят
слабое отражение на поверхности скальпа, где картина потенциалов содер-
жит сравнительно мало деталей [218].
Токи, текущие в кожном покрове и вызывающие потенциалы, регистри-
руемые ЭЭГ, много слабее токов, текущих в самой области активности,
и потому измерение несущих полезную информацию поверхностных потен-
циалов более подвержено влиянию помех. Что существенно, картина по-
верхностных потенциалов оказывается куда более размазанной, чем опре-
деляющее эту картину распределение внутримозговых потенциалов, по-
скольку черепные кости имеют отверстия, создающие пути с меньшим
электросопротивлением, но сложной конфигурации (отмечалось влияние
трепанационных отверстий в черепе на распределение сигналов ЭЭГ на
поверхности головы [219]). Сравнение вида электроэнцефалограмм,
снимаемых одновременно с поверхности головы и непосредственно с
коры полушарий с помощью вживленных электродов, показало различие
частотных спектров принимаемых сигналов, а именно: для частот выше
15 Гц составляющие спектра ЭЭГ на поверхности были сильно ослаблены
[220]. Отметим, что это ослабление не удается объяснить просто эффектом
экранировки электрических колебаний за счет токов, наводимых в прово-
дящем слое (скин-эффект). Проводились специальные расчеты [5] для
Рис. 30. Схема, показывающая строение приповерхностной части головы и распреде-
ление токов от источника, лежащего в коре мозга. Указаны электропроводности раз-
личных слоев. СМЖ - спинномозговая жидкость
118
различных тканей, которые показали, что сигнал даже на частоте 1000 Гц
ослаблялся бы всего в три раза при десятиметровой толщине слоя вещест-
ва, проводящего электрический ток, как ткань мозга. Это значит, что в
биологических телах реальных размеров скин-эффект можно не учитывать.
И это действительно Так, поскольку, например, высокочастотные компо-
ненты миограммы вполне хорошо наблюдаемы. Тем не менее влияние
приповерхностных неоднородностей электропроводности и, главным
образом, черепных костей имеет место, и этот недостаток ЭЭГ не дает
возможности проводить точную математическую обработку сигналов с
целью построения картины внутримозговой активности, в какой-то мере
аналогичной картинам распределения плотности в рентгеновской томо-
графии или ЯМР-интроскопии.
Появление сквид-магнитометров знаменует новый этап в решении
этой проблемы. Магнитный датчик реагирует непосредственно на токи,
протекающие в мозге, т.е. пространственное распределение и временная
зависимость магнито энцефалографических сигналов прямо отражают
внутреннюю электрическую активность мозга, практически не искаженную
влиянием черепа. Это следует из общих свойств магнитных полей, созда-
ваемых источниками в проводящем теле сферической формы (см. § 4.1).
Концентрические неоднородности электропроводности в виде спинномоз-
говой жидкости, черепа и скальпа никак не влияют на величину и распре-
деление магнитного поля вне тела. Это нетривиальный факт, так как замена
однородного шара на шар с концентрическими неоднородностями искажает
распределение токов в шаре и тем самым изменяет вид электрограммы,
снимаемой с его поверхности, но это измененное распределение токов,
тем не менее, дает то же магнитное поле, что и в однородном случае.
Помимо этого, петля магнитометра обладает избирательностью, так
как она принимает сигнал лишь от токов, определенным образом ориенти-
рованных относительно нее. Поэтому уже первые магнитоэнцефалографи-
ческие исследования обнаружили заметное различие магнитных и электри-
ческих данных. Впервые магнитная активность мозга была зарегистриро-
вана Коэном [86] с помощью индукционных катушек еще в ’’досквидов-
скую эпоху”, но для выделения сигнала из-под шума ему пришлось поль-
зоваться сигналом ЭЭГ в качестве опорного с усреднением по большому
числу сигналов. Порядка тысячи повторяющихся сигналов вместе с пре-
вышающими их по амплитуде шумами записывались и обрабатывались
на ЭВМ, которая повторяющиеся полезные сигналы накапливала, а шум,
не скоррелированный в разных периодах, усредняла. При обсчете большого
числа периодов можно было выделить искомый сигнал. Такая процедура
давала результат после длительной обработки, а не в момент приема сигна-
ла. Холодов и др. [221], используя аналогичный метод обработки резуль-
татов, получили МЭГ, применив магнитометр на парах цезия с оптической
накачкой. Однако реальный прогресс в магнитоэнцефалографии стал возмо-
жен лишь с появлением сквидов.
Резкое снижение шумов при использовании сквидов позволило прини-
мать магнито энцефалограмму без усреднения или, как говорят, в реальном
масштабе времени [222]. Это значит, что сигнал заметно превышал уровень
шумов и его можно было наблюдать на самописце или осциллографе не-
посредственно во время измерения. Для регистрации МЭГ надо приблизить
119
чувствительную катушку сквид-магнитометра или градиометра к голове.
На рис. 31а приведен пример такой записи, это так называемый альфа-ритм
мозга, представляющий собой колебания с частотой около 10 Гц, появляю-
щиеся у бодрствующего человека в спокойном состоянии при закрытых
глазах и отсутствии других раздражителей. Данная запись получена с по-
мощью сквид-градиометра с уровнем собственных шумов 35 фТлЛ/Гц и
с полосой пропускания от 7 до 13 Гц. Собственный шум прибора, регистри-
руемый в отсутствие испытуемого, примерно вдвое меньше, чем сигнал,
принимаемый от испытуемого с открытыми глазами, т.е. и при открытых
глазах тоже имеется некоторый сигнал от мозга. Очевидна необходимость
в дальнейшем уменьшении шумов магнито энцефалографических приборов,
чтобы иметь возможность перейти к исследованиям и этих полей, заметно
меньших, чем поле доминирующего альфа-ритма.
При измерениях приемная петля прибора находилась примерно
в 10 мм от поверхности головы, посередине между теменем и затылком.
Это, ориентировочно, точка PZ по стандартной системе установки электро-
дов для электроэнцефалографии. На нынешнем, начальном этапе становле-
ния исследований нейро магнетизма и техники магнито энцефалографии
еще не существует (и даже пока не предложена, в отличие от магнитокар-
диографии) стандартной системы и методики снятия МЭГ. На то есть ряд
веских причин. Во-первых, еще не установлено, какой должна быть опти-
мальная' пространственная дробность, или’’пространственное разрешение”,
при измерении распределения магнитного поля вокруг головы человека.
Масштаб необходимой сетки измерения, очевидно, определяется свойства-
ми нейро магнитных полей. Уже первые исследования показали, что рас-
пределение этих полей обладает более тонкой структурой, чем распреде-
ление электрических потенциалов по кожному покрову головы. Это свя-
зано с нечувствительностью нейро магнитных полей к приповерхностным
неоднородностям электропроводности, приводящим к ’’размытию” карти-
ны потенциалов. Если сравнивать МЭГ- и ЭЭГ-распределения, то вполне
уместна несколько вольная аналогия с наблюдением ландшафта с самолета
в ясную погоду и через дымку облаков.
Представление о пространственной вариации магнитных полей у поверх-
ности головы можно получить при одновременном измерении сразу в не-
скольких точках. С помощью четырехканального нейро магнито метра было
показано, что уже на расстояниях в 16 мм (настолько разнесены приемные
петли магнитометра, показанного на рис. 36) нейро магнитные поля меняют-
ся существенно. На записи, приведенной на рис, 316, сигналы в четырех
каналах не совпадают по амплитуде, но соотношения между ними сохраня-
ются. На некоторых записях нейромагнитной активности резко изменяют-
ся и соотношения сигналов в каналах, до такой степени, что амплйтуды раз-
личаются в несколько раз. Это означает, что магнитное поле заметно изме-
няется на расстояниях порядка сантиметра. Поэтому, чтобы получить
рельеф поля с хорошей точностью, точки измерения следует размещать на
расстоянии не более сантиметра.
Магнито энцефалография принципиально отличается от электроэнцефа-
лографии тем, что датчики поля не требуют крепления к голове и поэтому
их можно перемещать на требуемое расстояние.
120
МЭГ АЛЬФА-РИТМ
12тГТл ic
। Х| Глаза закрыты
а
ill til 1 » i i i i i I i i i 1 i i i i i I i i i t t i t ; i 1 i i i
0 1 2 3 Ц 5 6 c
6
Рис. 31. a - Пример магнитоэнцефалограммы, снятой в затылочной части головы. Измерена компонента поля, тангенциальная
скальпу. Шум прибора 35 фТл/vfu, полоса пропускания 7-13 Гц. При закрывании глаз появляется сигнал альфа-ритм а с
частотой 10,5 Гц. б - Синхронная запись МЭГ четырех к анальным нейтромагнитометром, показанным на рис. 36. Показан
участок альфа-ритмической активности с постоянной в течение 6 секунд частотой-10,3 Гц. Расстояние между нулевыми
линиями записей 3 пТл, цифры справа указывают номера каналов
До недавнего времени, когда сквиды были еще редкостью и об одновре-
менном использовании нескольких датчиков не было и речи, только пере-
мещение приемной петли сквид-магнитометра позволяло производить
запись распределения поля вокруг головы. Такой способ съемки распре-
деления поля — это кропотливое, длительное и трудоемкое занятие, и набор
точек измерения выбирался с учетом особенностей конкретного вида
активности, регистрируемой в данном эксперименте. Зачастую набор был
случайным и определялся удобством установки измерительного прибора
относительно головы.
Характерный вид приборов, применявшихся для кардиографических
измерений и перешедших ”по наследству” к магнитоэнцефалографии,
показан на рис. 17. Они сравнительно громоздки и тяжелы, а система их
подвеса не отвечает требованиям энцефалографической съемки. Именно
на таких приборах получено большинство данных по магнитным полям
мозга, нашедших отражение в этой книге. Для ускорения прогресса в
Рис. 32. Вид установки для магнитоэнцефалографических исследований, разработан-
ной в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова
122
магнито энцефалографии необходима дальнейшая специализация измери-
тельной аппаратуры. На этом пути в ИАЭ им. И.В. Курчатова создана уста-
новка, показанная на рис. 32 [334]. Масса сквид-градиометра всего 2,4 кг,
что позволяет крепить прибор на сравнительно легкой треноге, снабженной
специальным подвесом. Прибор может перемещаться в системе сферичес-
ких координат с центром вращений, расположенным в центре головы
испытуемого. Оператор может легко перемещать градиометр, вращая
подвес вокруг вертикальной оси и отклоняя дьюар на угол до 40° от верти-
кали. При таких перемещениях чувствительная петля градиометра нахо-
дится практически на одном и том же расстоянии от поверхности головы
и сохраняет ориентацию по отношению к радиусу.
И все-таки одноточечные приборы явно не отвечают все возрастающим
потребностям МЭГ. Необходимость ускорения процедуры съемки нейро-
магнитных полей и повышение ее точности требуют применения много-
точечных систем магнито энцефалографии, отвечающих потребностям
исследования именно головного мозга человека.
При ориентации на многоточечные системы магнитоэнцефалографии
проблемой, аналогичной введению системы крепления электродов для
ЭЭГ, будет унификация конструируемых приборов по расположению и
типу магнитометрических датчиков — собственно сквидов или приемных
петель трансформаторов потока. Существенным будет установление их оп-
тимального расположения, ориентации, числа, а также возможности и необ-
ходимости перемещений (или жесткой фиксации) всего прибора относи-
тельно головы. Предстоит выяснить возможность использования несколь-
ких приборов, в каждом из которых есть набор закрепленных датчиков.
С учетом векторной природы магнитных полей выбор вариантов представ-
ляется почти необозримым.
Вероятно, до того как будет создана унифицированная аппаратура и
методика магнито энцефалографии, предстоит пройти еще несколько после-
довательных этапов, на каждом из которых результаты нейромагнитных
исследований на приборах предыдущего поколения будут определять
технические требования к последующим разработкам. Первый этап, сос-
тоящий в использовании одиночных сквид-градиометров, оказался доста-
точно плодотворным и указал пути развития магнито энцефалографических
приборов в направлении создания многоточечных систем.
5.2. Источники нейромагнитных полей
В начале гл. 4, в § 4.1, мы уже рассматривали электрические свойства
нервных клеток—нейронов, представляющих собой наиболее характерные
источники биотоков мозга и, следовательно, его магнитных полей. Теперь
мы остановимся на более конкретных деталях, необходимых для объясне-
ния особенностей нейромагнетизма. Степень детализации зависит от того,
в какой мере форма нейронов, их строение, взаимодействие с другими
клетками, пространственное распределение и электрическая активность
могут найти отражение в магнито энцефалограмме, понимаемой как век-
торная функция В (г, t) от времени t и радиус-вектора г точки наблю-
дения. Здесь нам придется забегать несколько вперед: для оправдания
акцента на том или ином свойстве нервной клетки или структурной части
123
головного мозга мы будем опираться на уже полученные результаты изме-
рений нейромагнитных полей, о которых будет рассказано в дальнейшем.
Этот раздел нельзя считать изложением уже устоявшихся представлений
о том, где и каким образом генерируются те или иные наблюдаемые нейро-
магнитные поля. Скорее это изложение сведений, которые существенны
для понимания того, как могут возникнуть эти поля в результате процес-
сов в головном мозге, а также, что не менее важно, какого типа процессы
не могут дать заметных магнитных полей. В настоящее время можно лишь
констатировать, что надежной физической схемы, объясняющей генерацию
поверхностных электрических потенциалов, указывающей и характеризую-
щей их источники (не говоря уже о магнитных полях), не имеется — не-
смотря на наличие обширных и серьезных исследований по ЭЭГ [218,
223,224].
Имея в виду это вступление, рассмотрим свойства нервной ткани го-
ловного мозга как источника магнитных полей. Для биомагнитных иссле-
дований голова, в большей своей части, хорошо описывается сферической
моделью объемного проводника, имеющего лишь концентрические неод-
нородности электропроводности вблизи поверхности (череп, скальп).
Внутримозговая электрическая активность такова, что во многих случаях
можно выделить процессы, происходящие в сравнительно небольшой
части мозга. Многим из этих процессов можно соотнести токовый диполь
(см. § 4.1) как первичный источник магнитного поля. Другие виды актив-
ности, захватывающие большие участки нервной ткани, а может быть,
и весь объем мозга, иногда удается представить как сумму определенного
числа токовых диполей. Если некоторый токовый диполь помещен в прово-
дящую среду, то его тангенциальная компонента Р создает индукцию
магнитного поля В, значение которой сильно зависит от глубины залегания
диполя.
Для заданного Р при приближении диполя к центру шара (а — расстояние
до центра), во-первых, уменьшается эквивалентный магнитный диполь*)
т = КРа, а, во-вторых, с удалением от поверхности поле этого магнитного
диполя ослабевает примерно как обратный куб расстояния до точки изме-
рения. Таким образом, из множества одинаковых токовых диполей, могу-
щих возникнуть внутри мозга, наиболее сильно проявятся во внешнем
магнитном поле те, которые расположены вблизи поверхности. Практичес-
ки все это пространство в головном мозге человека занимают большие
полушария. Ближе к центру головы расположены другие важные отделы
головного мозга, такие как таламус, гиппокамп и т.п. Чтобы читателю
было легче ориентироваться в терминологии и пространственных соотно-
шениях между различными частями мозга, мы приведем известную кар-
тинку из книги ’’Мозг” [212] (рис. 33). В рамках сферической модели
появление токового диполя в центре мозга будет давать лишь незначи-
тельное магнитное поле вне головы. Однако именно для процессов в центре
головы применение сферической модели наименее обоснованно. С лабо-
проводящая костная ткань нижней стенки черепной коробки, вблизи
которой и находятся возможные электрические источники центральных
*) Напомним, что эквивалентный магнитный диполь описывает лишь основной
вклад (’’первое приближение”) в магнитное поле, производимое токовым диполем.
124
Спинной мозг
Рис. 33. Строение головного мозга человека с указанием основных его отделов. Из
книги ’’Мозг” [212]
отделов мозга, не обладает степенью регулярности, подходящей для воз-
можных теоретических оценок. Кроме того, в основании черепа имеются
большие отверстия для выхода нервов, кровеносных сосудов и спинного
мозга. Эти неоднородности делают неприменимыми выводы сферической
модели, и поэтому возможность регистрации магнитной активности цент-
ральной части мозга не исключена. Правда, попытки экспериментально
обнаружить магнитный отклик ствола мозга на звуковой сигнал не дала
результата, несмотря на то, что опыты проводились в ферромагнитно-
экранированной комнате и с наиболее чувствительным магнитометри-
ческим оборудованием [225]. При этом регистрировался сигнал ЭЭГ
амплитудой 1 мкВ, но магнитного отклика не было видно вплоть до по-
рога чувствительности з фТл/ТТч
Маловероятно, что величину магнитных сигналов от источников, лежа-
щих вблизи центра головы, можно рассчитать, скорее всего здесь поможет
точное моделирование, аналогичное применяемому при решении кардио-
графических [139] или энцефалографических [140] задач. Примеры такого
моделирования, даже на живом объекте — обезьяньем мозге, уже имеются
[226], оно применялось для анализа источников, дающих сигналы ЭЭГ.
Тем не менее очевидно, и тому уже много экспериментальных свиде-
тельств, что источником наиболее сильных нейромагнитных сигналов слу-
жат полушария головного мозга человека. Если учесть, что именно за
большими полушариями предполагается ведущая роль в осуществлении
высшей нервной деятельности человека разумного, становится очевидной
важность магнитометрической методики.
Большие полушария занимают большую часть черепной коробки. Как
это ни удивительно, по своей анатомической структуре различные участки
полушарий различаются слабо [227, 228], и это несмотря на громадное
разнообразие функций, ими выполняемых. Фактически это довольно
однородный слой серого вещества (кора мозга), находящийся снаружи
125
белого вещества. Поверхность коры очень развита — ее площадь до четвер-
ти квадратного метра, так как рельеф больших полушарий очень изрезан.
Для этого рельефа характерны многочисленные и глубокие борозды,
разделяющие извилины (см. рис. 33). Рисунок извилин очень прихотлив
и во многом индивидуален, даже правое и левое полушария одного чело-
века могут в этом отношении заметно различаться. Конечно, существуют
и вполне общие детали анатомического строения, как, например, продоль-
ная борозда, разделяющая полушария, центральная (роландова) борозда,
идущая примерно от темени к виску, и латеральная (сильвиева) борозда,
отделяющая височную долю. Примерно две трети из общей поверхности
коры находятся в складках и лишь треть — на внешней поверхности мозга,
прилегающей к черепу.
Значительную часть нервной ткани составляют нейроны - клетки, обла-
дающие способностью к импульсной электрической активности, а именно,
к генерации потенциала действия (см. §4.1). В них возможны также и
плавные, градуальные изменения мембранного потенциала. Нейроны окру-
жены так называемыми глиальными клетками, которые тоже способны
изменять свой мембранный потенциал, но очень медленно, обычно реаги-
руя на изменение ионного состава межклеточной среды. Эта межклеточная
среда — электролит, она и образует объемный про во дни.., по которому
текут внеклеточные токи /. Мембраны клеток обладают сравнительно
плохой электропроводностью, поэтому для токов / среда представляет
собой как бы проводящую губку с непроводящими пустотами. Более
подробное описание проводящих свойств мозга дано в книге ’’Мозг как
объемный проводник” [229]. Отношения объемов, занятых нейронами,
глией и межклеточной средой, составляют приблизительно 45:45:10 с за-
метными вариациями [218,229].
Нейроны и глиальные клетки тесно переплетены между собою, образуя
нейропиль (нервную сеть) с многочисленными контактами (синапсами)
между нейронами. Число нейронов в коре около десяти миллиардов (1О10).
Отдельный нейрон обладает своеобразным строением: тело клетки имеет
в поперечнике десятки микрометров, из него выходят многочисленные
тонкие и длинные отростки диаметром в несколько микрометров. Один
из них резко выделен по своей функции — это аксон, длина которого может
достигать одного метра. По нему от тела нейрона может распространяться
нервный импульс и передаваться на большие расстояния. Пучки аксонов,
каждый из которых окружен изолирующей миелиновой оболочкой, и
образуют белое вещество мозга. Миелиновая ’’изоляция” на аксонах не
сплошная, а похожа на ряд удлиненных бусин, образованных специальной
разновидностью глиальных клеток. Трансмембранные токи могут течь
только в зазорах между этими бусинами. Белое вещество мозга осуществ-
ляет коммуникационные функции в мозге, передавая в виде импульсов
(аналог цифрового кода) информацию в нервной системе. Самый большой
пучок таких ’’аксонных проводов” — это мозолистое тело, соединяющее
полушария мозга и содержащее около 2 - 108 волокон, а общее число
аксонов, составляющих белое вещество, примерно равно числу нейронов
в коре, т.е. Ю10 [218].
Аксон — наиболее хорошо изученная часть нейрона. Это объясняется
удобством экспериментирования на гигантском аксоне кальмара, дости-
126
К сквиду
Рис. 34. Схема эксперимента Виксво, Барача
и Фримана [230] по регистрации магнитно-
го поля отдельного нервного импульса в
нервном волокне лягушки. Сплошные
стрелки показывают токи, связанные с нерв-
ным импульсом, светлые стрелки - магнит-
ные поля. Переменный сигнал к сквиду пе-
редается с помощью трансформатора из
медной проволоки, намотанной на феррито-
вый сердечник, окружающий нервное во-
локно
Рис. 35. Пространственное распределение -у#
потенциала действия вдоль аксона. Стрел-
И, мВ
+50 ~
0 -
ка вверху показывает направление рас-
пространения. Две толстые стрелки внизу
соответствуют двум равным по величине
токовым диполям, расположенным на
фронтах деполяризации и реполяризации
нервного импульса
гающая миллиметра в диаметре и служащем классическим объектом
нейрональных исследований *). Электрические процессы в аксонах доста-
точно хорошо поддаются теоретическому описанию и анализу Поэтому
представляется полезным рассмотреть возможную роль потенциалов дейст-
вия, распространяющихся по аксонам, в генерации нейромагнитных полей.
Экспериментальный подход к изучению магнитных полей вокруг аксо-
нов был применен Виксво и др. [230]. Схема эксперимента по наблюдению
магнитного поля нервных импульсов вокруг нервного волокна лягушки
показана на рис. 34. Волокно содержит около 2000 аксонов. С помощью
ферритового сердечника, окружающего оголенный нерв, и трансформатора
магнитного потока из медной проволоки, передающего сигнал к сквиду,
удалось обнаружить магнитное поле нервного импульса в* 125 пТл [230].
Использование несверхпроводящей проволоки означает, что доступны
*) Забавно, что в английском языке слово ’’кальмар” пишется и произносится
точно так же, как и аббревиатура "сквид”.
127
регистрации только быстропеременные сигналы. Как видно, импульс
магнитного поля достаточно велик, и в последующих измерениях такого
рода вместо сквида применялись низкошумящие транзисторные усилители,
с помощью которых было измерено магнитное поле нервного импульса
в уединенном аксоне омара [231]. Разработанная в этих экспериментах
методика нашла и практическое применение. Авторы предложили исполь-
зовать подобные датчики магнитного поля в виде ферритовых тороидов
для бесконтактного контроля активности нервных стволов без нарушения
их оболочки во время хирургических операций (ферритовые сердечники
должны составляться из двух половинок, чтобы можно было окру-
жить ими оголенный нерв).
Распределение токов и магнитное поле вокруг нервного импульса имеет
своеобразный вид (рис. 34). На переднем фронте импульса силовые линии
магнитного поля окружают аксон, будучи закручены по часовой, а на
заднем фронте — против часовой стрелки. Эта картина является следствием
токов, генерируемых трансмембранным потенциалом, распределение кото-
рого вдоль аксона показано на рис. 35. По расчетам Плонси [126], картину
магнитного поля нервного импульса можно представить как результат
действия двух равных по величине и противоположно направленных токо-
вых диполей, один из которых расположен на фронте деполяризации, а
другой — на фронте реполяризации спайка (рис. 35). В предположении
однородной окружающей среды эти токовые диполи Р можно выразить
через параметры потенциала действия в аксоне; Рпд получается интегри-
рованием плотности возникающих токов по внутриклеточному объему.
Для отдельного диполя получаем
00 _ тга2 dV
Лд= f /(*) • ™ dx = J-------— dx =
о о dx
тга2 тга2 Кпд
=-----[И(0)-Г(оо)] =------™ ; (5.1)
Pi Pi
здесь а — радиус аксона, pz — удельное сопротивление внутриклеточной
жидкости (аксоплазмы), V (°°) = 0. Полученный результат применим как
к аксонам миелинизированным (покрытым ’’бусинками” глиальных
клеток — миелиновой электроизолирующей оболочкой), так и к немиели-
низированным. Наиболее сильные диполи возникают в толстых аксонах.
В этом, видимо, одна из причин успеха, заключающегося в наблюдении
магнитного поля, вызванного единичным потенциалом действия, распрост-
раняющимся в довольно крупном аксоне омара [231].
К сожалению, наблюдение магнитного поля нервного импульса на аксо-
нах, извлеченных из организма (при измерениях их помещают в ванну с
физиологическим раствором), не дает бесспорного указания на источник
магнитных полей, наблюдаемых методами магнито энцефалографии. Как
уже говорилось выше (§4.1), магнитное поле определяется не только
величиной токового диполя, но и формой тела, в котором он находится,
а также распределением электропроводности в этом теле и ориентацией
диполя в нем. Если аксон направлен вдоль радиуса шарообразного тела,
то спайк не даст никакого поля вне этого шара. Ничтожное внешнее поле
будет создано и активностью аксона, проходящего вблизи центра шара.
128
Рис. 36. Модель, демонстрирующая вза-
имное положение и относительные раз-
меры головного мозга человека и изме-
рительной катушки четырехканального
сквид-градиометра. Для наглядности не
показаны наружные оболочки головы
(череп, скальп), а также детали конст-
рукции гелиевого дьюара. Рисунок пре-
доставлен профессором О. Лоунасмаа
Даже наиболее удачно (с точки зре-
ния эффективности генерации маг-
нитного поля) расположенный ак-
сон, т.е. параллельный поверхности
сферы (головы), когда каждый из
диполей, соответствующий спайку
в аксоне, дает поле, такое как на
рис. 21, порождает очень небольшое
магнитное поле. Происходит это по-
тому, что поля двух противополож-
ных диполей спайка практически
компенсируют друг друга в доста-
точно удаленном месте измерения.
В результате магнитное поле токов,
вызванных потенциалом действия,
имеет так называемую квадруполь-
ную структуру (рис. 34), а не дипольную, как на рис. 21. Поле токового
квадруполя, т.е. пары противоположно направленных токовых диполей,
убывает быстрее дипольного, и на том расстоянии, где обычно измеряется
магнитоэнцефалограмма, уже очень мало. На рис. 36 представлены размер-
ные соотношения между человеческим мозгом, приемной петлей (петлями)
трансформатора потока и типичным расстоянием между ними. Для нагляд-
ности не показаны оболочки мозга (череп, скальп) , а также стенки и ваку-
умное пространство гелиевого дьюара. По отношению к эффективности ре-
гистрации магнитного поля два способа измерения, показанные на рис. 34
и 36, различаются на много порядков, но второй из них отличается тем не-
оценимым преимуществом, что позволяет вести измерения без вмешатель-
ства в работу исследуемого органа.
Магнитное поле спайка, наблюдаемое вне головы, мало, и даже наличием
всего множества нервных импульсов, постоянно циркулирующих по бело-
му веществу мозга, не удается объяснить наблюдаемую величину нейромаг-
нитных полей. Были, однако, рассмотрены случаи, когда симметрия аксона
несколько нарушена, т.е. два противоположных токовых диполя спайка не
полностью компенсируют друг друга [232]. Наиболее сильно этот эффект
должен проявляться для волокон, имеющих форму спирали. Оценка пока-
зывает, что в этом случае импульсная активность в белом веществе мозга,
в принципе, может дать заметный вклад в магнитоэнцефалограмму.
К сожалению, точных данных о спиральности волокон не имеется, и про-
верка этой гипотезы не проведена. Вероятно, имеет смысл математически
проанализировать случай, когда диаметр аксона постепенно уменьшается
129
по мере удаления от тела клетки, однако влияние такой конусности вряд
ли будет сильнее, чем изогнутость волокна.
Существует и другое, присущее самому процессу распространения спай-
ка в аксоне нарушение симметрии потенциала действия, а значит, и тока,
и поля. Оно происходит в момент, когда.спайк начинает движение от тела
клетки или подходит к концу аксона, т.е. к месту синаптического оконча-
ния [233]. Тогда, хотя и на очень короткое время, около 1 мс, действует
лишь один из двух токовых диполей. Конец волокна просто обрезает один
из них [126]. В этот момент магнитное поле нервного импульса имеет
дипольную структуру типа показанной на рис. 21. Представляет интерес
оценить, каково магнитное поле, создаваемое токовым диполем в этой фа-
зе потенциала действия. ’’Конечные станции” аксонов белого вещества
мозга лежат с одной стороны в центральных отделах мозга, с другой —
в коре мозга *). Характерные диаметры аксонов, входящих в кору мозга
человека, имеют разброс 0,5 - 4 мкм [218]. Подставив в форму-
ПУ (5.1) Ипд = 0,12 В, = 1 Омм [229] и а =0,8 мкм, получим
РПд = 2,5-10"13 А’М.
Обратим внимание на то, что величина и направление токового диполя не
зависят от того, приходит спайк в кору или покидает ее. Максимальное
поле, создаваемое тангенциальным токовым диполем, лежащим на глуби-
не d внутри проводящего полупространства, выражается формулой [234]
Вшах = 0,385 д0Р/(4я^2 ). (5.2)
Воспользуемся ею для оценки, имея в виду, что распределение по-
ля в случае мелко залегающего диполя аналогично рис. 21. Положив
Р = 2,5-10“13 А-м и d = 3 см, учитывая наружные слои головы и рас-
стояние от ее поверхности до чувствительной петли прибора (ср. рис. 36),
получим В = 10~17 Тл = 10”2 фТл. Это означает, что для того чтобы
создать нейромагнитное поле с характерной амплитудой 1 пТл, потребует-
ся 105 нервных импульсов, одновременно прибывающих или покидающих
участок коры. Если учесть, что плотность аксонов, входящих в кору, со-
ставляет примерно 1,5 -105 аксон/мм2 ([218], с. 439), оценка представ-
ляется вполне правдоподобной.
Однако длительность рассматриваемой фазы потенциала действия
в аксоне очень кратковременна, около 1 мс. Кроме того, подавляющая
часть аксонов уходит на сравнительно небольшое расстояние от тела клет-
ки, осуществляя связи внутри коры или между непосредственно приле-
гающими ее участками, и лишь 1 % волокон уходит к центральным отделам
мозга (таламусу — см. рис. 33). Значит, для поддержания нейро магнитной
активности, имеющей длительность, существенно превышающую продолжи-
тельность спайка, надо, чтобы эти далеко уходящие волокна непрерывно
посылали потоки афферентных (в кору) и эфферентных (из коры)
импульсов с полной пропускной способностью. Нужно учесть, что по
одному аксону импульсы могут идти лишь с определенными промежутка-
ми между ними - из-за так называемого рефрактерного периода аксона.
*) Большая часть аксонов начинается и кончается в коре больших полушарий,
имея длину от долей миллиметра до десятка сантиметров.
130
На время этого периода после прохождения спайка участок аксона теряет
способность к импульсному изменению проводимости мембраны и в тече-
ние времени, в несколько раз превышающего длительность спайка, не
может пропускать нервные импульсы.
Обмен импульсами на коротких внутрикорковых расстояниях, малых
по сравнению с расстоянием до точки измерения (см. рис. 33), не может
дать заметного вклада в наблюдаемые нейро магнитные поля, так как раз-
личные фазы движения спайка будут компенсировать друг друга при
усреднении по большому числу аксонов, необходимому для создания
измеримого поля. При усреднении следует учитывать все фазы раскомпен-
сации токовых диполей — начало и окончание движения, перемещение по
изогнутым частям аксона, которые в результате суммирования по всем ак-
сонам дадут нулевой вклад. В результате представляется маловероятным, что
магнитными полями распространяющихся нервных импульсов можно
объяснить сравнительно низкочастотный характер спектра магнитоэнце-
фалограммы.
С другой стороны, приход афферентных потоков импульсов вполне
может объяснить кратковременные (высокочастотные) составляющие ней-
ромагнитных полей, например, тех, которые возникают в ответ на возбуж-
дение органов чувств. Коэн и Каффин [235] подробно исследовали
пик МЭГ амплитудой 0,5 пТл и длительностью около 3 мс, возникающий
через 18,5 мс после электрического раздражения кисти руки. Это самый
ранний из приходящих в кору головного мозга сигналов о раздражении.
Учитывая хорошо доказанный факт, состоящий в том, что наиболее быстро
проводят сигналы самые толстые аксоны, можно сделать вполне разумную
оценку числа импульсов, прибывших в кору в этот момент и создавших
измеренное нейро магнитное поле дипольной структуры - это пример-
но 104 импульсов.
В качестве генератора медленно меняющихся нейромагнитных полей,
в том числе и поздних компонент МЭГ в ответ на возбуждение, можно рас-
сматривать и иные механизмы. Ясно, однако, что источниками измеримых
нейромагнитных полей могут быть только структуры, содержащие доста-
точно большое количество клеток, порядка 105, к тому же обладающих
по крайней мере одномерной упорядоченностью, так чтобы диполи, созда-
ваемые отдельными клетками, складывались. Это означает, что направле-
ния отростков клеток должны группироваться около некоторого преиму-
щественного направления.
Вероятным источником могут оказаться глиальные клетки, которые
могут быть связаны между собой прямыми электрическими связями (элек-
трическими синапсами [122]) и образовывать электрически упорядочен-
ную структуру цепочек из нескольких клеток. Такие образования могут
быть ответственны за появление медленно меняющихся, за времена поряд-
ка секунд, нейромагнитных полей. Правда, наблюдать таковые с помощью
имеющихся магнитометрических методик пока не удается. Прямых нейро-
анатомических доказательств существования подобных глиальных струк-
тур тоже пока не получено.
Характерной особенностью любого участка коры, мозга, легко заметной
на нейроанатомических препаратах, является существование множества
гак называемых пирамидных клеток, составляющих две трети всех нейро-
131
нов коры. Они имеют специфическое строение (рис. 37), заключающееся
в однонаправленности главного, наиболее длинного, апикального дендрита
пирамидного нейрона. Все апикальные дендриты ориентированы перпенди-
кулярно поверхности коры, ’’протыкая” различные ее слои, а длина их
колеблется от 0,2 до 2 мм. Апикальным дендритам приписываются важ-
нейшие функции логических операций, осуществляемых элементами коры
мозга в виде колонок, имеющих поперечник примерно 0,3 мм и ориентиро-
ванных также перпендикулярно поверхности коры. Было, например,
выявлено чередование вдоль поверхности коры полос, содержащих колон-
ки, получающие информацию от одного или от другого глаза [122]. Были
продемонстрированы и другие виды специализации колонок: по виду сти-
мула на сетчатке глаза, по цвету, по направлению движения стимула.
Мы остановимся только на тех свойствах апикальных дендритов, кото-
рые, возможно, имеют отношение к генерации магнитных полей. Дендрит,
мало чем геометрически отличаясь от немиелинизированного аксона, струк-
турно отличается тем, что по всей длине имеет многочисленные синаптиче-
ские контакты со множеством других нейронов. Изменения проводимости
мембраны вызываются в нем не только вследствие изменения трансмем-
бранного потенциала, как при возникновении потенциала действия, но и
в результате химического воздействия в синаптических контактах посред-
ством особых химических веществ — медиаторов. Отличие этого воздейст-
вия заключается в том, что возникающее локальное изменение транс-
мембранного потенциала, постсинаптический потенциал (ПСП), если оно
конечно, не превысило порогового значения, не бежит по дендриту. Транс-
Рис. 37. Схематическое изображение пирамидного нейрона коры головного мозга.
Утолщение внизу - тело клетки, от которого вверх идет апикальный дендрит, ветвя-
щийся на конце. В стороны отходят более короткие базальные дендриты. Вертикаль-
но вниз от тела клетки идет еще и тонкий аксон. Обозначены синапсы с другими
нервными клетками, дающие возбуждающие (ВПСП) и тормозные (ТПСП) постси-
наптические потенциалы. Справа показаны различные варианты распределения транс-
мембранного потенциала при синаптической передаче и соответствующие им токовые
диполи: а - один ВПСП в средней части апикального дендрита - токовые диполи ком-
пенсируются; б - два ВПСП на концах дендрита - токовые диполи компенсируются;
в - один ВПСП на конце дендрита - некомпенсированный токовый диполь; г -
ВПСП на одном конце и ТПСП на другом конце дендрита - токовые диполи
складываются
132
мембранный потенциал просто экспоненциально убывает с удалением от
активного синапса с характерной ’’электротонической” длиной X:
V(x) = ^пспвхр(-х/Х), (5.3)
где х - расстояние от синапса, а Ипсп - постсинаптический потенциал
вблизи синапса. Длина X может быть выражена через параметры дендрита:
X2 = ad/(2pzg0), (5.4)
где ad - радиус дендрита, pz - удельное сопротивление внутриклеточной
жидкости, совпадающее с таковым для аксоплазмы (1 Ом-м), g0 — прово-
димость единицы поверхности мембраны. Последняя сильно варьирует для
разных клеток с характерным диапазоном 5-25 Ом^-м”2 [229]. Апи-
кальные дендриты обычно в несколько раз толще, чем аксоны той же пира-
мидной клетки. Для клеток среднего размера ближняя к телу клетки
часть дендрита имеет диаметр 4 мкм. При удалении от тела дендрит посте-
пенно утоньшается до 1 мкм в диаметре на дальнем конце, т.е. на удалении
0,5-2 мм [236]. Конусность невелика, и всегда можно ввести локальную
электротоническую длину X, которая для апикальных дендритов составляет
примерно 200 мкм ([224], с. 39). Это лишь малая часть всего дендрита.
Математически ситуация не отличается от рассмотренного выше случая
аксона. Магнитное поле, соответствующее постсинаптическому потенциалу
на среднем участке дендрита, длинного по сравнению с X, также может
быть представлено в виде результата активности пары равных по величине
и противоположно направленных токовых диполей, разделенных рас-
стоянием 2Х [136]. Величины диполей могут быть рассчитаны с ис-
пользованием того же уравнения (5.1). Тогда, подставляя радиус
дендрита ad = 2 мкм, для характерного ПСП амплитудой 10 мВ получим:
Рпсп = 1,2-10“13 А-м, т.е. значение того же порядка, что и для токового
диполя, соответствующего потенциалу действия. Так же, как и для спайка,
эти диполи в средней части дендрита компенсируют друг друга и не дают
вклада в наиболее сильное (дипольное по структуре) магнитное поле.
Важнейшее различие между потенциалом действия и ПСП заключается
в том, что последний не перемещается и в течение всего времени своего
существования, длительность которого иногда достигает сотен милли-
секунд, локализован на одном из концов дендрита. В этом случае возни-
кает только один из токовых диполей (см. рис. 37), дающий магнитное
поле, такое как на рис. 21. Под концом дендрита можно понимать то место
в верхней его части, где он ветвится, посылая отростки в направлении,
параллельном поверхности коры.
Необходимо отдавать себе отчет в том, что для представления дендрита
в виде токово-дипольного источника существенно только положение актив-
ного синапса по длине дендрита, тогда как положение самого нейрона
в глубине коры никакой роли не играет. Любой набор параллельных друг
другу клеточных токовых диполей, расположенных в данном участке
нервной ткани, произведет нейро магнитное поле, являющееся суммой
вкладов отдельных клеток.
Чтобы поддерживать токовый диполь, соответствующий измеряемым ней-
ромагнитным полям, т.е. 10“8 А-м [237, 238], в каждый момент времени
133
существования поля требуется 8-104 ПСП по 10 мВ. Следует учесть, что
направление токового диполя для возбуждающего ПСП (ВПСП) на од-
ном из концов дендрита совпадает с направлением диполя для тормоз-
ного ПСП (ТПСП), но на другом его конце. ПСП одинаковой полярности
и амплитуды на противоположных конечных участках дендрита будут
компенсировать друг друга при условии равенства диаметров этих участ-
ков (см. рис. 37). В отличие от потенциала действия, амплитуда ПСП не
постоянна, а зависит от силы синаптической передачи, которая определяется
количеством выделившегося в синапсе медиатора и тем, насколько сильно
постсинаптическая мембрана изменяет свою проницаемость для ионов под
действием медиатора. Чтобы вычислить полный токовый диполь, возни-
кающий в некотором участке коры, следует просуммировать вклады
отдельных клеток, учтя величину ПСП, их положение относительно апи-
кального дендрита и сечение последнего. Так же, как в случае аксона,
толстые дендриты будут наиболее эффективными источниками магнитных
полей. Это означает, кроме того, что ближняя к телу нейрона толстая часть
дендрита играет более важную роль, чем его дальний конец. В силу конусно-
сти дендрита один из пары диполей в средней части дендрита будет
несколько больше, так как в месте его расположения диаметр чуть больше.
Однако генерируемое благодаря этой разнице поле для реальных дендритов
много меньше, чем поле отдельного токового диполя на конце. Если пост-
синаптический потенциал возникает на самом теле нейрона, то и в
этом случае возникающий токовый диполь определяется параметра-
ми выходящего из него дендрита. Можно показать расчетом, что вклад
тела нейрона в токовый диполь, вычисляемый в соответствии с (5.1)
как интеграл по объему от плотности внутриклеточных токов, относи-
тельно мал.
Из этих рассуждений видно, какие параметры могут влиять на
временной ход и амплитуду нейромагнитных полей, приписываемых
активности апикальных дендритов пирамидных нейронов, Рассмотренные
источники, хотя и наиболее вероятные, отнюдь не исчерпывают всех воз-
можностей, и любая другая структура, обладающая достаточным числом
одномерно упорядоченных клеток, может рассматриваться как возможный
генератор нейромагнитного поля.
Апикальные дендриты и, следовательно, йх токовые диполи перпендику-
лярны поверхности коры, и поэтому на внешней поверхности больших
полушарий они оказываются ’’магнитно немыми”. С другой стороны,
наиболее изученные нейро магнитные сигналы, если исходить из измеренно-
го распределения их магнитного поля, говорят о наличии источников, рас-
положенных в глубине складок коры. Все это согласуется с представлением
об апикальных дендритах как основных источниках нейромагнитных по-
лей; с активностью этих дендритов связывают также и низкочастотную
составляющую ЭЭГ [218, 223, 224]. В отличие от ЭЭГ, на виде которой,
очевидно, прежде всего сказывается активность наиболее близкой к изме-
рительным электродам внешней поверхности полушарий, МЭГ в большей
мере отражает активность в складках коры.
Вопрос об относительной информационной ценности МЭГ и ЭЭГ - один
из важнейших, и он рассматривался во многих работах. Теоретический
анализ чувствительности электрических и магнитных датчиков как средства
134
изучения электрической активности мозга провели Каффин и Коэн [217] —
в рамках четырехслойной сферической модели головы.
Результаты расчетов, представленные в виде привычных для спе-
циалистов полей отведения (см. § 4.1), показали, что приповерхностные
неоднородности проводимости размазывают электрический сигнал, т.е.
на ЭЭГ в любом отведении оказывает влияние активность примерно
втрое большего участка поверхности коры, чем для соответствующего
МЭГ-отведения.
В дальнейшем Каффин и Коэн провели экспериментальное сравнение
электрических и магнитных полей от определенного источника в коре -
так называемого N 20-отклика на тактильное (вызываемое электрическими
импульсами) раздражение кисти руки*) [235]. Источник этого сигнала
хорошо изучен. Были сняты карты распределения полей. Магнитное поле
оказалось подобным полю, производимому токовым диполем, как на
рис. 21а. Электрическое поле от токового диполя имеет более сложную
структуру. Для чисто тангенциального диполя (перпендикулярного радиусу
сферы) картина изопотенциальных линий имеет вид, очень похожий на кар-
тину линий равной напряженности магнитного поля (рис. 21а), но повер-
нутую на 90° относительно диполя, и расстояние между экстремумами
несколько больше. Это напоминает соседство горы и впадины на географи-
ческой карте. Если диполь наклонять, то картина меняется следующим
образом: гора растет за счет впадины и смещается к точке над диполем,
так что для радиального диполя остается одна гора, симметричная относи-
тельно оси диполя. В описываемых экспериментах обнаружился промежу-
точный случай. Вывод этой работы состоит в том, что размазанность
картины электрических потенциалов лишь на 30% больше, чем для магнит-
ных полей. Вероятно, столь небольшое различие объясняется конкретным
выбором источника, потому что ряд других исследований, например [239],
указывают на большие различия.
В электроэнцефалографии для точного измерения распределения потен-
циалов важно правильно выбрать положение так называемого нейтрального
электрода. ЭЭГ потенциалы измеряются не иначе, как разность потенциалов
между двумя электродами, и в идеальном случае нейтральный электрод
должен быть строго на линии нулевого потенциала, а она для каждого
источника, вообще говоря, своя. При измерении магнитного поля такой
проблемы нет. Распределение магнитного поля токового диполя симмет-
рично, в то время как вид картины электрических потенциалов более
сложен и зависит от наклона диполя по отношению к поверхности. Это
вводит дополнительную переменную и, если учесть малость ЭЭГ-сигналов,
сопровождаемых шумами, затрудняет установление положения токового
диполя. Картина же магнитного поля сравнительно проста и даже при
довольно высоком уровне шумов позволяет неплохо определять положе-
ние диполя-источника. Он находится точно посредине между ’’горой” и
’’впадиной” интенсивности радиальной, т.е. перпендикулярной скальпу,
*) Подробнее об откликах мозга на раздражения см. в § 5.5. Электрический
отклик N20 появляется через 20 мс после момента раздражения и имеет отрицатель-
ный знак, т.е. потенциал на измерительном электроде отрицателен по отношению
к удаленному ’’нейтральному” электроду.
135
компоненты поля и направлен параллельно касательной к поверхности
головы и перпендикулярно отрезку, соединяющему экстремумы поля
в ’’горе” и ’’впадине” (рис. 21). Глубина залегания может быть вычислена
из измеренного расстояния 2Д между экстремумами магнитного поля.
Если R — радиус кривизны головы в районе измерения, то глубина d опре-
деляется уравнением [234]
d2 3 cos О
---------- -----------------> - 1, (5.5)
2(R-d)R 2 cosO 2
где 0 = А/R (в радианах). Для мелко залегающего диполя, когда d
уравнение (5.5) превращается в
d = \<2Д. (5.6)
Очевидный недостаток магнитометрической методики, не регистрирую-
щей поле радиальной компоненты токового диполя, в то же время высту-
пает как ее несомненное достоинство, позволяющее устранить влияние
мешающих источников (особенно на внешней поверхности полушарий),
а также упростить процедуру установления положения исследуемого источ-
ника поля.
Нельзя не учитывать, что заметно больше половины поверхности мозга
заключено в многочисленных складках; чтобы убедиться в этом, доста-
точно заглянуть в любой нейроанатомический атлас (см. также рис. 33).
Энцефалографические исследования идут отнюдь не по пути сбора всей
возможной информации, даваемой электрическими или магнитными сигна-
лами мозга, а в направлении выделения определенных процессов на фоне
общей активности мозга. С этой точки зрения электроэнцефалограмма, бо-
лее подверженная влиянию неоднородности приповерхностных слоев голо-
вы и суммирующая эффект большого числа источников, явно менее удобна.
Но не следует думать, что электро- и магнитоэнцефалография суть
конкурирующие методики. Наоборот, именно их комбинация дает наиболее
полную информцию об источниках электрической активности в головном
мозге. В частном случае токового диполя комбинация ЭЭГ- и МЭГ-данных
позволяет установить трехмерную ориентацию диполя. Другие примеры
плодотворности совместного анализа электро- и магнитоэнцефалографиче-
ских данных будут приведены ниже.
При практическом использовании магнитографии для целей установле-
ния положения (локации) источников в мозге нужно учитывать ряд
особенностей метода. Для картирования поля обычно применяют магнито-
метр (градиометр) с чувствительной петлей диаметром до нескольких
сантиметров. Из-за относительно большого размера петли возможны ошиб-
ки в определении распределения поля — некоторое ’’размазывание” его.
Чем мельче залегает токовый диполь, тем меньшего размера петля необходи-
ма для аккуратного картирования поля. Расчет показывает [234], что при-
менение петли с диаметром, равным глубине залегания диполя (отсчиты-
ваемой от центра петли), дает погрешность в определении расстояния
между экстремумами радиальной компоненты поля около 10% в сторону
завышения и на столько же уменьшает расчетное значение диполя. Для
вдвое большего диаметра петли ошибки достигают 50%.
136
При достигнутой ныне точности регистрации интерпретации распределе-
ния поля связана с некоторой неоднозначностью. Так, распределения нор-
мальной к поверхности головы компоненты поля, приписываемого единич-
ному токовому диполю на глубине 6 см, можно имитировать парой диполей
меньшего значения, направленных в ту же сторону, но залегающих вдвое
мельче и разделенных расстоянием около 3 см [240]. Различие результатов
этих двух интерпретаций может не превышать 110 фТл, что находится на
пределе чувствительности нынешней сквид-магнитометрической техники.
Даже если эта чувствительность будет улучшена, предел около 30 фТл кла-
дут шумы магнитной активности мозга. Возможным способом повышения
разрешающей способности будет более полная магнитометрическая съемка,
включающая все три компоненты магнитного поля, а также измерение
зависимости убывания поля при удалении от поверхности головы. Поможет
здесь и комбинирование магнитных и электрических данных.
Точность измерения существенно повышается при использовании много-
точечной системы магнитоэнцефалографии. В этом случае восстановление
источника по картине распределения поля проводится значительно аккурат-
нее, так как устраняются ошибки, связанные с неточностью установки
приемной петли в разных точках измерения. Устраняются также ошибки
из-за некоторой невоспроизводимости биологических сигналов при после-
довательном их повторении. Такие неточности иногда приводят к тому, что
амплитуды экстремумов на карте распределения магнитного поля токового
диполя оказываются неравными, а сама картина несимметричной*).
В многоточечной же системе взаимное расположение и ориентация датчиков
стабильны и могут быть измерены с большой точностью, а магнитные сигна-
лы принимаются одновременно во всех точках измерения. Можно ожидать,
что применение многоточечных магнитоэнцефалографических систем не
только повысит точность определения положения и ориентации источников
нейромагнитных полей, но и позволит различать близкорасположенные
источники разных типов активности. Решение этой задачи (о различении
сигналов от источников в мозге, помещенных на некотором расстоянии
друг от друга) находится в пределах экспериментальных возможностей
метода. На одноточечном этапе магнитоэнцефалографии и при использова-
нии приборов, обеспечивавших примерно 5 - 10%-ную точность измерения
магнитного поля, удавалось надежно идентифицировать только простейшие
источники в виде уединенного токового диполя. Как показывают расчеты
Окада [241], распределение поля, соотносимое точечному токовому
диполю, практически не отличимо от случая, когда источник ’’размазан”
по участку протяженностью 1—2 см. С учетом известных данных
о строении мозга это вполне допустимо — таким участком может быть слой
из токовых диполей. Если же диполи разнесены на большее расстояние или
протяженность источника составляет несколько сантиметров, картина маг-
нитного поля позволяет это установить. Магнитографически возможно
проследить и перемещение области активности на такое расстояние.
*) В работе [ 140] было, однако, показано, что такая несимметрия возможна, если
источник представляет собой не один, а два токовых диполя, разнесенных на неболь-
шое расстояние и находящихся под углом друг к другу.
137
Рис. 38. Рельефные карты модуля магнитной индукции радиальной (Вг) и тангенциаль-
ной (Bt) компонент поля, создаваемого токовым диполем, помещенным внутрь про-
водящего шара (см. рис. 21). Диполь расположен под центром области, для которой
построена карта. При измерении радиальной компоненты токовому диполю соответст-
вуют два экстремума поля, а при измерении тангенциальной компоненты - только
один. Расчеты проведены К.Г. Гуртовым
При создании многоточечной системы для этих измерений возникает
задача об оптимальном расположении чувствительных петель. Совсем не
очевидно, что во всех точках должна измеряться радиальная компонента
поля. Из рис. 38 видно, что тангенциальная компонента магнитного поля,
создаваемого токовым диполем в шаре, сосредоточена в районе источника
более компактно, а максимум (единственный) лежит точно над токовым
диполем. Такое свойство тангенциальной компоненты делает ее измерение
предпочтительным при решении задачи о разделении сигналов от разнесен-
ных источников [335]. Сквид-градиометр, измеряющий эту компо-
ненту нейро магнитно го поля, изготовлен в ИАЭ им. И.В. Курчатова
(см. рис. 10) [63]. Сравнивая информационную значимость той или иной
компоненты поля, следует иметь в виду, что нейро магнитные измерения
проводятся при довольно высоком уровне шума, до 10%. Это означает,
в частности, что ’’пьедесталы” распределения компонент поля, показанных
на рис. 38, ’’закрыты” шумами и полезную информацию получают лишь из
положения и ширины пиков, а также направления поля. Исходя из этого
можно заключить, что если необходимо установить глубину залегания
отдельного диполя, то удобнее воспользоваться измерением радиальной
компоненты с последующим вычислением по формуле (5.5), а для разделе-
ния сигналов от различных диполей лучше измерять тангенциальную компо-
ненту поля. В оптимизированной многоточечной системе для магнитоэнце-
фалографии будет, очевидно, применяться комбинация из тех и других дат-
чиков поля.
5.3. Спонтанная магнитная активность мозга
В живом мозге непрерывно протекают активные электрические про-
цессы. Их проявление в виде поверхностных электрических потенциалов
было обнаружено около полувека назад — возникла ЭЭГ. Электрический
потенциал в любой точке поверхности головы все время колеблется —
независимо от того, спит ли человек, напряженно трудится или находится
138
под гипнозом. Характерная амплитуда изменений потенциала по отноше-
нию к некоторой другой точке поверхности тела (чаще всего это мочка уха
или кончик носа) около 50 мкВ. Колебания имеют близкий к периодиче-
скому характер, поэтому эти сигналы именуют ритмами мозга. Их струк-
тура четко определяется состоянием организма: бодрствование, сон,
эпилептический припадок, зрительное внимание и т.п. - с каждым из них
связана специфическая ритмика. Электроэнцефалографией проведена
систематизация этих ритмов, их насчитывается более десятка в частотном
диапазоне от долей до десятка герц [216]. Несмотря на многочисленные
попытки интерпретации [218, 223, 224, 242], источники и биологическая
функция этих ритмов до сих пор не выяснены, но именно поэтому мето-
дически новый подход магнитографии весьма ценен для исследования
ритмики мозга.
После первой прямой регистрации магнитного аналога электроэнцефало-
граммы — магнитоэнцефалограммы (МЭГ) в начале 70-х годов с помощью
сквид-магнитометра [222] начались работы, ставящие целью оценить иссле-
довательскую, диагностическую и клиническую ценности МЭГ. При магни-
тографическом изучении спонтанной активности мозга явно проявлялся
технический недостаток первого этапа исследований — применение только
одного датчика магнитного поля. Сквиды были еще редкостью (и сейчас
нельзя сказать, что это широко распространенный прибор), да и техниче-
ские проблемы совместного применения двух или более сквид-магнитомет-
ров не были решены. Измерения одним датчиком сильно сужали возмож-
ности магнитной методики. Как обсуждалось выше, теоретически преиму-
щество магнитографии заключается главным образом в лучшем
пространственном разрешении при установлении местоположения источни-
ков поля и при определении их ориентации. Эти достоинства проявляются
при снятии распределения поля. В условиях, когда изменения поля во
времени носят довольно случайный характер, как это бывает при спонтан-
ной активности, и могут быть описаны только очень осредненными
параметрами - преимущественной частотой колебаний, более частым
появлением тех или иных специфических особенностей, рассмотренные
достоинства магнитографии теряются. Тем не менее и в этих условиях
магнитоэнцефалография исследовалась как дополнительное средство
к ЭЭГ и было проведено сравнение двух методик.
Всестороннее сравнение МЭГ и ЭЭГ для здоровых испытуемых было
предпринято в работе Хьюза и др. [243]. Оказалось, что наряду с ритмами,
одинаково хорошо отраженными в ЭЭГ и МЭГ (альфа-ритм), существуют
многие компоненты ритмических колебаний, не коррелирующих в элек-
трических и магнитных данных. В этом энцефалография сильно отличается
от кардиографии, где сигналы ЭКГ и МКГ имеют почти идентичное строение,
и поэтому магнитоэнцефалография представляется очень перспективным
методом исследования.
Остановимся прежде всего на отличиях МЭГ и ЭЭГ. Они более заметны
в низкочастотной активности. После серии быстрых и глубоких вдохов
(гипервентиляции) на энцефалограммах появляются медленные волны
(1-2 Гц), но они могут быть видны или только на ЭЭГ, или только на
МЭГ, и лишь иногда на обеих. То же самое можно сказать про медленные
139
волны в период сна. Это указывает на существование нескольких различ-
ных источников медленной активности в мозгу, которые из-за различий
типа и ориентации по-разному выражены в МЭГ и ЭЭГ. К другим некор-
релирующим в МЭГ и ЭЭГ ритмам относится тэта-ритм (частота его
4 — 5 Гц), магнитная компонента которого хорошо наблюдается у спящего
человека. Кроме того, была продемонстрирована несвязанность во время
сна магнитного и электрического проявления ’’веретенообразной” активно-
сти, с основной частотой 14 Гц. Даже совпадающие по временному ходу
участки ЭЭГ и МЭГ иногда приходится приписывать разным источникам,
так как между этими участками есть временное запаздывание, превышаю-
щее 20 м<5, т.е. источники срабатывают последовательно. Как правило,
электрический сигнал упреждает магнитный.
Аналогичные измерения были проведены на группе пациентов с патоло-
гическими отклонениями в деятельности мозга [244]. Общие заключения
были такими же, но, помимо того, у одного из пациентов было обнаружено
существование магнитного альфа-ритма в бодрствующем состоянии, в то
время как на ЭЭГ он не был виден. Это резко отличается от свойств
альфа-ритма у нормальных испытуемых, у которых он строго коррелирует
на МЭГ и ЭЭГ (см. ниже).
К сожалению, техника одноточечной магнитной съемки не позволяла
сделать каких-либо строгих заключений о действительном местоположении
и ориентации хотя бы некоторых из множества обнаруженных источников.
Выявленное разнообразие соотношений магнитных и электрических прояв-
лений нервной активности показывает, что существует большое число
генераторов активности, работающих сравнительно автономно, чего, собст-
венно, и следовало ожидать от такого функционально сложного органа,
как мозг.
С другой стороны, наиболее сильный ритмический сигнал, порождаемый
человеческим мозгом, так называемый альфа-ритм, сильно скоррелирован
в ЭЭГ и МЭГ. Он обнаруживается как колебания с характерной частотой
около 10 Гц, которые при электрическом измерении наиболее заметны
в затылочной части головы. Альфа-ритмом обладают только высшие млеко-
питающие: собаки, обезьяны, человек, и это привлекает к его изучению осо-
бый интерес. Уже первые эксперименты показали сильную связь между
электрическим и магнитным альфа-ритмами, и недаром самое первое маг-
нитное наблюдение активности мозга было сделано путем многократного
усреднения МЭГ альфа-ритма с использованием ЭЭГ-сигнала в качестве
опорного [86].
Альфа-ритм четко выражен в бодрствующем мозге, если глаза закрыты и
человек в спокойном состоянии. Открывание глаз, как правило, блокирует
ритм. Аналогичный эффект можно получить воздействием на органы
чувств или предложением какого-либо задания. Магнитный сигнал альфа-
ритма показан на рис. 31, где видно его исчезновение при открывании глаз.
Его значение достигает 3 пТл и может в несколько раз отличаться у разных
людей. Рейт с сотрудниками [202] показали, однако, что для альфа-ритма
амплитуды ЭЭГ и МЭГ линейно связаны между собой, т.е. субъект, у кото-
рого сильнее электрический, имеет и более сильный магнитный сигнал.
Вид спектра энцефалограммы достаточно индивидуален и для каждого
человека обладает стабильностью. Альфа-ритм обычно доминирует
140
в спектре, раз в пять превышая любую другую компоненту в тече-
ние длительного времени. Для магнитоэнцефалограммы сохранение фор-
мы спектра в течение нескольких месяцев показано в работе [245].
Поэтому магнитографию, даже в ее первом одноточечном варианте,
попытались применить для установления положения и вида генератора
именно альфа-активности.
Уже в первых измерениях Коэна [222] было получено, что компонента
магнитного поля альфа-ритма, перпендикулярная поверхности головы,
Рис. 39. Распределение силовых линий магнитного поля
альфа-ритмической активности мозга. Направление
поля меняется на противоположное около 10 раз в
секунду. Данные Коэна [222]
распределена неоднородно и сильно ослаблена вдоль средней линии голо-
вы. Это позволило предположить, что распределение силовых линий маг-
нитного поля имеет вид, показанный на рис. 39, а именно, силовые линии
выходят из одной боковой стороны головы и заканчиваются в другой,
меняя направление на противоположное с частотой альфа-ритма. Последую-
щие более тщательные эксперименты с использованием 2£>-градиометра
(см. рис. 12) подтвердили направленность магнитного поля альфа-ритма
перпендикулярно продольной борозде мозга (разделяющей полушария),
а направление течения токов, вызывающих это поле, — преимущественно
вдоль этой борозды [246]. Похожее распределение полей альфа-ритма
получили в своих измерениях Рейт и Циммерман [247]. Предположение
о виде поля, показанном на рис. 39, подтверждается еще и результатами
совместных измерений ЭЭГ и МЭГ в работе [245]. В ней было показано,
что если сигнал МЭГ на одной стороне головы находится в фазе с сигна-
лом ЭЭГ, то после перестановки сквид-магнитометра на другую сторону
сигналы ЭЭГ и МЭГ оказываются в противофазе.
Широкие исследования ритмической активности мозга и, в частности,
альфа-ритма были развернуты в Римском институте электроники твердого
тела. С использованием независимых градиометров второго порядка
проведено картирование распределения магнитного поля альфа-ритма,
показавшее существование двух максимумов интенсивности радиальной
(т.е. нормальной к поверхности головы) компоненты поля [245]. Макси-
мумы расположены почти симметрично относительно средней линии
головы, расстояние между ними около 9 см. Линия, соединяющая макси-
мумы, проходит приблизительно на 4 см выше иниона — небольшого
выступа черепа ниже затылка. Эти максимумы лишь немного возвышаются
над общим фоном магнитной альфа-активности, которая, будучи усреднен-
141
ной по времени, довольно равномерно распределена по поверхности
головы. Исследования корреляции между сигналами в обоих максимумах
показали, что всего лишь 10% общей активности можно приписать деятель-
ности генератора, создающего эти максимумы. Однако характерная форма
распределения поля и фазовые соотношения в максимумах (поле коррели-
рующей компоненты находится в противофазе) наводили на мысль о воз-
можном источнике в виде токового диполя. И действительно, введение
дополнительного коррелирующего сигнала — потенциала ЭЭГ на темени —
позволило идентифицировать один из генераторов альфа-ритма как токо-
вый диполь [248]. Он залегает на глубине 4 - 6 см и ориентирован верти-
кально (если человек стоит).
Существенного прогресса в понимании структуры альфа-ритма можно
добиться при исследовании с помощью многоточечного сквид-магнитомет-
ра. Альфа-ритм представляет собой последовательность колебаний с пери-
одом около 100 мс, амплитуда которых то возрастает, то убывает, часто
образуя характерные группы из 5 — 20 колебаний — ’’веретена” (см. рис.
31б>). Эксперименты с четырехканальным нейромагнитометром [336]
показали интересную особенность альфа-ритма, которую нельзя обнару-
жить при одноточечных измерениях. При анализе магнитных сигналов оказа-
лось, что в течение одного веретена колебания в четырех каналах синхрон-
ны, а соотношения амплитуд остаются постоянными, что указывает на ста-
бильность распределения поля. Однако у разных веретен распределение
несколько различно, т.е. источник изменяет свое положение от веретена
к веретену. Измерение альфа-ритмической активности по всей поверх-
ности головы показало, что высокоамплитудные веретена (превышающие
1 пТл) наблюдаются только на сравнительно небольшой части теменно-
затылочной области головы. Направление магнитного поля соответствует
рис. 39, причем максимум амплитуды совпадает со средней группой нари-
сованных силовых линий.
Совокупность полученных результатов указывает на наличие в те-
менно-затылочной части мозга борозды, в глубине которой (4 ± 1 см)
спорадически возникают возбужденные области. Положение этих областей
может отличаться для разных веретен, в том числе наблюдены случаи
последовательной активации альфа-ритма в разных полушариях мозга.
Наблюдать такие тонкие детали альфа-активности ‘тало возможным
только благодаря применению многоточечной съемки и в реальном време-
ни, без усреднения. Эти же эксперименты являются иллюстрацией преиму-
щества магнитной методики (по сравнению с ЭЭГ) , позволившей количест-
венно оценить интенсивность источников альфа-активности в разных
частях мозга и выделить главную область возбуждения в одной из борозд
теменно-затылочной части.
Обратим внимание на то, что борозда всегда имеет два ’’берега”, по од-
ному на каждой из соседних извилин мозга. Наблюдение токового диполя
в борозде означает, что активность сосредоточена (или много сильнее)
только на одном из ’’берегов”. В случае равномерного электрического
возбуждения обеих извилин противоположно направленные диполи в бо-
розде компенсировали бы друг друга. Отсюда следует, что по магнитному
сигналу можно установить характер распределения рассредоточенной
активности в мозге.
142
Это первые примеры наблюдения дипольных источников нормальной
ритмической активности. С внедрением многоточечных систем магнитогра-
фии можно будет производить съемку моментальных карт распределения
магнитных и электрических полей и выделять другие генераторы активно-
сти, поля которых, измеряемые одноточечной методикой, разделить не
удается и они дают аморфный фон. Выделение таких генераторов и установ-
ление пространственно-временных связей между ними может стать важным
шагом к пониманию природы спонтанной ритмической активности мозга.
Итальянским исследователям удалось построить карту распределения
интенсивности и другого ритма мозга — с частотой 8 Гц [245]. Независи-
мость его от закрывания-открывания глаз и сильное уменьшение величины
поля при сжатии кисти руки со стороны тела, противоположной месту
максимальной активности, позволило предположить, что это так назы-
ваемый мю-ритм. Картина распределения интенсивности предполагает
наличие довольно мелко залегающего источника в левой части черепа,
однако измерение только интенсивности ничего не говорит о направлении
поля и фазовых соотношениях между различными участками съемки,
поэтому строгих заключений из этих измерений вывести нельзя. Возможно,
применение корреляционного анализа (с опорой на ЭЭГ) или многоточеч-
ной магнитографии позволит выяснить природу источников и этого ритма.
При комбинировании результатов измерений ЭЭГ и МЭГ следует иметь
в виду одно важное их различие, заключающееся в том, что высокочастот-
ные компоненты сигнала ЭЭГ передаются на скальп с более заметным
ослаблением, чем низкочастотные [220], тогда как на частотный
спектр МЭГ неоднородность приповерхностных слоев влияния не
оказывает.
Степень ослабления черепом электрического сигнала от источника в коре
сильно зависит от типа источника. Если это сосредоточенный диполь, ослаб-
ление значительно, тогда как при синхронном возбуждении больших
участков - дипольных слоев — сигнал эффективнее передается на поверх-
ность скальпа [249]. Математический расчет показывает, что если распреде-
ление возбужденных токовых диполей представить в виде пространственно-
периодической структуры на поверхности коры, то величина сигнала на
скальпе действительно убывает, и весьма резко, с уменьшением
периода [218]. Это согласуется с экспериментально обнаруженным ослаб-
лением спектра ЭЭГ выше 15 Гц [220]. если допустить, что источником
суммарной энцефалограммы являются волны возбуждения, распростра-
няющиеся по коре головного мозга. Кстати, именно этот тезис выдвигается
Нунезом в его книге [218]. Справедливости ради отметим, что число
различных теорий ритмической активности мозга весьма значительно
(ссылки на некоторые из них имеются в книге Нунеза [218]), но все они
пока объединяются лишь тем, что ни одна не может быть признана досто-
верно описывающей природу энцефалограммы.
В отличие от ЭЭГ, МЭГ практически нечувствительна к неоднородностям
приповерхностных слоев головы и потому принимает сигнал, почти иден-
тичный по временной зависимости с током, текущим в самой коре [250].
МЭГ нечувствительна к радиальным токовым диполям в коре, что. умень-
шает фон посторонних сигналов. Эти особенности магнитоэнцефалографии
143
сделали ее очень перспективным методом исследования мозга, быстро
внедряющимся в исследовательскую практику лабораторий и клиник.
Электроэнцефалография, имеющая уже длительную историю, лишь недавно
и без заметных пока успехов подошла к задаче точной локации источ-
ников по потенциалам [251], в то время как магнитоэнцефалография
сразу же дала хорошие результаты в этом направлении.
В силу малой величины сигнала при снятии и анализе МЭГ следует обра-
щать особое внимание на исключение мешающих паразитных сигналов.
Современные сквид-магнитометры позволяют получать МЭГ того же каче-
ства, что и ЭЭГ, если методы защиты позволяют избавиться от внешних
шумов. В этих условиях основной помехой для МЭГ становятся трудно
устранимые собственные физиологические магнитные шумы человека.
То же, и даже в большей степени, относится к ЭЭГ. Анализ МЭГ, проведен-
ный Гессом [252], показал, что очень большую долю в регистрируемом
спектре активности мозга составляют компоненты магнитной активности
сердца, что требует особой осторожности при интерпретации спектров.
Большие паразитные сигналы со спектром, характерным для кардиограм-
мы, наблюдала и группа исследователей из Чехословакии [253]. Заметим,
что в обоих случаях анализировавшиеся магнитоэнцефалограммы снима-
лись в земном магнитном поле. Поэтому сигналы, коррелирующие
с сердечной деятельностью, могли порождаться не собственно магнитным
полем сердца, которое вблизи энцефалографического датчика уже доста-
точно мало, а дрожанием головы с частотой пульса или периодическими
изменениями электропроводности тканей из-за пульсации мозгового
кровообращения. Такого типа помехи могут быть устранены путем
компенсации земного магнитного поля в месте измерения.
Кроме сердца, сильные мешающие сигналы могут давать движения глаз
и работа мышц головы. Гессом же было установлено, что, несмотря на
это, отдельные области спектра МЭГ оказываются свободными от этих
’’физиологических” помех и отражают только активность мозга. Что очень
важно, заметная невозмущенная активность мозга может быть зарегист-
рирована при низких частотах (ниже 3 Гц), а это как раз та область, где
магнитографические методы могут иметь самое заметное преимущество
над электрографическими. Правда, детальные биомагнитные исследования
мозга при низких частотах требуют разработки методов защиты от
внешних шумов, более совершенных, чем современные, так как даже
в лучших ферромагнитноэкранированных комнатах низкочастотный шум
достаточно высок.
5.4. Эпилепсия
Помимо нормальной ритмической активности, на магнитоэнцефало-
грамме могут проявляться некоторые патологические явления в мозге.
Наиболее сильные магнитные сигналы с амплитудой большей, чем у альфа-
ритма, наблюдаются у больных эпилепсией. Эпилепсия (’’падучая”),которая
у многих ассоциируется со страшными судорожными припадками, не столь
уж редкое заболевание мозга - им страдает примерно 0,2% населения,
большей частью в не столь тяжелой форме. Болезнь характеризуется избы-
точной синхронизацией работы нейронов головного мозга, когда в резуль-
144
тате их одновременного срабатывания возникают относительно сильные
электрические разряды, временно нарушающие сознание и вызывающие
другие расстройства вплоть до общих судорог.
Болезнь широко исследовалась, в том числе и на открытом мозге чело-
века во время нейрохирургических операций, применяемых для удаления
участка нервной ткани, в котором возникают эпилептические разряды.
Из этого патологически измененного участка (’’очага”, ’’фокуса”) избы-
точное возбуждение может распространяться по нервным путям в нормаль-
но работающие отделы центральной нервной системы и нарушать их дея-
тельность. Изучение эпилепсии, помимо естественной цели - облегчить
страдания больных, позволило экспериментальным путем продвинуться к
пониманию функционального устройства человеческого мозга, включая
такие его свойства, как память и сознание [254]. По тому, как и в какой
степени некоторая функция мозга нарушается при генерации эпилептичес-
кого разряда в очаге, можно вывести заключение о взаимных функцио-
нальных связях. Близкую по содержанию информацию можно получить в
тех случаях, когда приходится разрушать те или иные образования в мозге.
В отличие от этого ’’метода разрушения” эпилептический разряд воспроиз-
водим и более тонок по своему воздействию на нервную систему. Часто в
мозгу имеется только один строго локализованный очаг эпилептической
активности, сигналы которого отчетливо проявляются как на ЭЭГ, так и на
ее магнитном аналоге. Это сильно облегчает анализ явления.
Уже в первых прямых наблюдениях МЭГ [222] описано измерение маг-
нитных сигналов от больного эпилепсией, несколько случаев приведено в
работе [224]. Наиболее широко клинические исследования больных эпи-
Рис. 40. Одновременная регистрация ЭЭГ и МЭГ (запись
в седьмом канале) во время эпилептического разряда.
В данном случае характерная эпилептическая активность
проявляется лишь в магнитном сигнале. Компьютерная
рентгеновская томограмма головы показывает, что под
точкой 7, где проводилось измерение радиальной компо-
ненты магнитного поля, имеется кальцинированная
опухоль. Парами отрезков 1 — 6, 8 отмечены пары
точек, между которыми снимается сигнал ЭЭГ. Дан-
ные работы [257]
145
лепсией методом магнитоэнцефалографии были развернуты учеными
римской биомагнитной группы [255 - 257]. К 1983 году ими исследовано
более 60 человек. В ряде случаев с помощью МЭГ удавалось обнаружить
место эпилептической активности даже тогда, когда на параллельно ре-
гистрируемой ЭЭГ не было видно никаких патологических отклонений
(рис. 40) [257].
Наилучшим образом достоинства МЭГ выявились при наблюдении
эпилептических очагов, вызванных опухолями, особенно находящимися
вблизи наружной поверхности полушарий [255]. Это хорошо иллюстри-
рует рис. 41. Вдали от опухоли (ангиома, обнаруженная с помощью
рентгеновской томографии под точкой d) никаких особенностей в спектре
МЭГ, кроме альфа-ритма, не наблюдается (точки а, Ь). В ближайшем окру-
жении (точки с, е, J) уже видны заметные дополнительные спектральные
составляющие сигнала, а в самой точке d спектр МЭГ представляет собой
прямо-таки ”частокол” патологической активности. Причем смещение маг-
нитометра всего на 1 см в сторону резко ослабляет сигнал. Обратим внима-
ние, что спектр ЭЭГ, снятый в районе опухоли, содержит только альфа-
пик и почти никаких следов характерной эпилептической активности.
’’Подавление” компонент ЭЭГ с частотами выше 15 Гц, по-видимому,
можно связать с упомянутым выше влиянием черепа и других слоев
(см. рис. 30) на вид высокочастотной части электроэнцефалограммы
[220]. Однако расхождение между МЭГ и ЭЭГ в низкочастотной части
спектра, ниже 10 Гц, очевидно, определяется строением источника в па-
тологически измененной части мозга.
Эпилептическому фокусу часто соответствует то или иное органичес-
кое нарушение ткани мозга — шрам, опухоль. Последняя может сопровож-
даться отложением солей кальция, благодаря чему она, во-первых, легко
обнаруживается методом компьютерной томографии, а во-вторых, пред-
ставляет собой неоднородность электропроводности в районе источника
электрических и магнитных полей. Кроме того, нарушается однородность
слоя коры и возникают тангенциальные токовые диполи в месте, где в
нормальном случае они отсутствуют, например, на внешней поверхности
полушарий. Строение источника полей может сильно отличаться от обыч-
ного. Вокруг опухоли не исключено упорядочение апикальных (возможно,
и любых других) дендритов в спиральную структуру таким образом, что
они следуют друг за другом, как струйки в вихревой воронке. При слабой
электропроводности опухоли, находящейся внутри этой ’’воронки”, полу-
чится как раз источник магнитного поля, компонента которого, пер-
пендикулярная поверхности головы, велика только в очень небольшой
области —над опухолью, как это наблюдалось в МЭГ-исследованиях фокаль-
ной эпилепсии. Электрическое поле источника такого типа, измеренное на
поверхности скальпа, напротив, очень мало.
В работах итальянских исследователей [255 - 257] был приведен ряд
примеров, когда с использованием лишь одного сквид-градиометра уда-
валось весьма точно определять местоположение эпилептического фокуса
по максимуму регистрируемой магнитной активности. Оно, как правило,
совпадало с местом, указываемым методикой компьютерной томогра-
фии, дающей картину внутреннего строения мозга при просвечивании рент-
геновскими лучами. Это был важный успех магнитометрической методики
146
a
100 фТл
с
О Частота, Гц 30
Рис. 41. Спектры магнитоэнцефалограмм, снятых у поверхности головы больного
в точках, обозначенных соответствующими буквами. Звездочками указаны места
крепления электродов, с которых получен спектр ЭЭГ. Спектр МЭГ в точке d наибо-
лее богат компонентами, свойственными эпилептическим разрядам. В близких к d
точках с, e,f этих компонент уже меньше, а в удаленных точкахди b спектр МЭГ не
содержит особенностей, помимо пика альфа-ритма. Спектр ЭЭГ, в отличие от МЭГ,
не показывает никаких резких особенностей, даже вблизи эпилептического очага
в районе точки d. Данные работы [255]
и в определенном смысле удача, так как эпилептический разряд - явление
спорадическое и предвидеть точный момент его появления для детального
анализа временного хода и пространственного распределения сопутствую-
щего магнитного поля не всегда представляется возможным. Недаром
обычным рефреном во всех публикациях на эту тему, как и при исследо-
ваниях ритмики мозга, звучала мечта о многоточечной магнито энцефало-
графии.
Для оценки пространственного распределения магнитного поля эпилеп-
тической активности использовалась следующая методика [256]. Един-
147
ственный сквид-градиометр второго порядка регистрировал спонтанную
активность мозга последовательно в различных точках поверхности головы
по сетке 2X2 см2, и в каждой точке отмечалось количество так называ-
емых ’’эпилептических элементов” на МЭГ в течение минуты. Под ’’эпи-
лептическими элементами” понимаются характерные,выявленные электро-
энцефалографической практикой особенности сравнительно большой
амплитуды на ЭЭГ, которые выглядят похоже и на МЭГ (см. рис. 40).
Количество таких элементов в районе эпилептического фокуса было мак-
симальным и достигало 45 в минуту, а смещение градиометра из положения
максимума всего на 3 см в некоторых случаях приводило к полному их
исчезновению. Это, конечно, упрощенная и сильно усредняющая методика,
но она наглядно показывает перспективность магнитометрических иссле-
дований эпилепсии.
Изучение особых случаев фокальной эпилепсии позволило еще лучше
продемонстрировать возможности магнитометрии [258]. Несмотря на то,
что оно проводилось также лишь одним сквид-магнитометром, удалось
получить карты распределения магнитного поля пиков эпилептической
активности. Это объяснялось тем, что у исследованных двух пациентов фор-
ма сигнала и местоположение эпилептического разряда обладали долго-
временной стабильностью и воспроизводимостью, позволившей провести
процедуру картирования.
В одном из этих случаев мозг регулярно выдавал пару разнополярных
импульсов амплитудой до 4,5 пТл и длительностью около 30 мс. Сняв в
28 точках карту распределения магнитных полей этих импульсов, которая
оказалась похожей на изображенную на рис. 21а, т.е. характерной для источ-
ника в виде токового диполя, удалось установить, что оба импульса исхо-
дили из одного и того же источника, расположенного в височной части
левого полушария на глубине 10 мм от поверхности скальпа, а место,
под которым источник находился, определялось с погрешностью ±3 мм.
Более того, было определено, что через 20 мс после импульсов в левом
полушарии в симметричном месте правого полушария,но на глубине 16 мм,
срабатывал вторичный эпилептический очаг (фокус),также выдававший пару
импульсов. Та же точность определения очага была достигнута и для друго-
го пациента, причем в обоих случаях местоположение очагов соответство-
вало клинической картине эпилепсии. Несомненно, что столь высокая точ-
ность установления места патологической активности может быть реша-
ющим фактором при лечении хирургическим или иным точно направлен-
ным воздействием.
Помимо несомненной клинической ценности, результат этой работы
показывает большую исследовательскую значимость магнитометрического
изучения эпилепсии. Наблюдение двух последовательных разрядов в раз-
ных полушариях - это, по-видимому, первое обнаружение причинно-
следственных связей между магнитными проявлениями спонтанных про-
цессов в мозге. Вероятно, таким путем в дальнейшем можно будет полу-
чить более тонкую информацию о внутримозговых связях, тем более что
МЭГ-измерения прц эпилепсии часто связаны с последующими операциями
на мозге. Если до операции магнитометрически может быть получена ин-
формация о точном местоположении, ориентации и характере разряда в
фокусе, то при последующем извлечении этого участка ткани можно из
148
анализа возможно нейрональной патологии установить микроскопи-
ческий механизм образования разряда.
Это только первые шаги развития методики — у нее большой простор
для дальнейших усовершенствований и расширения области приложений.
Очевидным следующим этапом стало совместное использование электри-
ческой и магнитной регистрации проявлений эпилептической активности.
Такой подход позволил применить магнитометрическое определение место-
положения патологической активности к более широкому кругу пациентов
и получить куда более детальную информацию о строении источника [259 —
261]. Простейший способ получения карт распределения магнитного поля
во время эпилептического разряда состоит в том, что измерительный гра-
диометр последовательно устанавливается в различных точках у поверх-
ности головы пациента, в соответствии с некоторой сеткой. Магнитный сиг-
нал в каждой точке записывается в промежуток времени, начало которого
определяется появлением сильного пика на электроэнцефалографической
записи (служащего как бы запускающим импульсом). Этим способом
удается получить вполне хорошие карты распределения магнитного поля,
по которым можно вычислить местоположение и ориентацию источника
разряда в мозге.
Двенадцать случаев фокальной эпилепсии с четко установленным поло-
жением очага активности (клиническими методами и методами рентгенов-
ской томографии) были исследованы в Риме с помощью сквид-магнито-
метрии [260]. В одиннадцати случаях расчетное положение источника,
полученное из нейро магнитных измерений, совпало с местом патологиче-
ского нарушения. В двенадцатом случае, несмотря на то, что в районе
очага имелись эпизодические импульсы магнитного поля, патологической
активности на ЭЭГ обнаружить не удалось, что не позволило построить кар-
ту магнитного поля.
Сравнение магнитных и электрических (в том числе полученных с коры
мозга, т.е. с помощью кортикографии [261]) проявлений эпилептической
активности показало, что эпилептический разряд — это сложный много-
фазный процесс, включающий последовательную активацию различных
источников. Каждый из них может быть более выражен либо в электриче-
ском, либо в магнитном поле, что на энцефалограммах выглядит как за-
паздывание магнитного сигнала по отношению к электрическому, или на-
оборот. Кстати, это характерно не только для патологической, но и для нор-
мальной ритмической активности (см. предыдущий параграф). Нейромаг-
нитные измерения, проводимые в Калифорнийском университете [259],
позволили проследить перемещение источника эпилептического разряда в
мозге. Из семнадцати обследованных пациентов с диагнозом фокальной
эпилепсии у девяти картина поля соответствовала уединенному источ-
нику, тогда как для остальных она указывала на наличие нескольких
генераторов активности. Для двух пациентов результаты нейромагнитных
измерений позволили разделить сложный разряд с рядом пиков на отдель-
ные компоненты. Из рис. 42 видна эволюция магнитного поля на про-
тяжении разряда, откуда можно заключить, что поле создается двумя про-
странственно разнесенными источниками разной ориентации, каждый из
которых дает двухфазную волну, т.е. токи в источнике текут сначала в
одну, затем в противоположную сторону. Глубина залегания 3 см от
149
Рис. 42. Изменение во времени распределения ради-
альной компоненты магнитного поля в процессе
развития эпилептического разряда (начало вверху).
Интервалы времени между последовательными кар-
тинами - примерно 20 мс. Стрелками показаны
направления источников - токовых диполей.
Данные работы [259]
поверхности скальпа. Аналогичные картины,
полученные для другого пациента, позволи-
ли установить, что у него оба источника ле-
жат на границе обширного шрама, обнаружен-
ного методами рентгеновской томографии,
в правой височной доле мозга. Отметим,
что получение этих результатов — далеко не
предел нейромагнитной методики. В данном
случае наблюдались те компоненты разряда,
которые характеризуются высокой стабиль-
ностью. Они не менялись в течение многих
дней. Несомненно, что усовершенствование
нейромагнитной методики позволит изучать
более тонкие и вариабельные детали электри-
ческих явлений, связанных с эпилепсией.
Нейромагнитные исследования эпилепсии
проводились и на животных [262], у кото-
рых эпилептические разряды можно вызы-
вать по желанию экспериментатора — напри-
мер, инъекцией пенициллина в кору мозга
или нанесением электропроводящей пасты
на кору. С другой стороны, именно нейро-
магнитные измерения на животных не столь
перспективных, как на человеке, потому,что,
во-первых, задача определения места и типа источника не столь проста,
как в случае почти сферической головы человека, а во-вторых, в опы-
тах с животными заметно меньше препятствий для введения в мозг
микро электродов. И все же в экспериментах на крысах удалось уста-
новить важный факт: длительный эпилептический припадок сопро-
вождается появлением постоянного магнитного поля. Помимо этой
постоянной составляющей наблюдаются, конечно, многочисленные ’’раз-
ряды” как на МЭГ, так и на ЭЭГ. Измерения проводились на обездвижен-
ном, парализованном животном, что вероятно, и предопределило возмож-
ность регистрации медленной составляющей магнитного поля. Электричес-
кая регистрация этого явления сильно затруднена из-за контактных процес-
сов на электродах.
Таким образом, уже первые работы по МЭГ при эпилепсии показали, что
этот метод с большим будущим, особенно после внедрения многоточеч-
ных систем магнитоэнцефалографии в нейрофизиологические лаборатории
и клиническую практику.
150
5.5. Вызванные магнитные поля и поля, связанные с событием
Задача картирования магнитного поля, предпринимаемого для установ-
ления положения и ориентации источника, существенно упрощается, если
исследуемый процесс воспроизводим или, более того, периодический по
своей природе. К сожалению, протекающие в мозгу спонтанные процессы,
как правило, не обладают степенью воспроизводимости, которая позволила
бы из результатов периодического наблюдения той или иной спонтанной
активности мозга с помощью единственного датчика сделать заключение о
детальном строении генератора этого вида активности. Возможен, однако,
метод изучения работы мозга, заключающийся в анализе сигналов, полу-
чаемых от него в периоды, когда деятельность мозга имеет четкую при-
чинно-следственную связь с событием вне центральной нервной системы.
В ЭЭГ - это метод потенциалов, связанных с событием (по-английски —
event related potentials), наиболее развитой ветвью которого является
метод вызванных электрических потенциалов - ВЭП (evoked potentials).
Соответствующие аналоги уже найдены и в магнитоэнцефалографии: поля,
связанные с событием, и вызванные магнитные поля (ВМП).
Сначала рассмотрим вызванные электрические и магнитные сигналы
мозга, а конкретные примеры сигналов, связанных с событиями, будут
приведены ниже. Вызванные электрические потенциалы и магнитные поля
возникают при возбуждении органов чувств: зрения, слуха, осязания и даже
вкуса и обоняния. Именно поэтому они являются частным случаем сигна-
лов, связанных с событием, — возбуждением. Однако и исторически, и в
силу больших экспериментальных возможностей метода исследование выз-
ванных сигналов может быть выделено как самостоятельное направление, а
потому терминологически к сигналам, связанным с событием, относят
лишь то, что не может быть определено как вызванные электрические по-
тенциалы или магнитные поля (примеры ниже).
ЭксгЛриментальное исследование вызванных сигналов — это более
ясная задача, так как, в отличие от спонтанной ритмики, в данном случае
известны внешние причины, вызывающие ВЭП и ВМП. Поэтому, варьируя
характер стимуляции органов чувств, например, меняя вид предъявляе-
мого зрительного образа, частоту его появления, чередуя разные стимулы
и т.п., можно целенаправленно исследовать, где и как обрабатывается в
мозге поступающая информация. С другой стороны, эти исследования тех-
нически более сложны, так как амплитуды ВЭП в 5 — 10 раз меньше, чем
сигналов спонтанной активности мозга. То же самое справедливо и для маг-
нитных полей. Вызванные отклики мозга всегда приходится выделять на
довольно высоком фоне ритмической активности, которая с точки зрения
получения сигналов ВЭП или ВМП представляет собой лишь очень сильную
помеху, которую следует отфильтровать.
Конечно, вызванная внешним воздействием активность мозга есть не
что иное, как изменение собственной его активности, протекающей не-
прерывно, поэтому отнюдь не исключено, что характер этого изменения
может зависеть от состояния мозга в момент воздействия. Такая связь,
если она существует, в наибольшей степени может проявиться между
вызванной активностью и собственной ритмикой на одном и том же участке
мозга.
151
Имеются работы по ЭЭГ, в которых указывается на определенную связь
уровня принимаемых вызванных сигналов с сигналами спонтанной актив-
ности [263, 264]. Представляют интерес и нейромагнитные исследования
в этом направлении, но пока в экспериментах избавляются от сигнала
’’фоновой” ритмики простым усреднением по большому числу повторя-
ющихся ВМП (как при выделении сигнала ’’из-под шума”) или узкопо-
лосным приемом ВМП на частоте предъявления стимула.
Вызванные магнитные поля — это самые слабые из измеряемых сей-
час биомагнитных сигналов, но они представляют собой настолько важный
инструмент исследования работы мозга, что эксперименты с ВМП нахо-
дятся на переднем крае биомагнитных исследований. Используемые в этих
измерениях магнитографические приборы и средства защиты от шумов
уже достаточно совершенны и могут быть еще улучшены, что позволяет
надеяться на дальнейший прогресс в нейромагнитных исследованиях.
Именно работы с вызванными магнитными полями показали, что маг-
нитные данные более информативны, чем электроэнцефалографические,
поскольку позволяют более точно устанавливать местоположение
источников сигналов и дифференцировать их по векторной направленности.
Продемонстрировать это удалось уже с помощью магнитографических
приборов первого поколения (с одним датчиком), что объясняется мето-
дическими особенностями измерения вызванных магнитных полей. Про-
цедура регистрации ВМП состоит в повторяющейся стимуляции органа
чувств (в нынешних экспериментах сто и более раз) и измерении магнит-
ного поля в некоторой точке вблизи поверхности головы. Зависимость по-
ля от времени для каждой отдельной стимуляции фиксируется, а затем
(или по мере поступления) с помощью ЭВМ производится сложение сиг-
налов для соответствующих моментов времени после момента подачи сти-
мула. В результате шумы и сигналы спонтанной активности мозга усред-
няются, а магнитные отклики на возбуждение складываются. Таким обра-
зом, относительно слабый сигнал ВМП выделяется ’’из-под шума”.
Поскольку для регистрации ВМП измеряется большое число в той или
иной степени воспроизводящихся сигналов *), даже единственный маг-
нитный датчик можно использовать для последовательных измерений в
различных точках и тем самым получить картину распределения ВМП.
Несмотря на трудоемкость и кропотливость этой работы, требующей
немалой выдержки от испытуемых (ими очень часто бывают сами исследо-
ватели) , такого рода измерения ВМП ведутся во многих лабораториях.
Характерный результат измерения ВМП при раздражении запястья
руки электрическим импульсом показан на рис. 43 [250]. Запись ВМП
как функции времени представляет собой кривую с рядом сравнительно
плавных (’’волны”) или более резко выраженных (’’пики”) максимумов
и минимумов. Поскольку такой вид кривых получается и при исследова-
ниях ВЭП, в электроэнцефалографии в свое время была установлена но-
менклатура для элементов кривых. Пик (или волна) обозначается буквой
♦) Биологические сигналы, вообще говоря, не имеют строгой воспроизводимос-
ти. Поэтому многократное их усреднение - не вполне корректная операция, при
которой может быть утрачена информация о вариабельности сигнала. Мы уже упоми-
нали об этом в гл. 3. при обсуждении МКГ высокого разрешения.
152
Магнитное поле
р я г | ггтт| н । । । । । гп । । । । | । । । i| гт i-гттт ।
Электрический потенциал на поверхности мозга
Время, мс
Рис. 43. Магнитный отклик мозга на единичное раздражение запястья руки электри-
ческим током, измеренный в разных точках у поверхности головы [250]. Числа
справа указывают положение точки, где проводилось измерение: первое - расстояние
(в см) вверх от ушного канала, второе - расстояние назад от переносицы. Видно
отсутствие сигнала в точке (12, 16) и обращение полярности сигнала по разные сторо-
ны от нее; это говорит о том, что источник магнитного сигнала лежит под этой точкой.
Внизу приведен электрический отклик на такое же раздражение, полученный Гоффом
и др. [265] в этой точке на открытом мозге при нейрохирургической операции. Вре-
менной ход магнитного сигнала совпадает с временным ходом электрического сиша-
ла в коре мозга
с числом. Число показывает, на каком временном (в миллисекундах)
удалении от момента стимуляции располагается вершина пика, а буква —
какой электрической полярностью обладает этот пик — положительной Р
или отрицательной N: например, N 20 или РЗОО. Так же обозначаются пики
ВМП, однако эта номенклатура еще не устоялась, особенно в части опре-
деления полярности. Чаще их называют магнитными аналогами того
или иного пика ВЭП, если таковой имеется.
Результат, показанный на рис. 43, наглядно демонстрирует основные
достоинства магнитографической методики. Во-первых, вид кривых ВМП
153
упорядоченным образом меняется при перемещении точки измерения вдоль
поверхности головы, что указывает на возможность вполне прецизионного
картирования ВМП. Во-вторых, пространственное изменение ВМП (его
нормальной компоненты) имеет весьма специфический вид: в центре
участка измерения сигнал отсутствует, а по обе стороны от центра сигналы
симметричны, но имеют разную полярность, поэтому можно считать маг-
нитные силовые линии выходящими из головы с одной стороны участка
измерения и входящими с другой. В-третьих, временной ход ВМП соответ-
ствует зависимости от времени электрического потенциала в ответ на такое
же раздражение, измеренного прямо на поверхности коры мозга при про-
ведении нейрохирургической операции [265], тогда как между электри-
ческими потенциалами, измеренными на поверхности коры и на поверх-
ности скальпа, имеются заметные расхождения [220].
Все это позволяет заключить, что информация об электрическом процес-
се в коре мозга в ответ на раздражение принимается магнитометрически
без искажений со стороны приповерхностных слоев головы, а пространствен-
ное распределение ВМП позволяет в случае, показанном на рис. 43, иден-
тифицировать источник ВМП как сосредоточенный токовый диполь.
Для описания явлений, связанных с вызванными магнитными полями,
использование такого понятия, как токовый диполь, оказалось очень
плодотворным. Это связано с самим характером процесса передачи сигнала
в головной мозг. При поступлении импульсов от внешних рецепторов в
разных участках мозга срабатывают сосредоточенные группы нейронов,
порождающие электрический и магнитный сигналы. Обычно последователь-
но возбуждаются несколько нейронных ’’станций”, вызывающих наряду
с импульсами-спайками и сравнительно медленно меняющиеся (градуаль-
ные) потенциалы и токи в объеме мозга. В результате на поверхности мож-
но зарегистрировать вызванный сигнал, представляющий собой колебание
потенциала (в случае ВЭП) или магнитного поля (ВМП) в виде затухаю-
щей волны с рядом максимумов и минимумов (рис. 43). Каждый из
пиков ВЭП и ВМП соответствует срабатыванию отдельной группы ней-
ронов и, вообще говоря, имеет различное пространственное распреде-
ление, так как источники разных пиков по-разному расположены в моз-
ге. Некоторые из них удается с высокой точностью описать моделью токо-
вого диполя.
Первые наблюдения вызванных магнитных полей мозга были проведены
в лабораториях Коэна [168, 266] и Вильямсона [267] — в виде отклика
на световую вспышку. Магнитный отклик на звуковой сигнал впервые
был получен в лаборатории Циммермана [268]. В этой работе стимулом
служили повторяющиеся через 0,25 с звуковые импульсы (щелчки), а маг-
нитный отклик получался усреднением реакции на 512 импульсов. Положе-
ние центра отклика было определено с погрешностью 1 см, а вне окружаю-
щей этот центр области 8X11 см2 магнитный сигнал был неизмеримо мал.
Средняя амплитуда отклика составляла 0,4 пТл при максимуме в 1 пТл.
Вид ВМП зависел от места регистрации, и авторы отмечают плохую вос-
производимость формы отклика даже у одного субъекта. Они связывают
это с очень резкой локализацией токовых ответов в коре мозга, так что
малейшее смещение датчика от положения, оптимального для приема, силь-
но изменяет сигнал.
154
Для преодоления этой трудности было предложено жестко крепить
градиометр к голове. Авторы другой работы, [269], тоже отмечали необ-
ходимость строгой фиксации магнитометра относительно головы испыту-
емого для получения воспроизводимых результатов. Но и при креплении
магнитометра (градиометра) к голове неизбежны вибрации градиометра,
что в сравнительно больших статических неоднородных полях вызовет
дополнительный шум. Следовательно, для осуществления измерений с
жесткой фиксацией градиометра к голове необходимы экранирующие
комнаты без неоднородных остаточных полей, т.е. более совершенные,
чем ныне существующие.
Интересный метод точной привязки положения измерительного магни-
тометра по отношению к голове пациента предложен исследователями
университета Кейз Вестерн Резерв. На голове в строго определенных точках
закрепляются несколько миниатюрных плоских катушек, в которых мо-
жет подаваться слабый переменный ток. По реперному магнитному сиг-
налу, создаваемому в магнитометре этими катушками, можно, когда
необходимо, очень точно выставить чувствительный элемент магнитометра
по отношению к катушкам, а следовательно, и к источникам нейро маг-
нитных сигналов.
Сложность регистрации единичных ВМП состоит в том, что разные пики
единичного отклика могут вызываться разными ’’нейронными генератора-
ми”, положения максимумов поля от которых не совпадают. Тогда в одной
точке наблюдения может быть доминирующей одна из компонент отклика,
в другой точке — другая, и в результате не только величина, но и общий
вид сигнала ВМП может сильно зависеть от положения измерительного
прибора, как и показано в работах [268, 269].
В первых магнитоэнцефалографических экспериментах было трудно
провести картирование ВМП из-за сложности принимаемого сигнала. Обой-
ти эту трудность можно, ограничившись изучением какой-либо одной ком-
поненты (волны, пика) ВМП, если ее удается надежно выделить из обще-
го сигнала. Но более радикальным подходом стало исследование ВМП при
периодическом раздражении с достаточно высокой частотой — этот метод
нашел широкое применение в биомагнитной лаборатории Нью-Йорского
университета. При стимуляции с частотами в несколько герц в течение дли-
тельного времени (по данным Вильямсона, отклик может оставаться не-
изменным, т.е. не ’’насыщаться” минуту и более) реакция мозга, конечно,
отличается от реакции на редкую стимуляцию - часть ’’нейронных стан-
ций” просто не успевает срабатывать, другая насыщается или не реагирует
на подобный стимул. Но во всяком случае отклик сильно упрощается
и представляет собой просто периодическое колебание на частоте стимуля-
ции и (или) ее гармониках.
Подобные раздражители не характерны для среды обитания биологи-
ческих объектов, но исследование установившихся откликов на периоди-
ческий стимул, несомненно, отражает некоторые стороны процесса вос-
приятия внешних сигналов, например, указывает участок мозга, куда
поступает информация о раздражении, и характер ее обработки/ Перио-
дическое ВМП проще для исследований, так как измерения проводятся
на одной частоте (и гармониках), поэтому сужением полосы приема можно
добиться хорошего разрешения для столь слабых сигналов, как ВМП.
155
Нога
Темя
Средняя
линия
( Цент
I Ла
Туловище
Руна
Запястье
Кисть
Мизинец
Большой
палец
Лицо
Губы
Язык
Рис. 44. Расположение и направление токо-
вого диполя, вызываемого в коре голов-
ного мозга раздражением мизинца правой
руки. Концентрические стрелки показы-
вают направление магнитного поля. При-
ведены также проекционные зоны чувст-
вительных рецепторов различных частей
тела. Из работы [270]
Именно для периодических ВМП впервые удалось построить карты рас-
пределения магнитного поля, позволяющие установить положение ис-
точника [270, 271]. На мизинец человека подавались импульсы тока с пи-
ковой амплитудой 1 мА продолжительностью 1 мс с частотой следования
13 Гц и регистрировался магнитный отклик мозга на той же частоте. Он
был обнаружен вблизи центральной (роландовой) борозды больших полу-
шарий — с левой стороны, если раздражался палец правой руки, и наоборот.
Это соответствует нормальным связям между полушариями мозга и сторо-
нами тела. Можно было четко определить место выхода и входа силовых
линий магнитного поля, причем вид поля соответствовал полю токового
диполя, перпендикулярного центральной борозде (рис. 44).
Генераторы ВЭП и ВМП находятся в так называемых проекционных зо-
нах органов чувств в коре головного мозга, местоположение которых
было установлено нейрофизиологами с помощью хирургических методов.
На рис. 44 показано последовательное представительство чувствительных
рецепторов разных частей человеческого тела на извилине мозга, лежащей
позади центральной борозды. Магнитография продемонстрировала воз-
можность без оперативного вмешательства определять расположение проек-
ционных зон вдоль центральной борозды. Например, в описываемых экспе-
риментах было получено, что токовый диполь, появляющийся при раздра-
жении большого пальца руки, расположен на 2 см ниже диполя, произво-
димого при раздражении мизинца [271]. Более поздние измерения ВМП
при раздражении большого и указательного пальцев, мизинца и лодыжки
дали полное подтверждение соответствия между данными нейромагнит-
ных измерений и видом соматосенсорного ’’гомункулуса”, т.е. ’’проек-
ции”, ’’отражения” поверхности человеческого тела на заднюю центральную
извилину мозга [272].
В дальнейшем, с усовершенствованием аппаратуры и методики, карты
распределения магнитного поля стало возможным получать и для единич-
ных непериодических ВМП, но, конечно, путем накопления при многократ-
ном повторении стимула. Магнитный отклик на электрическое раздраже-
156
ние серединного нерва руки, вершины двух пиков которого (отклика)
приходятся на 60 и 150 мс после стимуляции, соответствует источнику,
находящемуся на задней центральной извилине в первичной проекционной
зоне руки [273]. При раздражении малоберцового нерва ноги отклик вызы-
вался источником, также находившимся в первичной проекционной зоне
(в обоих случаях он соответствует рис. 44), но, кроме этого, был найден
и еще один источник магнитного сигнала — во вторичной проекционной
зоне, расположенной над латеральной (сильвиевой) бороздой мозга (см.
рис. 44). Из экспериментов на обезьянах известно, что эта вторичная проек-
ционная зона, так же как и первичная, содержит детальную топологическую
карту отображения чувствительности тела на поверхность коры головного
мозга. Полученные результаты показывают, что с помощью магнитоэнце-
фалографии можно изучать функциональные соотношения между процес-
сами в первичной и вторичной проекционных зонах на человеке без вмеша-
тельства в работу мозга.
Соматотопия, т.е. пространственное разделение сенсорных входов в кору
мозга от различных частей тела, как в первичной, так и во вторичной проек-
ционных зонах осязательной чувствительности, — это лишь один из приме-
ров, показывающий принципы ввода внешней информации в кору больших
полушарий. И для других органов чувств существует подобное упорядочен-
ное расположение участков коры, к каждому из которых приходит сигнал
от рецепторов, характеризуемый своим значением параметра стимула.
Например, в слуховой области последовательно расположены участки ко-
ры, дающие отклик на звук все возрастающей частоты — это так называе-
мая тонотопия. Аналогичное явление для зрительного восприятия называет-
ся ретинотопией. Оно представляет собой соответствие между положением
участка сетчатки, на который падает свет от изображения-стимула, и место-
положением вызванной электрической активности в коре мозга. Для живот
ных такое соответствие может быть установлено в экспериментах, включа-
ющих операции на мозге. Магнитография позволяет вести подобные ис-
следования на человеке бесконтактно. С ее помощью уже получены дан-
ные о тонотопии [274] и ретинотопии [275] у человека. Подробнее об этих
экспериментах будет сказано ниже.
Применение сквид-магнитометров (градиометров) с очень низким
уровнем шумов, отработка методики магнитографической съемки в маг-
нитноэкранированной комнате и использование специальных программ
обработки получаемых результатов позволили еще больше расширить
возможности изучения ВМП. Группе финских исследователей под руко-
водством Р. Хари удалось не только установить положение источника
одной из волн вызванного отклика, но и построить последовательность
карт магнитного поля, возникающего как отклик на электрическое раз-
дражение серединного нерва руки, для интервала в четверть секунды после
стимуляции (рис. 45) [276]. Карты даны через промежутки времени в
15 мс и позволяют представить характер эволюции магнитного поля на
большом участке 10 Х16 см2 поверхности головы вблизи центральной
борозды. Четко видны ’’горы” и ’’впадины”, указывающие положение и
ориентацию токовых дипол ей-источников. Получение последовательности
таких карт делает актуальным дальнейшее усовершенствование вычисли-
тельного обслуживания нейромагнитных измерений. ”На плечи” ЭВМ
157
должен быть возложен и последующий этап, а именно расчет местополо-
жения и силы источника по полученным картам распределения магнитного
поля. На то, что это возможно, указывает сравнительная простота получае-
мых распределений ВМП, допускающая несложную интерпретацию, и вы-
деление элементов, соответствующих токовым диполям. Выполнение та-
кой программы будет важным этапом на пути создания ’’магнитной томо-
графии”, т.е. построения трехмерного распределения электрической актив-
ности в объеме мозга.
Приведенные примеры определения положения источника нейромаг-
нитной активности касались соматосенсорного типа стимуляции. Сюда же
можно отнести и результаты работы по определению источника отклика
на болевое раздражение зуба, проведенной в группе Хари [277]: источник
в виде токового диполя был обнаружен в височной доле мозга.
Локализованные токовые диполи были найдены в экспериментах по
стимуляции и других органов чувств. Интенсивно исследовались отклики
на звуковой сигнал. В ряде работ обнаружено, что в височных областях
мозга в ответ на звук возникают токовые диполи, перпендикулярные ла-
теральной борозде, — по одному с обеих сторон головы. Глубина их зале-
0 мс 15 30 45 60 75
Рис 45 Карты распределения магнитного поля, возникающего в ответ на электричес-
кую стимуляцию серединного нерва левой руки Измерялась компонента магнитного
поля, перпендикулярная поверхности головы в области размером 10 X 16 см2 вблизи
центральной борозды Расстояния между реперными точками 2 X 2 см2 Слева внизу
показан временной ход вызванного магнитного поля (ВМП) в точках 1 и 2, указан-
ных на виде головы сверху Карты ВМП даны через 15 мс, сплошными кривыми
показаны линии равной индукции радиальной компоненты для магнитного поля, си-
ловые линии которого направлены к голове, штриховыми - для поля, направленного
от головы. Амплитуды поля указаны с шагом 40 фТл Данные работы [276]
158
гания примерно 3 см [64, 238, 239, 278]. Различие между величинами ди-
полей в правом и левом полушарии при подаче звука через наушники в то
или другое ухо не очень велико (на 30 — 50% больше в противоположном
полушарии) [279], поэтому чаще всего применяют бинауральную стимуля-
цию, т.е. звук подается в оба уха.
Возможности выбора вида звукового сигнала-стимула много богаче,
чем в случае экспериментов с соматосенсорной стимуляцией, однако это
затрудняет сравнение результатов работ различных авторов по исследо-
ванию слуховых ВМП. В качестве стимула применяются щелчки [268,
280, 281], ’’белый” шум и чистые тона [280], кратковременные (доли се-
кунды) импульсы звучания определенной высоты — ”бипы” [64, 239],
промежутки звучания с монотонно меняющейся частотой звука [282]
или гармонически модулированный по амплитуде тон [281]. Реакции моз-
га на каждый из таких стимулов несколько различаются.
Мы не будем останавливаться на обсуждении различий в нейронных
процессах, определяемых типом стимуляции, а коснемся того, какую до-
полнительную информацию по сравнению с ЭЭГ можно получить, при-
меняя МЭГ или комбинируя результаты электрических и магнитных изме-
рений. При таком комбинировании ряд важных заключений можно сделать
и не прибегая к трудоемкому (на этапе использования единичных дат-
чиков, без многоточечных систем) картированию магнитных полей.
В лаборатории Циммермана проводились исследования зависимости
амплитуд определенных компонент ВМП и ВЭП от интенсивности и ха-
рактера звукового стимула [280]. Выявлено, что амплитуда ВМП в ответ
на сигналы с одинаковым средним значением звукового давления макси-
мальна для чистых тонов, ниже для белого (содержащего все тона) шума
и минимальна для щелчков. Это согласуется с результатами внутрикорко-
вых измерений активности нейронных колонок. Поэтому в дальнейшем,
как и в рдде других лабораторий [239, 269], в качестве стимула исполь-
зовались кратковременные импульсы звучания с частотой 1 кГц [283].
Изучался отклик возбуждаемого этими импульсами конкретного источника
в слуховой области коры, магнитное поле которого соответствовало полю
токового диполя. Поэтому сигнал принимался с помощью недиагонального
(восьмеркообразного) градиометра с расстоянием между центрами петель
(базой) 4 см. Этот прибор наилучшим образом приспособлен к регистра-
ции магнитного поля токового диполя, когда одна из петель ’’восьмерки”
находится над одним, а другая — над другим экстремумом поля (см.
рис. 21). К недостатку такого градиометра можно отнести то, что он оп-
тимален для приема сигнала только с определенной глубины, так как
база его фиксирована.
Амплитуда ВМП, измеренная таким методом, пропорциональна значе-
нию токового диполя, а точнее — его тангенциальной компоненте, возни-
кающей в ответ на стимуляцию. В качестве меры амплитуды ВМП исполь-
зовалось как максимальное поле примерно через 100 мс после стимула,
так и площадь под кривой волны отклика (эта площадь учитывает разма-
зывание сигнала по времени ~ 80 мс), — в обоих случаях выводы были
похожи. Оказалось, что с увеличением силы звука от 40 до 100 дБ, т.е.
его амплитуды в 1000 раз ВЭП возрастает монотонно (логарифмически),
тогда как ВМП доходит до наибольшего значения при 60 дБ и далее не
159
меняется. Сравнение электрического и магнитного сигналов позволяет
сделать предположение о том, что при малой интенсивности звука нейрон-
ная активность сосредоточена на участке коры, поверхность которого пер-
пендикулярна поверхности головы, поэтому токовый диполь одинаково
проявляется на ВЭП и ВМП. При повышении силы звука активность ней-
ронов распространяется и на участки коры, параллельные скальпу, магнит-
ный сигнал от которых не наблюдается (так как соответствующий токовый
диполь радиален — см. § 5.2), тогда как амплитуда ВЭП продолжает расти.
Комбинация результатов подобных экспериментов с трехмерными изобра-
жениями поверхности коры — извилин и борозд, которые уже удается по-
лучать с помощью ЯМР-томографии [214], поможет установить характер
перемещения области возбуждения по поверхности коры и вывести важные
нейрофизиологические следствия.
Амплитуда ВМП, как и ее отношение к амплитуде ВЭП, может зависеть
и от других параметров стимула, которыми можно управлять в экспери-
менте. Заметный эффект может быть получен изменением между стимуль-
ного интервала, т.е. времени между последовательными подачами стимула.
В работе финских исследователей, группа Т. Катилы, изучались ВЭП и
ВМП (компонента N100 и ее магнитный аналог) как отклик на 20-мил-
лисекундный импульс звучания тона 1 кГц при чередовании импульсов
с интервалами 1, 2, 4, 8 и 16 с — для каждого интервала свой эксперимент
[284]. Электроды для ЭЭГ и сквид-градиометр располагались в местах
предполагаемых максимумов сигнала. Для пяти из шести испытуемых
было получено, что зависимости ВЭП и ВМП от междустимульного интер-
вала различны. Отношение амплитуд ВЭП и ВМП имеет достаточно глубо-
кий минимум при интервале 4 с, где это отношение втрое меньше, чем
при 1 и 16 с. Результаты экспериментов позволили заключить, что даже
сравнительно четко выраженная компонента отклика N100 и ее магнит-
ный аналог могут возникать как следствие активности двух сразу источни-
ков, токовые диполи которых расположены под углом 20° друг к другу, а
отношение их величин зависит от междустимульного интервала. Установле-
но, что для заданного междустимульного интервала (4 с) направления
обоих токовых диполей сохраняются в течение всей волны отклика (от
90 до 170 мс). С погрешностью ± 2 мм удалось определить, что суммарный
диполь не меняет своего положения в направлении, перпендикулярном
вектору токового диполя; в направлении же вдоль вектора точность опре-
деления положения была в несколько раз хуже, что связано с общей проб-
лемой определения положения диполя по карте магнитного поля при нали-
чии шумов. Из рис. 21 видно, что градиент магнитного поля заметно выше
в первом из упомянутых направлений, что и объясняет полученный резуль-
тат. Заметим, что если этот сигнал порождается активностью апикальных
дендритов, перпендикулярных коре, что наиболее вероятно, то, комбинируя
магнитографические данные с картинами борозд, полученными ЯМР-то-
мографией, можно достигнуть высокой точности трехмерного определения
положения активности — до ± 1 мм. Можно предвидеть, что в недалеком
будущем магнитографической съемке мозга часто будет предшествовать
процедура измерения и построения трехмерного атласа мозга испытуемого
с помощью ЯМР-томографии (столь же безвредная, как и процедура запи-
си МЭГ).
160
Уменьшение междустимульного интервала до долей секунды представ-
ляет собой переход к периодической стимуляции. В случае редкой стиму-
ляции ко времени подачи следующего стимула эффект предыдущего уже
исчезает, при периодической же стимуляции влияния последовательных сти-
мулов накладываются. Но, как было сказано выше, экспериментальное
изучение периодических ВМП проще и результаты картирования поля точ-
нее (в частности, это позволило впервые определить источники откликов
на соматосенсорное раздражение). При исследованиях звукового восприя-
тия применение этой методики позволило установить тонотопическую ор-
Рис. 46. а - Карты равной индукции радиальной компоненты магнитного поля, выз-
ванного звуковым тоном разной высоты. Расстояние х отсчитывается от иниона
вправо, расстояние у - вверх. По этим картам можно определить положение источ-
ников в виде токовых диполей и установить тонотопическое соответствие между
высотой звука и положением токовых диполей. Измерения производились с приме-
нением звуковых стимулов с частотами 200, 600, 2000 и 5000 Гц, амплитудно-моду-
лированных с частотой 32 Гц. ВМП принималось также на частоте 32 Гц. б - Взаимные
расстояния d в трехмерном пространстве между токовыми диполями, возникающими
в ответ на звуковую стимуляцию разных частот. Зависимость совпадает для двух
испытуемых (белые и черные точки) .Результаты работы Романи, Вильямсона и Кауф-
мана [ 2741
161
ганизацию слуховой области коры [274], что не удавалось сделать, изучая
единичные отклики [284].
В работе Романи и сотрудников по определению тонотопии [274] приме-
нялся следующий способ стимуляции. Чистые тона (частота несущей 100,
200, 600, 2000 и 5000 Гц) синусоидально с частотой 32 Гц модулировались
по амплитуде с почти 100%-ной глубиной, т.е. сила звука 32 раза в секунду
проходила через максимум. Снимались карты магнитного поля отклика на
частоте 32 Гц - их вид для каждой из частот несущей показан на рис. 46.
Сравнительная простота распределений позволила установить глубину и
положение токового диполя, возникающего для каждой из частот несущей.
У обоих испытуемых удалось установить линейную зависимость между
положением диполя вдоль некоторой прямой в трехмерном пространстве
и логарифмом частоты звука, вызывающего появление этого диполя
(рис. 46). Это и есть тонотопия — упорядоченное соответствие между по-
ложением источника отклика и высотой тона. Авторы работы соотносят
логарифмический закон полученной зависимости положения диполя от
частоты с психофизическим законом восприятия, заключающимся в том,
что порог df различения ухом двух близких частот составляет постоян-
ный процент их средней частоты. Это означает, что в логарифмической
шкале порог различения близких частот не зависит от частоты и может быть
поставлен в соответствие с протяженностью dl участка коры, ’’ответствен-
ного”за прием сигналов этой частоты: dfjf = Kdl, T.e.d(lnf) = Kdl.
Заметим, что тонотопия была обнаружена только для длительно зву-
чащих тонов. Измерения ВМП в ответ на короткие периоды звучания по-
казали,что положение источника отклика в этом случае не зависит от высо-
ты тона [282, 284]. Это расхождение вызвало появление работы [285]
по изучению ВМП в ответ на такие стимулы для одного и того же испытуе-
мого. Тщательное картирование магнитных полей, возникающих в от-
вет на предъявление четырех различных стимулов (1000 Гц с 32-герце-
вой модуляцией по амплитуде, а также бипы продолжительностью 200 мс
с частотой несущей 200, 1000 и 2000 Гц), показало следующее. Местополо-
жение источника отклика на бипы не зависело от частоты несущей и отстоя-
ло на 1,5 см от места, где находится источник отклика на постоянно зву-
чащий сигнал. Отличалось и время задержки (отставание по фазе) отклика
по отношению к моменту подачи стимула. Для бипов задержка составляла
100 мс, для гармонически модулированного сигнала задержка была 50 мс.
Различие было и в том, что для гармонически модулированного звука тоно-
топия наблюдалась, а для бипов нет. Эти результаты позволили заключить,
что существует еще одна характеристика стимула, а именно прерывистое
или непрерывное звучание, которая приводит к тому, что информация о
стимуле поступает в различные участки коры головного мозга.
В этой же лаборатории были проведены первые сравнения периодичес-
ких ВМП человека во сне и в бодрствующем состоянии [281]. Для бодр-
ствующего человека амплитуда отклика на периодические щелчки растет
с 10 до 40 фТл при увеличении частоты повторений с 4 до 40 Гц. Характер
этой зависимости радикально меняется во сне: ВМП очень мало (меньше
10 фТл) для частот выше 15 Гц, но резко возрастает (до 50 фТл) при
понижении частоты. Авторы связывают это наблюдение с приспособи-
тельной особенностью человека (и животных) не замечать во сне высоко-
162
частотный монотонный шум, но ’’быть настороже” по отношению к редким
резким звукам.
Метод ВМП интенсивно применяется в исследованиях зрительной систе-
мы, в частности потому, что созданы уже достаточно надежные основания
для понимания структуры зрительного воспритятия — с ними можно озна-
комиться по книгам Куффлера и Николса [122] и Демидова [286].
В нейро магнитной лаборатории Нью-Йорского университета для изуче-
ния зрительного восприятия применялся метод ВМП на периодические
стимулы [267, 287—289]. В экспериментах использовался специфический
зрительный стимул, выбор которого определялся исходя из существующих
представлений о зрительном восприятии, выработанных в последние годы
[290, 291]. Установлено, что зрительный образ в сетчатке глаза и нервных
путях претерпевает нечто вроде фурье-преобразования, т.е. раскладывается
на компоненты с различной пространственной частотой или, если говорить
совсем просто,на более частое или более редкое чередование светлых и тем-
ных полос. Для каждой компоненты, являющейся как бы элементарным
стимулом зрительного восприятия, если свои передающие пути. Именно
поэтому в качестве стимула была использована решетка чередующихся
светлых и темных полос на экране осциллографа, вид ее показан на
рис. 47. Пространственную частоту решетки, т.е. количество полосок на
один градус поля зрения (вероятно, более точным был бы термин ’’волно-
вое число”), можно было менять по усмотрению экспериментатора. По
синусоидальному закону с определенной частотой f (от 2 до 40 Гц) ме-
Рис. 47. Вид зрительного стимула, применяемого для исследований вызванных магнит-
ных полей мозга. Слева показаны ’’решетки” с пространственной частотой, отличаю-
щейся в два раза. Справа показано изменение решетки в методе обращения контраста,
когда за полупериод светлая полоса меняется на темную и наоборот, тем самым
сдвигая картинку на полволны
Рис. 48. Расположение токовых диполей, возникающих в правом и левом полушариях
мозга при предъявлении изображения соответственно в левой и правой половинах
поля зрения. Из работы Кауфмана и Вильямсона [ 288]
163
нялась освещенность полосок решетки так, что через полупериод темная по-
лоска становилась светлой и наоборот, — это так называемый метод обраще
ния контраста. За полупериод решетка как бы переходит в самое
себя, сдвинутую на половину своей ’’длины волны”. В течение периода
контраст решетки появляется дважды (так как между контрастами решет:
ка ’’серая”), поэтому период отклика сокращается вдвое и сигнал ВМП
возникает на удвоенной частоте, 2/, Общая освещенность экрана при коле-
бании контраста остается постоянной, чем исключается необходимость
адаптации глаза к изменению уровня освещенности, в отличие от метода
вспыхивающей лампочки или появляющейся и исчезающей картинки. Та-
ким образом, можно было ожидать, что в эксперименте будут возбуждать-
ся лишь узкоспецифические популяции (группы) нейронов, реагирующие
именно на изменение контрастности стимула. Это в значительной мере
облегчило выделение сигнала и интерпретацию результатов измерений,
тем более что амплитуда ВМП на этот вид стимула была выше, чем, на-
пример, на вспышку света. (В исследованиях зрительного восприятия часто
применяется и обладающий похожими свойствами стимул в виде шахмат-
ной доски.) В ответ на колебание контраста решетки в затылочной части
мозга возникал периодический отклик (ВМП) удвоенной частоты. Так
же как и в экспериментах с тактильным (осязательным) и слуховым
раздражением, для зрительного ВМП удалось четко локализовать положе-
ние и направление токового диполя, служащего источником ВМП.
Зрение человека устроено так, что каждое полушарие связано с обоими
глазами, но в правое полушарие идет изображение от левой половины
поля зрения каждого глаза, а в левое — от правой половины. Поэтому,
предъявляя решетку-стимул лишь в одной из половин поля зрения, можно
получить отклик в одном из полушарий. Йа рис. 48 показаны места воз-
никновения токовых диполей при раздельном возбуждении половин поля
зрения: диполи находятся в затылочной части головы в соответствии с рас-
положением проекционных зон зрительного анализатора в коре головного
мозга. Более подробное исследование показало, что строение источника
ВМП сложнее, чем единичный диполь в каждом полушарии. Измерение
распределения амплитуды ВМП вдоль средней линии на поверхности голо-
вы показало, что в затылочной области можно выделить три зоны, четко
различающиеся по амплитуде сигнала и задержке по фазе относительно сиг-
нала-стимула (рис. 49). Две крайние зоны, в которых сигналы имеют при-
мерно равные амплитуды и различаются по фазе на полупериод, разумно
истолковать как поле токового диполя, расположенного в соответствии
с рис. 48. Однако поле в средней зоне не может быть приписано тому же ди-
полю, так как сдвинуто по фазе на 90° по отношению к сигналам в крайних
зонах (сигналы от одного источника, измеряемые в разных точках, могут
быть либо в фазе друг с другом, т.е. сдвинуты на 0, 360°,..., либо в
противофазе, т.е. со сдвигом на 180, 540 °). Кроме того, задержка по фазе
в средней зоне иначе зависела от пространственной частоты решетки-стимула.
Это дало авторам основание предположить, что в обработке зрительного сиг-
нала в виде решетки и формировании ВМП принимают участие две различ-
ные популяции нейронов. Параллельно проведенные электрографические
измерения не позволили определить строение источника ВЭП, так как потен-
циалы отклика были размазаны по всей поверхности головы, причем мак-
164
Рис. 49. Распределение амплитуды и задержки
фазы ВМП вдоль средней линии головы в
затылочной области. Расстояние отсчитыва-
ется вверх от иниона - выступа черепа ниже
затылка. ВМП вызывалось решеткой на
экране осциллографа, имеющей пять штри-
хов на градус поля зрения [ 288]
Рис. 50. Зависимость задержки по фазе
магнитного отклика мозга от частоты предъ-
явления решетки-стимула. Цифры у значков
указывают пространственную частоту реше-
ток, выраженную в числе штрихов на градус
поля зрения. Линейная зависимость от часто-
ты соответствует постоянству времени за-
держки Дт = Д^/2тгЛ Для частот ниже 20 Гц
время задержки зависит от пространствен-
ной частоты, выше 20 Гц - не зависит, что
указывает на изменение характера передачи
сигнала в кору головного мозга при этой
частоте. Данные работы [ 288]
симум ВЭП лежал вообще вне области наблюдения ВМП. В этих экспери-
ментах были построены подробные карты распределения ВМП в затылочной
части головы, по которым удобно восстанавливать строение источников.
В работах группы Вильямсона подробно исследовались также зависи-
мости задержки фазы ВМП от пространственной частоты решетки-стимула
и частоты ее предъявления (обращения контраста). Задержка фазы опре-
деляется временем, необходимым для прохождения сигнала по нервным
путям от глаза до соответствующей проекционной зоны коры больших
полушарий. Это прохождение не пассивно, а включает в себя обработку
сигнала-стимула в сетчатке и во внутренних отделах мозга. Поэтому из-
мерение задержки фазы позволяет исследовать процесс передачи зритель-
ной информации в мозге. На рис. 50 показана зависимость задержки фазы
165
отклика для различных пространственных частот стимула. Линейный
рост задержки фазы с ростом частоты предъявления f указывает на пос-
тоянное время Дт запаздывания отклика (оно определяется наклоном
прямой: Дт = Д<^/(27г/)), поэтому*время задержки можно считать опре-
деленной характеристикой передачи сигнала в кору мозга. До частоты
20 Гц время задержки растет с увеличением пространственной частоты,
т.е. мозг быстрее реагирует на стимул с деталями больших размеров, чем
с мелкими деталями. Но выше 20 Гц это различие во временах задерж-
ки исчезает. Такая же граничная частота обнаружена и в экспериментах с
ВМП от осязательного возбуждения на разных частотах [270]. Ниже 18 Гц
в запаздывании отклика был большой разброс для разных людей, но выше
18 Гц у всех испытуемых задержка становилась одинаковой, около 70 мс.
Аналогичные результаты были получены и при исследовании ВМП на зву-
ковой стимул [281]. Зависимость задержки по фазе сигнала ВМП по от-
ношению к сигналу-стимулу имела существенно различный вид для час-
тот выше и ниже 18 Гц. Установление такой характерной частоты — уже
само по себе важный результат, так как четко указывает на изменение
механизма передачи информации в кору при увеличении частоты возбуж-
дения.
Ниже 20 Гц был подробно исследован рост времени задержки с увели-
чением пространственной частоты. Этот рост значителен — от 75 мс для
очень редкой решетки-стимула до 250 мс для решетки с десятью штрихами
на один градус поля зрения. Результаты оказались в хорошем соответст-
вии с данными [292] по традиционному измерению суммарного времени
реакции на такой же стимул, причем разница между временем реакции
и временем задержки была постоянной и равной 115 мс. Это так называе-
мое моторное время, необходимое для того, чтобы после поступления
сигнала в кору мозга произвести действие, например нажать кнопку, ос-
танавливающую электронный секундомер в экспериментах по определе-
нию времени реакции. Таким образом, время реакции удалось разбить
на две последовательные компоненты, каждую из которых можно иссле-
довать отдельно.
Нью-Йоркской группе удалось установить очень важный факт: у некото-
рых вполне нормальных людей наблюдается явная асимметрия ВМП раз-
ных полушарий мозга. Разница времени реакции полушарий мозга на зри-
тельное раздражение у одного человека достигала 100 мс! Объяснения
этому пока нет, но авторы полагают, что полученный результат может
иметь клиническое применение. Замедление распространения импульсов по
нервным волокнам может быть следствием нарушения миелиновых обо-
лочек аксонов, т.е. проявлением склероза.
Как оказалось, контрастность стимула влияет на амплитуду ВМП [293].
Контраст определялся как отношение разности яркостей соседних полос
решетки к полусумме этих яркостей. Зависимость оказалась достаточно
простой: амплитуда ВМП падает линейно с уменьшением логарифма конт-
раста и обращается в нуль при контрасте, близком к порогу различения,
полученному из психофизических измерений. Такой результат связывает
предел сенсорной чувствительности зрения с исчезновением соответствую-
щей электрической активности в зрительной коре мозга. Вывод этот бли-
зок по сути с выводами, вытекающими из сравнения описанных выше ней-
166
ромагнитных исследований тонотопии слуховой коры с психофизическими
опытами по различению звуковых сигналов близких частот.
При исследовании зрительных ВМП, так же как и для других главных
органов чувств (осязания, с его соматотопией, и слуха, с его тонотопией),
было обнаружено аналогичное явление — ретинотопия [275]. В качестве
стимула применялась решетка, такая же, как на рис. 47. Отличие состояло
в том, что между решеткой и глазами помещался непрозрачный экран
с прорезью определенной формы. Прорезь направляла свет только на
ограниченный участок сетчатки. Разные экраны давали различные виды сти-
мула, отличающиеся положением изображения на сетчатке глаз. Приме-
нялись три разных экрана, прорези в которых имели следующий вид:
полукруг с вертикальным диаметром; окружающее его полукольцо,
внутренний радиус которого равен наружному радиусу полукруга; и еще
большего радиуса полукольцо, окружающее предыдущее. Наружные раз-
меры прорезей, измеряемые в углах, под которыми они видны в поле зре-
ния, равны соответственно i,6, 3,3 и 5,0°. Каждая из этих прорезей в эк-
ране давала изображение лишь в одной из половин поля зрения, как на
рис. 48, поэтому отклик наблюдался только в одном из полушарий. Для
этих трех стимулов были построены карты ВМП, по которым удалось
определить местоположение возникающих токовых диполей в трехмерном
пространстве. Оказалось, что расстояние между диполями растет с удале-
нием стимула от центра поля зрения. Источник отклика на центральный
стимул лежит на глубине 1,2 см, а для стимула в виде полукольца, наиболее
удаленного от центра поля зрения, источник находится на расстоянии 3,1
см от первого. Этот результат согласуется с данными о корковой ретино-
топии, полученными с помощью оперативных вмешательств.
Нейромагнитные измерения применимы для изучения реакции зритель-
ной системы, а по сути дела и всего мозга, на более сложные и специфичес-
кие виды стимуляции. Представляет, например, интерес исследование от-
клика на движущийся в поле зрения стимул. В работе Лоунасмаа и др.
[294] применялся следующий вид стимула. Решетка контраста типа пока-
занной на рис. 47 непрерывно бежала по экрану осциллографа со средней
скоростью 3° поля зрения в 1 с. Однако эта скорость была не постоянна,
а периодически (с частотой 7 Гц) то увеличивалась, то уменьшалась. Из-
мерялся сигнал магнитного отклика именно на этой ’’частоте модуляции
скорости” и строились карты распределения магнитного поля, по которым
можно было установить положение источника отклика. Обнаружено, что
помимо источника в собственно зрительной зоне коры мозга (в месте,
где возникает отклик на простое предъявление решетки [289]) регистри-
ровалась активность в височной доле и даже в прецентральной (располо-
женной спереди от центральной борозды) области коры больших полуша-
рий. Определяя время запаздывания для каждого из этих источников, мож-
но было установить порядок срабатывания генераторов активности: сначала
в затылочной области, затем в височной и, наконец, в прецентраль-
ной. Такие эксперименты позволяют глубже проанализировать про-
цесс переработки информации в коре головного мозга. Видно, что да-
же для сравнительно простого стимула этот процесс захватывает зна-
чительную часть коры, а не только специализированный ’’зрительный
центр”.
167
Еще более специфический вид стимула, который предполагает более
высокий уровень обработки информации, использовался в эксперимен-
тах Вейнберга и др. [295]. Изучался отклик на предъявление так называе-
мых динамических точечных стереограмм. На экране двух осциллографов
непрерывно хаотически бегали тысячи ярких точек. Каждый из экранов
по отдельности выглядел однородным с устойчивой хаотической картин-
кой. Но при рассмотрении их через специальный бинокль (это, кстати,
позволило расположить ’’магнитно-шумные” осциллографы на достаточ-
ном удалении от испытуемого) возникал стереоэффект и два экрана
сливались в один — с кажущейся объемностью. В этом случае картинка
выглядела как прямоугольник из случайных точек, из которого раз в
секунду (на время 0,2 с) вперед выдвигалась средняя часть в виде мень-
шего прямоугольника. По измерениям магнитного поля на частоте 1 Гц
удалось установить отсутствие заметной активности в коре в первые
164 мс после очередного предъявления стимула. Отсутствие ранних ком-
понент отклика, по-видимому, отражает тот факт, что образ стереограм-
мы создается только на достаточно высоком корковом уровне восприя-
тия и не является адекватным стимулом для более низких уровней обра-
ботки информации. Сигнал же, возникающий после 164 мс, оказался впол-
не измеримым (0,15 пТл) и допускающим картирование по поверхности
головы. Силовые линии магнитного поля выходили из правой височной
части головы и входили в голову в районе темени. Это достоверно ука-
зывает на местоположение источника в правом полушарии (только!).
Полученный результат находится в согласии с представлением о преиму-
щественной роли правого полушария в осуществлении функции стереоско-
пического видения [296]. За левым же полушарием прочно установлено
главенство в восприятии речи у правшей, поэтому в той же лаборатории
начаты эксперименты по изучению магнитного отклика мозга на звуко-
вой сигнал в виде односложных слов [297]. Во избежание воздействия
вариаций в произнесении слов диктором слово-стимул воспроизводилось
с помощью электронного синтезатора речи.
Большинство из обсуждавшихся до сих пор откликов на стимуляцию
органов чувств происходило в первые 200 мс после момента стимуляции, а
источники откликов расположены на участках коры, специализированных
на прием и обработку сигналов определенной модальности, т.е. в сомато-
сенсорной, слуховой или зрительной области. Более поздние компоненты
откликов обычно не зависят от модельности стимула, а, как полагают,
определяются информационной значимостью принятого сигнала и отражают
более сложные мыслительные процессы в мозгу. Типичным способом выз-
вать такие ’’эндогенные” (объяснимые внутренними причинами) отклики
служит предъявление время от времени единичного (’’сингулярного”),
заметно отличающегося стимула в серии монотонно повторяющихся сти-
мулов. Через 200—500 мс после сингулярного стимула возникает сравни-
тельно медленная и достаточно большая по амплитуде волна отклика
Р300, регистрируемая с помощью ЭЭГ. Сквид-магнитометрическая техника
позволяет принимать магнитный аналог — эндогенное магнитное поле
[240, 272, 298]. Этот магнитный отклик можно вызвать зрительной сти-
муляцией с помощью решеток на экране осциллографа, если сингулярный
стимул резко выделяется по пространственной частоте решетки, или зву-
168
ковыми тонами с редкими щелчками или даже предъявлением на слайдах
рифмующихся слоев с редкими нерифмующимися. Исследование распре-
деления эндогенного ВМП по поверхности головы показало, что экстрему-
мы поля находятся заметно дальше друг от друга (10 - 12 см), чем у изу-
ченных ранее ВМП. Это позволяет допустить, что источник, если его можно
представить в виде токового диполя, залегает довольно глубоко — в 6 см
от поверхности головы. Это дало основание авторам работ [272, 298]
предположить, что источник эндогенного ВМП находится в гиппокампе
(см. рис. 33) или вблизи него, т.е. в центральных отделах мозга. Возмож-
ность нейромагнитного определения местоположения источников (лока-
ция) на такой глубине открывает новые перспективы магнитографии; од-
нако к этому нужно относиться с осторожностью, так как применимость
теоретических расчетов для целей локации, если речь идет о централь-
ных отделах мозга, т.е. вблизи центра головы, еще следует доказать на
практике. Это связано с большим влиянием несферичности головы на вид
магнитного поля глубоко залегающего источника, а также с возможностью
имитации глубокого источника комбинацией нескольких мелколежащих
[240]. Очевидно, что для установления положения источников в централь-
ных отделах мозга потребуется более детальное картирование нейромаг-
нитного поля по всей поверхности головы и, вероятно, всех компонент
вектора поля.
Однако имеются эксперименты, указывающие на то, что отклик на сти-
мул, выделяющийся в ряду однотипных стимулов, может залегать и на
не очень большой глубине в пределах первичной проекционной зоны органа
чувств. Изучая отклик на 30-миллис^кундный период звучания тона
1030 Гц, изредка появлявшийся в ряду периодов тона 1000 Гц, финские
исследователи [299] обнаружили компоненту отклика с задержкой в
240 мс, характерную только для ’’нестандартных” тонов. Картирование
этой компоненты позволило установить, что источник ее лежит на той
же глубине, что и источник отклика на ’’стандартный” тон, возникающего
через 110 мс после стимула, но на расстоянии 2,5 см от него. Расхождение
в местоположении откликов на подобные стимулы, полученных в разных
лабораториях, скорее всего указывает на то, что изучаемое явление доста-
точно сложно и связано с активацией нескольких областей человеческого
мозга.
Остановимся на электрических и магнитных сигналах, связанных с собы-
тием. Электроэнцефалографией выделен ряд таких явлений. Так назы-
ваемый потенциал готовности появляется примерно за секунду до того,
как человек собирается выполнить какое-либо действие по собственному
желанию. Моторный потенциал возникает примерно за 100 мс довыполне-
ния какого-либо движения. Если человек готовится ответить действием
на какой-либо ожидаемый стимул, возникает так называемая условная
негативная волна. Каждый из этих электрических сигналов на поверхности
скальпа имеет свою топографию и временной ход, позволяющий их иден-
тифицировать. Магнитография позволила обнаружить аналоги этих сигна-
лов, т.е. магнитные поля, связанные с событием, и установить место-
нахождение их источников. В работе Хари и др. [300] измерялся магнит-
ный сигнал, предшествующий произвольному движению ступней правой
ноги, который начинался примерно на секунду ( ! ) раньше самого движе-
169
Рис. 5 1. Магнитные сигналы, регистрируемые в различных точках у поверхности го-
ловы (1-12} перед намеренным движением ступней правой ноги Распределение ра-
диальной компоненты поля указывает на источник в виде токового диполя в месте
перехода центральной борозды в продольную (схема слева внизу) Данные ра-
боты [ 300]
ния и наблюдался в теменной части головы (рис. 51) Как и во многих
других нейромагнитных измерениях, полярности нормальной к поверхно-
сти головы компоненты магнитного поля были противоположными по
обе стороны от некоторой точки, что интерпретируется как поле токового
диполя, расположенного под этой точкой. Направление диполя образовы-
вало некоторый угол со средней линией головы, что позволило авторам
предположить, что диполь представляет собой векторную сумму диполей,
порождаемых активностью апикальных дендридов в месте перехода
центральной борозды в продольную, разделяющую полушария (см.рис.51).
170
Этот участок соответствует месту представительства ступни в моторной
коре мозга, находящейся на другом’’берегу” центральной борозды, напро-
тив соматосенсорной коры. Аналогичные результаты получились при
произвольном движении указательным пальцем; опять-таки обнаруженный
токовый диполь располагался на соответствующем участке центральной
борозды (см. рис. 44).
Похожие эксперименты были поставлены канадскими учеными
[301 - 303]. Ими обнаружен источник, возникающий при намерении
двинуть правой ногой, расположенной под углом к средней линии головы,
как на рис. 51. Этот же (или очень близкий) источник срабатывал перед
сложным движением пальцев правой руки — попеременном сгибании их
в определенном порядке. Активность в этом месте возникала одновре-
менно с активностью в первичной зоне представительства кисти ру-
ки (см. рис. 47), что дало авторам возможность заключить, что в осу-
ществлении намеренного движения конечностями принимают участие
и первичная и вторичная моторные зоны, причем активация последней
усиливается с усложнением вида предполагаемой деятельности. Экспери-
менты на ноге не давали возможности сделать подобные выводы, так как
ее представительства в обеих зонах почти накладываются друг на друга.
Вейнберг и сотрудники [301] измеряли магнитные поля, предшест-
вующие произвольному произнесению испытуемым любых слов, начи-
нающихся на заданную букву. Оказалось, что магнитное поле готовности
к произнесению имеет конфигурацию, соответствующую токовому
диполю, лежащему в области Брока (несколько впереди центральной
борозды на уровне представительства губ — см. рис. 44). Эта область
в левом полушарии считается моторной областью речи у правшей. Авторы
работы полагают, что магнитографический метод может иметь клиниче-
ское применение для определения области речи в необходимых случаях,
особенно у левшей.
В этой же серии экспериментов не удалось обнаружить ’’магнитное поле
готовности” перед произвольным сгибанием пальцев ноги (возможно,
из-за глубокого залегания источника), тогда как вполне заметно было
магнитное поле, появлявшееся в эксперименте другого типа, в котором
производилось такое же сгибание пальцев ноги. В этом случае сгибание
производится не произвольно, а по некоторой команде, но этой команде
несколькими секундами раньше предшествует дополнительное предупреж-
дение. Электрографически промежуток времени между предупреждением
и командой характеризуется появлением так называемой ’’условной
негативной волны” на поверхности скальпа. Ее магнитный аналог обнару-
жен в работах [301, 304]. ’’Условная негативная волна” — это физический
сигнал, отражающий нервные процессы более высокого порядка по сравне-
нию с происходящими в первичных проекционных зонах. Параметры
этого сигнала подвержены влиянию психического состояния субъекта. Тут
налицо связь измеряемого физического явления с такими не вполне точно
определенными понятиями, как рассеянность, беспокойство, стресс или
заинтересованность. Исследование магнитного аналога ’’условной нега-
тивной волны” проводилось римской биомагнитной группой [304]. Для
двоих из пяти испытуемых удалось обнаружить магнитный сигнал, интер-
претируемый как создаваемый токовым диполем, находящимся в лобном
171
отделе левого полушария. Авторы отмечают четкую межполушарную
асимметрию этого явления.
Другой вид магнитного поля, связанного с событием, - ’’моторное
поле” - исследовался в работе Окада и др. [305]. Моторное поле возника-
ло в ответ на команду к сгибанию указательного пальца, если эта команда
выполнялась. Поле возникает за 50 мс до срабатывания мышц. Построение
карт этого поля показало, что сначала токов о-дипольный источник возни-
кает на участке представительства пальца в моторной коре, а затем переме-
щается назад на 3 — 6 мм, что можно объяснить переходом области актив-
ности с одного берега центральной борозды на другой, т.е. с моторной
коры на соматосенсорную, реагирующую на движение пальца. Если экспери-
мент выполнялся так, что в ответ на сигнал палец сгибался не сам, а пас-
сивно движением другой руки, то первая фаза отклика в моторной коре
отсутствовала, тогда как вторая, в соматосенсорной, сохранялась.
Нейромагнитные эксперименты с вызванными магнитными полями дали
к настоящему времени наиболее обширный материал, позволяющий
оценить возможности сквид-магнитографии. МЭГ-методика служит сущест-
венным дополнением к электрографическим методам, включающим
измерения с вживленными внутрь мозга электродами и ЭЭГ с поверхности
головы. Техника вживленных электродов не обладает мобильностью и
применима в ограниченном числе случаев, а эффективность ЭЭГ мала из-за
трудности разделения источников по их ориентации и усредняющего
влияния черепа и скальпа, приводящего к тому, что поверхностные ВЭП
оказываются результатом действия большого числа источников, в том
числе сильно удаленных от места регистрации и не обязательно имеющих
отношение к исследуемому процессу. ВМП, напротив, отражают актив-
ность источника, расположенного в коре мозга вблизи приемника.
Уже на нынешнем уровне сквид-магнитометрической техники можно
достаточно уверенно определять параметры дипольных источников по ре-
зультатам измерений магнитных полей. Это позволяет с оптимизмом отнес-
тись к перспективам анализа пространственного распределения внутренней
активности мозга по генерируемым полям. При этом магнитные поля
представляются более точным источником информации, так как они менее
подвержены влиянию черепа и скальпа. Вполне реалистической представ-
ляется задача создания ’’магнитной томографии”, которая по результатам
одновременного измерения магнитных полей во многих точках вокруг
головы будет давать трехмерную картину электрической активности
клеток в мозге.
Уже на начальном этапе магнитоэнцефалографических исследований
проявилась настоятельная необходимость в разработке и использовании
ансамбля многих магнитных датчиков для точного картирования магнит-
ных полей мозга. Совокупность нескольких нужным образом располо-
женных сквид-магнитометров дает возможность решить сразу целый ряд
задач магнитографии. Одна из них, важнейшая — защита от помех различ-
ной природы. Если помеха однородна во всей области измерения, она
может быть исключена — как сигнал, строго коррелирующий на всех дат-
чиках (в этом случае ансамбль действует как усложненный градиометр).
Соответствующей корреляционной обработкой сигналов от всех датчиков
можно устранить влияние помехи с постоянным градиентом или с иным,
172
даже весьма сложным пространственным распределением. Другим случаем
использования многоточечной магнитографии может быть прием сигналов,
величина которых находится на уровне собственных шумов сквида. Тогда
усреднение по большому числу п сквидов, принимающих сигналы с одина-
ковой зависимостью от времени, даст возможность измерять переменные
поля с амплитудой, в раз меньшей, чем с помощью одного сквида.
Такая задача возникает при приеме магнитных сигналов из центральных
отделов мозга.
Наибольшая потребность в многоточечной магнитографии ощущается
при картировании магнитных полей мозга, представляющем собой исход-
ный этап' в определении положения и типа источников электрической
активности мозга, поэтому именно для целей магнито энцефалографии
создаются первые многоточечные магнитометрические приборы [12, 68,
69, 337]. Поступающей с многоточечных приборов информации следует
придать вид, удобный для интерпретации и анализа, т.е. по исходным
сигналам должны быть оперативно построены карты полей, вычислены
положения и ориентация источников, их спектральные свойства. Это
предполагает интенсивное использование электронных вычислительных
машин, поэтому каждая из лабораторий, ведущих биомагнитные исследо-
вания мозга, оснащена мощной ЭВМ. Вычислительную машину можно
использовать непосредственно в эксперименте, немедленно обрабатывая
поступающие сигналы, чтобы по результату расчетов можно было управ-
лять проведением эксперимента и корректировать его ход: изменять
положение измерительных приборов, проводить компенсацию помех,
осуществлять какое-либо воздействие на объект (субъект) измерения.
Это так называемая система ’’он-лайн”, требующая сложного математиче-
ского обеспечения. Более простым способом применения ЭВМ является
система ’’офф-лайн”, когда поступающая от всех датчиков информация
записывается на многоканальные магнитографы и впоследствии в любой
нужной последовательности и с затратой времени большей, чем длитель-
ность проведенного измерения, анализируется на ЭВМ. Этот способ приме-
нения ЭВМ пока наиболее распространен в магнитоэнцефалографии,
тем более что многоточечные сквид-магнитометры лишь начинают появ-
ляться в лабораториях.
ГЛАВА 6
ДРУГИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ
СВЕРХЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ МАГНИТОМЕТРИИ
Биомагнетизм - это наиболее быстро развивающаяся область приложе-
ния сверхчувствительной магнитометрии на основе сквидов, но им не
исчерпываются возможности исследования объектов и явлений природы
по сопровождающим их очень слабым магнитным полям. Аппаратура и
методы, пригодные для биомагнитных исследований, в большой степени
применимы и для широкого круга других задач. Везде, где требуется
измерение магнитных полей, меньших нанотесла, или обычных полей,
вариации которых столь же малы, магнитометрическая техника на основе
сквидов дает решающее преимущество. Для сквид-магнитометра любое
вещество (диа-, пара-, антиферромагнетик) обладает вполне и с достаточ-
ной точностью измеримым магнетизмом. Это позволяет посредством
бесконтактного измерения магнитных свойств следить за процессами в раз-
личных телах, определять степень их чистоты и изменения в структуре.
Помимо магнитных исследований человека, возможны наблюдения за
другими биологическими объектами: животными, растениями, культурой
ткани и т.д. Можно получать информацию о протекании химических про-
цессов в замкнутом реакторе или ампуле, поскольку происходящие
в процессе химической реакции молекулярные изменения, как правило,
сопровождаются изменением магнитных свойств среды. Исследование
таких процессов составляет предмет магнитохимии [306], и это целая
область науки с развитой проблематикой и методикой. Применение в маг-
нитохимии сквид-магнитометров, позволяющих производить чувствитель-
ные измерения магнитного поля около объектов, имеющих комнатную
или даже повышенную температуру, позволит резко расширить спектр
химических соединений, доступных магнитному анализу. Это могут быть
уже не только ферромагнитные или сильно парамагнитные элементы и
их соединения, а практически любые вещества. Химические же превра-
щения сильно магнитных веществ можно исследовать на очень малень-
ких образцах, а также на распыленных, адсорбированных или газооб-
разных.
Рассмотренные в предыдущих главах магнитографические приборы
могут обеспечить контроль качества различных ответственных деталей
по их химической чистоте, однородности состава и отсутствию внутренних
нарушений. При этом, поскольку зона чувствительности у сквид-магнито-
метров хорошо доступна (используемые для био магнитографии магнито-
метры могут быть применены безо всяких изменений), возможен массовый
контроль с быстрой и удобной сменой образцов. Во время измерений
можно легко осуществлять те или иные воздействия на образец, на-
174
пример мощным пучком света или другого излучения, механической
нагрузкой и т.п.
На практике для подобных измерений, однако, предпочитают изготав-
ливать специальные приборы, отличающиеся по конструкции от био-
магнитных. Так как линейные размеры образцов обычно не слишком
велики, максимум 10 — 20 см, зону чувствительности магнитометра,
имеющую комнатную температуру, можно выполнить в виде цилиндри-
ческого канала, который проходит сквозь гелиевый дьюар. Это уве-
личивает сцепление магнитного потока от образца с приемной пет-
лей магнитометра, что повышает чувствительность, а кроме того, по-
зволяет использовать сверхпроводящий экран для защиты от магнит-
ных шумов и создания очень стабильного подмагничивающего поля на
образце. Магнитометр с диаметром отверстия 64 мм, работающий с по-
стоянной времени 1 с, может измерить магнитный момент до 10“17 Тлм3
(10“7 Гс-см3) [307], Эти так называемые рок-магнитометры (по-англий-
ски г оск — скала) в большинстве своем применяются для изучения слабо-
магнитных горных пород, систематические обмеры которых могут
оказать большую помощь геологам — хотя бы уже тем, что для изме-
рений в неполевых условиях можно использовать образцы заметно мень-
ших размеров. Такие измерения проводились и на образцах лунного
грунта [308].
Конструкция рок-магнитометров хорошо приспособлена для измерений
магнетизма такого распространенного вида образцов горных пород, как
керны, получаемые в виде длинных цилиндров при глубинном бурении.
При анализе образцов следует учитывать, что они залегали в условиях
высоких давлений и напряжений, и магнитные свойства, вообще говоря,
изменяются после извлечения на поверхность. Изучение влияния всесто-
роннего давления и механических нагрузок на магнетизм горных пород
составляет предмет ’’пьезомагнетизма”*). Явление это для реальных
пород весьма сложно, но его изучение важно для практики, так как может
позволить по магнитным измерениям следить за динамикой тектониче-
ских процессов в районах, подверженных землетрясениям и, возможно,
делать предсказание этого стихийного бедствия. Лабораторные исследо-
вания ’’пьезомагнетизма” базальта и других пород проводились в ка-
мере высокого давления (до 1 кбар, что соответствует глубине зале-
гания около 3 км), помещенной в измерительный объем сквид-магнито-
метра, причем образец можно было еще и нагревать до 300 ° С лазер-
ным лучом [309].
К важным применениям сквид-магнитометрии относится измерение
’’палеомагнетизма” горных пород, отражающего историю изменения
магнитного поля Земли на протяжении геологических эпох, поскольку
направление намагниченности многих пород говорит о направлении гео-
магнитного поля в ту эпоху, когда порода, остывая, проходила через
точку своего магнитного превращения. Подобные же ’’палеомагнитные
*) Название это, мелькающее в работах по магнетизму горных пород, не совсем
удачно, так как совпадает с названием известного физического эффекта линейной
связи намагниченности некоторых кристаллов с одноосной деформацией [310].
175
следы” оставили наши предки в своих печах и плавильных горнах.
Их изучение, так же как и измерение магнитных характеристик других
палеонтологических и археологических находок, представляет несомнен-
ный интерес.
При изучении слабого магнетизма различных образцов, особенно извле-
ченных из земли или прошедших какую-либо химическую или механи-
ческую обработку, следует обращать особое внимание на устранение
влияния привнесенных магнитных (более всего ферромагнитных) загряз-
нений. Поэтому в такого рода исследованиях существенно не только
(часто и не столько) применение наиболее чувствительного сквид-магнито-
метра, но и корректная методика измерений, выделяющая именно изу-
чаемый вклад в полный магнетизм образца. Для разделения магнитных
вкладов образца и загрязнений используются приемы, основанные на
различии в их поведении при разных физических воздействиях. Ферро-
магнитные примеси могут быть либо намагничены до насыщения
сильным внешним магнитным полем, либо, наоборот, размагничены
в убывающем от максимума к нулю переменном магнитном поле.
Размагничивающее влияние оказывает и термическая обработка образца —
нагрев до нескольких сотен градусов Цельсия в близком к нулю магнит-
ном поле с последующим охлаждением. Магнитный момент некоторых
образцов после намагничивания постепенно убывает, и по скорости и
величине этой релаксации можно установить, какая часть образца
создает релаксационную компоненту магнитного момента. Парамагнит-
ный вклад можно выделить по температурной зависимости — он меняется
обратно пропорционально термодинамической температуре.
При выборе правильной методики сверхчувствительная магнито-
метрия применима и как технологическое средство. О первом при-
менении сверхпроводящих (но без применения сквида) магнито-
метров для промышленного контроля сообщила компания ”Дже-
нерал Электрик” [311 J. Ею разработан метод контроля качества
тепловыделяющих элементов ядерных реакторов (’’твэлов”) посред-
ством измерения магнитных свойств этих элементов. Метод позволяет
контролировать содержание гадолиния в таблетках ядерно го топлива
из окиси урана UO2 с точностью до 0,1%, и это даже при наличии ферро-
магнитной примеси порядка 0,2%. Распределение парамагнитной вос-
приимчивости вдоль стержня твэла (длиной до 4 м) измеряется при его
медленном протягивании через область чувствительности магнитометра
длиной около сантиметра. Твэл все время находится при комнатной темпе-
ратуре. Влияние ферромагнитных примесей устраняется тем, что измерения
проводятся в сильном магнитном поле (больше 2 Тл), создаваемом сверх-
проводящим магнитом, а в таком поле железо полностью магнитно
насыщено и его намагниченность не зависит от поля. Парамагнитную часть
восприимчивости можно выделить при измерении в двух разных больших
полях. Вероятно, это не единственный возможный метод магнитного кон-
троля, но на сегодняшний день он наиболее отработанный. Прибор
эксплуатируется с 1977 г. и может контролировать до 20000 твэлов в год.
Использование сквида в таком измерительном приборе позволит сущест-
венно расширить диапазон контролируемых параметров твэлов и других
технических изделий. Очевидно, что подобные методы технологического
176
контроля вначале найдут применение в лидирующих областях техники -
таких, как, например, атомная или космическая. Так, например, описан-
ная выше система активной защиты от магнитных помех [105] исполь-
зуется при контроле магнитной ’’чистоты” космических аппаратов, пред-
назначенных для магнитных измерений в космосе на больших удале-
ниях от планет с сильным магнитным полем или Солнца. Важность маг-
нитного контроля деталей наглядно подчеркивает конструкция спутни-
ка МАГСАТ (рис. 52) [312], где измерительные магнитометры приходится
Рис. 52. Орбитальная конфигурация магнитометрического спутника МАГСАТ [ 312]
выносить на 6 м от рабочего отсека, чтобы устранить влияние собствен-
ного магнитного поля аппарата. Первый вариант МАГСАТ не предполагает
наличия на борту сквид-магнитометра, но последующие спутники, воз-
можно, будут ими оборудованы [313], что требует еще более строгого
магнитного контроля на Земле. Уже имеющиеся сквид-магнитометры
вполне могут его обеспечить.
Применение спутников для измерений околоземного магнитного поля
способно решить задачу высокоточного и детального картирования маг-
нитных аномалий по всей поверхности Земли (рис. 53). Такие карты
позволят выработать более глубокий взгляд на геолого-тектоническое
строение нашей планеты. Несмотря на широкий размах геомагнитных
измерений, лишь сравнительно недавно в США, например, удалось стереть
последние ’’белые пятна” и построить первую полную карту магнитных
аномалий этой страны [314]. Глобальные же магнитные измерения обя-
зательно потребуют применения магнитометрических спутников.
При измерениях геомагнитного поля уникальная чувствительность
сквидов с первого взгляда представляется не столь необходимой, так как
земное поле сравнительно сильно, и даже характерные колебания его
находятся на уровне 1 нТл, что для сквида представляет очень большую
величину. Более того, в отличие от биомагнитных исследований, нет
необходимости уменьшать размер приемной петли прибора, и она может
быть сравнительно большой (радиусом до 10 см), что позволяет еще
более увеличить чувствительность к магнитному полю. Но магнитное
поле Земли очень однородно и лишь незначительно искажается из-за
вариаций магнитных свойств пород, залегающих в поверхностных слоях.
Создаваемые ими небольшие градиенты магнитного поля несут в себе
177
важную информацию о геологическом строении Земли. Крупные магнит-
ные аномалии легко обнаруживаются обычными магнитометрическими
приборами, но измерение ими более слабых градиентов требует сильного
разнесения приборов (для обеспечения большой базы градиометра),
что часто трудно или просто невозможно сделать, например, при измере-
нии вертикальной компоненты градиента или если масштаб неоднород-
ности, создающей градиент, меньше расстояния между магнитометрами.
Градиометрическая аэромагнитная съемка с помощью самолета про-
демонстрировала возможности метода [315]. На высоте полета 150 м
Рис. 53. Предполагаемая схем магнитной службы Земли. Магнитометры установлены
на каждом из двух спутников А и В. Система действует как градиометр с очень боль-
шой базой, устраняя тем самым помехи от удаленных источников [313]
характерные вертикальные градиенты магнитного поля составляли от 1
до 10 нТл/м в области Канадского Прекембрийского щита, состоящего
из скальных пород. В этих измерениях применялись два магнитометра
с оптической накачкой (см. § 2.6) в градиометрической конфигурации,
разнесенные по вертикали на 2 м на хвосте самолета. Разрешение градио-
метра составляло 5 пТл/м. Несомненно, что применение более компактных
(база 30 см) и в 100 раз более чувствительных сквид-градиометров [316]
заметно расширит возможности аэромагнитной и спутниковой съемки.
При этом очень серьезна проблема устранения помех от самого летатель-
ного аппарата, На этом пути возникает необходимость в магнитном кон-
троле спутника специальной конструкции (рис. 52), а в случае самолета -
в тщательной компенсации влияния стальных деталей, главным образом
двигателя, Альтернативой представляется использование немагнитного
буксируемого планера.
Геофизические применения сквид-магнитометров (градиометров) уже
довольно разнообразны [317, 318]. Циммерманом исследовалось влияние
Трансаляскинского трубопровода на колебания земного магнитного поля
при полярных сияниях, а также влияние затмения Солнца на локальное
магнитное поле. С помощью сквид-градиометра были зарегистрированы
внутренние волны в толще вод Тихого океана у берегов Калифорнии [319].
Волнообразные движения морской воды на глубинах в несколько метров
с периодом около 10 мин проявляли себя на поверхности изменением
градиента магнитного поля с амплитудой 3 пТл/м. Причиной колебания
178
магнитного поля служат токи, наводимые в проводнике (морской воде),
движущемся в земном магнитном поле. Для опробования возможностей
сквид-магнитометров в морских условиях были проведены соответствую-
щие испытания [320]. Они показали, что значительную трудность пред-
ставляет устранение влияния качки в земном магнитном поле. Эта
проблема остро стоит и при наземных измерениях, где условия в отно-
шении вибраций и колебаний куда лучше, тем не менее даже качание на
ветру дерева, стоящего вблизи сквид-магнитометра, дает заметные пара-
зитные сигналы [321]. Естественным решением в случае магнитных
измерений в море будет помещение измерительного прибора прямо на дно.
Технически это удается сделать и с современными сквид-магнитометрами,
даже проблему отвода испаряющегося гелия можно решить, соединив при-
бор трубкой с плавучим буем. В описанных испытаниях [320] трех-
компонентный сквид-магнитометр работал на глубине до 100 м и при
этом обладал чувствительностью, достаточной для приема сигналов сверх-
дальней радиосвязи на частоте 75 Гц. Однако проблема помех, вызы-
ваемых ’’качкой”, и здесь осталась не вполне решенной, так как из-за боль-
шой плотности воды даже малые ее колебания все же смещают прибор.
Для устранения этого влияния необходимы специальные инженерные
решения закрепления магнитометра на дне. Донные измерения с помощью
сквид-магнитометра ведутся в Японии [322].
Другим необычным способом применения сквид-магнитометра может
быть его помещение в бурильные скважины с целью измерения магнитных
свойств пород в условиях естественного залегания. Практическую цен-
ность представляет обнаружение больших трещин в породе, что важно,
например, для использования геотермальной энергии. Трещина исполь-
зуется как канал для циркуляции теплоносителя между двумя сква-
жинами. Для магнитометрической локации трещины предлагается за-
качивать в нее феррожидкость (т.е. жидкость, содержащую коллоидные
ферромагнитные частицы) и по распределению магнитного поля опреде-
лять положение трещины и ее ориентацию [323]. Решение подобных задач
важно и для повышения отдачи нефте- и газоносных пластов.
Геомагнитные измерения позволяют определять не только магнитные
свойства пород, но и распределение электропроводности в поверхностном
слое Земли до глубины в несколько километров. Для этого применяют
метод электромагнитного зондирования, состоящий в измерении магнит-
ного поля, производимого импульсом тока в сотни и даже многие тыся-
чи ампер. Вид магнитного отклика, принимаемого на расстоянии десятков
километров от источника, и его спектральный состав дают информацию
об электропроводности глубинных слоев, так как глубина проникновения
электромагнитных колебаний зависит от его периода (при 1 Гц глубина
около 3 км для типичных пород), — явление, аналогичное скин-эффекту.
Восстановление распределения электропроводности с глубиной требует
сложной математической обработки.
Наряду с активным электромагнитным зондированием применяют и
пассивное — это так называемое магнитотеллурическое зондирование.
В этом случае не нужен искусственный источник поля, его заменяют соб-
ственные колебания земного электромагнитного поля, вызываемые про-
179
Многочисленные попытки обнаружить магнитный монополь не дали ре-
зультата. Имея в виду саму природу монополя, представлялось естествен-
ным пытаться обнаружить его магнитными методами, в частности сквид-
магнитометрами. Возобновление интереса к поискам магнитного монополя
связано с предположениями А.Полякова (СССР) и Ж.т’Хуфта (Голландия)
о существовании так называемого ’’сверхтяжелого монополя”, обладающе-
го массой 2 • 10~8 г, т.е. на много порядков большей, чем у обычных эле-
ментарных частиц, но имеющего такой же магнитный заряд, как и
’’монополь Дирака”. Сверхтяжелый монополь слабо взаимодействует
с веществом и может пролететь даже сквозь земной шар. Однако если
магнитный монополь пролетит сквозь сверхпроводящее кольцо, в послед-
нем наведется постоянный ток, соответствующий изменению магнитного
потока в кольце на два кванта потока 2^0- Это изменение может быть
надежно зафиксировано сквидом. Такой эксперимент был проведен
Б. Кабрерой (Стенфордский университет, США) [111]. Постановка его
сравнительно проста. Сквид-магнитометр с катушкой в четыре витка
довольно большого размера (5 см в диаметре) помещался в сверхпрово-
дящий экран с ничтожным остаточным полем (см. § 3.2) для исключения
любых магнитных помех. Прибор работал непрерывно в ’’режиме ожида-
ния” пролета монополя, который должен изменить поток на восемь кван-
тов потока (2(^0 X 4 витка). Такое событие было обнаружено после
полу го да наблюдений.
После этого в той же лаборатории, как и в ряде других, были постав-
лены подобные сквид-магнитометрические эксперименты, тем самым
суммарная эффективная площадь петель, ’’ожидающих” пролета монополя,
была заметно увеличена. Однако описанное Кабрерой событие, приписы-
ваемое магнитному монополю, до сих пор остается единственным, что
может обозначать либо неверность интерпретации события, либо большую
удачу экспериментатора, зарегистрировавшего чрезвычайно редкое явле-
ние, Вероятно, может потребоваться радикальное увеличение площади
приема (до десятков квадратных метров вместо квадратных сантиметров).
Такая задача может быть решена с использованием крупномасштабной
криогеники и сквидов [329].
Один из вариантов нам видится таким: скрученные листы фольги могут
быть переведены в сверхпроводящее состояние в очень малом магнитном
поле, чтобы не захватить магнитный поток, а затем развернуты. Гипотети-
ческий монополь, пролетая сквозь такой лист, должен оставить в нем нару-
шение сверхпроводимости в виде нормальной области, заключающей два
кванта потока 2^0 (как на рис. 18). Появление таких ’’магнитных следов”
монополя в течение длительной экспозиции можно зарегистрировать,
периодически детектируя наличие нормальных областей в сверхпроводнике
с помощью сквида, сканирующего поверхность листа. Наличие следов
на двух параллельных листах позволит определить и направление пролета.
Метод аналогичен регистрации частиц с помощью стопки фотопластинок.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В этой книге отражено современное состояние сверхчувствительной
магнитометрии ’’теплых” объектов и, прежде всего, биомагнитных иссле-
дований. За полтора десятилетия развития биомагнетизма накопилось
достаточно экспериментальных результатов, чтобы оценить, насколько
широкие перспективы открыты для дальнейшего продвижения. До сих
пор прогресс биомагнетизма шел главным образом ”от техники” - появ-
ление все более чувствительных и специализированных сквид-магнитомет-
ров и улучшение средств защиты от шумов позволяло получать важные
результаты при достаточно простой организации экспериментов с точки
зрения биологии или медицины.
Техническая сторона биомагнитографии пока еще оставляет воз-
можность прогресса, главными целями которого будут: применение
в магнитографии наиболее совершенных сквидов, приближающих-
ся к квантовому пределу чувствительности; создание автономного
микрорефрижератора, который сможет обеспечить работу сверхпро-
водящего магнитометра в местах, удаленных от развитых криофизи-
ческих центров, и тем самым позволит широко внедрить методы биомаг-
нетизма в исследовательскую и клиническую практику; создание кон-
струкций магнитометров, наиболее приемлемых для массового исполь-
зования; создание дешевых методов защиты от магнитных шумов, в том
числе очень низких частот; разработка многоточечных (многоканальных)
сквид-магнитометров, которые позволят существенно улучшить простран-
ственное разрешение при картировании магнитных полей такого сложного
объекта, каким является человеческий мозг.
При рассмотрении биологических вопросов, связанных с биомагнетиз-
мом, следует иметь в виду, что большинство магнитных сигналов имеют
своими источниками те же процессы, которые вызывают и электрические
поля в организме. Поэтому при постановке биологических экспериментов
методы биомагнитографии следует применять тогда, когда они дают пре-
имущество перед электрографическими. Магнитные методы, в силу бес-
контактности, вне конкуренции в тех случаях, когда биологический или
иной объект отделен от экспериментатора той или иной преградой или
контакт с ним невозможен или нежелателен по какой-либо иной причине
(например, стерильность объекта). Наблюдения медленно меняющихся
биологических процессов надежнее производить магнитографически, так
как в этом случае исключается влияние кожногальванических явлений
в месте контактов. И, конечно, только магнитные методы позволяют
исследовать поведение магнитных частиц в организме.
183
Но и в случае, когда доступны электрографические методы, магнит-
ные измерения дают дополнительные возможности для получения неза-
висимой информации об источнике сигналов и резко сужают круг воз-
можных интерпретаций результатов электрических измерений. В силу
большей локализации магнитных полей около генератора активности
магнитографические данные во многих случаях более информативны,
чем электрографические. Имея в виду эти свойства магнитографии, и сле-
дует подходить к постановке экспериментов по биомагнетизму. Биомаг-
нетизм, пройдя свой пионерский этап, теперь требует более четкой био-
логической классификации и постановки задач. Имея достаточные техни-
ческие средства, он в состоянии пройти тот же путь, что и измерения элек-
трических полей организма, но, зная этот путь* исследователь должен в
первую очередь выбрать те задачи, в которых результаты именно магнит-
ных измерений могут оказаться решающими.
Практическое использование биомагнитографии в настоящее время
связано с применением жидкого гелия для поддержания работы сквид-
магнитометра, что не очень широко доступно. Но в условиях крупного
города с большим числом научных учреждений, заинтересованных в био-
магнитных исследованиях, возможна организация единого криогенного
центра, где происходит заливка гелием магнитографических приборов,
которые затем в течение недели и более будут использоваться для изме-
рений. Для менее чувствительных измерений (кардиография, исследование
ферромагнитных загрязнений) в условиях клиники возможно использо-
вание приборов, не требующих низких температур, например, магнито-
метров на парах щелочных металлов с оптической накачкой. Возможность
более широкого распространения биомагнитографии определяется доступ-
ностью автономных сквид-магнито метров, использующих микро рефри-
жератор, но такие приборы пока находятся в стадии разработки.
Большой интерес к исследованию человека резко ускорил развитие
именно биомагнетизма, хотя технически и методически биомагнитные
измерения имеют много общего со всеми другими приложениями сверх-
чувствительной магнитометрии. Быстрый прогресс биомагнетизма — это,
по сути своей, прогресс всей сквид-магнитометрии больших объектов -
физических, технических и космических.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с Джозефсоновскими контактами.-М.: Изд-во
МГУ, 1978.
2. Волков А.Ф., Заварицкий Н.В., Надь Ф.Я. Электронные устройства на основе
слабосвязанных сверхпрдводников. - М.: Сов. радио, 1978.
3. Степанов Н.П. Магнитография - перспективное направление мадицинской диаг-
ностики с использованием приборов на эффекте Джозефсона. - М.: ЦНИИ элек-
трон., 1975.
4. Виллиамсон С, Кауфман Л., Бреннер Д. Биомагнетизм. - В кн.: Слабая сверх-
проводимость. - М.: Мир, 1980.
5. Williamson S.J., Kaufman L. Biomagnetism. - J. Magn. Magnetic materials, 1981, v. 22,
p. 129.
6. Введенский В.Л., Ожогин В.И. Сверхчувствительная магнитометрия и биомаг-
нетизм. - М.: Изд-е ИАЭ им. И.В. Курчатова, 1981.
7. Romani G.L., Williamson S.J., Kaufman L. Biomagnetic Instrumentation. - Rev. Sci.
Instr., 1982, v. 53 (12), p. 1815-1845.
8. Biomagnetism. An Interdisciplinary Approach, NATO Advanced Institute Series/Eds.
Williamson S.J., Romani G.L., Kaufman L., Modena I. - N.Y., L.: Plenum Press, 1983.
V. Jaklevic R.C., Lambe J., Silver A.N., Mercereau J.E. Quantum interference effects
in Josephson tunneling. - Phys. Rev. Lett., 1964, v. 12, p. 159.
10. Zimmerman J.E., Tiene P., Harding J.T. Design and Operation of stable rf-biased
superconducting point contact quantum devices, and a note on the properties of perfe-
ctly clean metal contacts. - J. Appl. Phys., 1970, v. 41, p. 1572.
11. Superconducting Technology, 530 Long Avenue, Mountain View. - Calif., USA.
12. Biomagnetic Technology Inc., BTi (SHE until 1985) Sorrento Valley Road, San-
Diego, Calif., USA.
13. Заварицкий H.B., Ветчинкин A.H. Установка СКИМП. - ПТЭ, 1974, № 1, с. 247.
14. Четаев М.П., Дмитренко ИМ., Шнырков В.И. Вопр. атомной науки и техники.
Сер. Фундаментальная и прикладная сверхпроводимость. - Харьков, 1975, вып. 1,
с. 23.
15. Васильев Б.В., Иваненко А.И., Трофимов В.Н. О выборе оптимальных парамет-
ров сверхпроводящего квантового магнитометра. - РЭ, 1975, т. 20, № 6,
с. 1255.
М>.Clark J., Goubau W.M., Ketchen М.В. Tunnel junction de SQUID: Fabrication, ope-
ration and performance. - J. Low Temp. Phys., 1976, v. 25, № 1/2, p. 99.
Vl.Jackel L.D. Junction and circuit fabrication. - In: SQUID-80. - B., N.Y.: W. de
Gruyter, 1980, p. 257.
18. Ульрих Б.Т., ван Дузер T. Технология получения Джозефсоновских переходов.
Слабая сверхпроводимость. - М.: Мир, 1980, с. 97.
19. Daalmans G.M. Fabrication and caracterization of thermally recyclable submicron
niobium-niobium josephson junctions. - In: SQUID-80. - B., N.Y.: W. de Gruyter
1980,p.399.
20. Cromar M.W., Carelli P. Low noise tunnel junction de SQUIDs. - Appl. Phys. Lett.,
1981, v. 38, №9, p. 723.
21. Ketchen M.B., Jaycox J.M. Ultra-low-noise tunnel junction de SQUID with tightly
coupled planar input coil. - Appl. Phys. Lett., 1982, v. 40. №8, p. 736.
185
22. Hollenhorst J.H., Giffard R.P. High sensitivity microwave SQUID. IEEE Trans. Magn.,
1979, MAG-15, p. 474.
23. Prance R.J., Clark T.D., Long A.P., Moore M. Fully engineered high performance UHF
SQUID gradiometer.-Cryogenics, 1981, v. 21, №8, p. 501.
24. Dmitrenko I.M., Tsoi G.M., Shnyrkov V.I., Kartsovnik V. V. RF SQUID in nonhysterc-
tic regime with KQ1 > 1. - J. Low Temp. Phys., 1982, v. 49, №5/6, p. 417.
25. Кларк Дж. Сверхпроводящие квантовые интерференционные приборы для низко-
частотных измерений. Слабая сверхпроводимость. - М.: Мир, 1980, с. 7.
26. Voss R.P'., Laibowitz R.B., Ketchen M.B., Bro er s A. Pi. Ultra low noise de SQUIDs.- In:
SQUID-80. - B., N.Y.: W. de Gruyter, 1980, p. 365.
27. Van Harlingen D.J., Koch R.H., Clarke J. Superconducting quantum interference device
with very low magnetic flux noise energy. - Appl. Phys. Lett., 1982, v. 41, №2, p. 197.
28. Zimmerman LE. Sensitivity enhancement of superconducting quantum interference
devices through the use of fractional-turn loops. - J. Appl. Phys., 1971, v. 42, № 11,
p. 4483.
29. Richter IP. ,Dettman F. Thin-film de SQUID gradiometer. - Phys. Stat. Sol., 1978,
v. 49, №2, p. K209.
30. Zentrum zur Wissenschaftliche Geratebau. - Berlin: Akademieder Wissenschaften, DDR.
31. Bondarenko S.I., Kravchenko V.V., Golovanew E.A., Lemeshko N.M. Thin-film de
SQUID for superconducting magnetometer devices. LT-17 Proc. 17th Intern. Con-
ference Low Temperature Physics., 1984/Eds. Eckern V., Weber W., Wuhl H. - Otani-
emi, Finland.
32. Лоунасмаа O.B. Принципы и методы получения температур ниже 1 К. - М.: Мир,
1977.
33. Zimmerman J.E., Frederick N. V. Miniature ultrasensitive superconducting magnetic
gradiometer and its use in cardiography and other applications. - Appl. Phys. Lett.,
1971, v. 19, p. 16.
34. Duret D., Bernard P., Zenatti D. A UHF superconducting magnetometer utilizing a
new thin film sensor. - Rev. Sci. Instr., 1975, v. 46, №4, p. 474.
35. Shirae K., Furukawa H., Kishida K. A new multi-element rf SQUID system and its ap-
plication to the magnetic vector gradiometer. - Cryogenics, 1981, v. 21, № 12, p. 707.
36. Ehnholm G.J., Wiik T, Stubb T. Thin film SQUIDs for magnetic field measurement. -
Jap. J. Appl. Phys., 1977, v. 16, p. 261.
37. Калантаров П.Л., Цейтл ин Л.A.Расчет индуктивностей.- М., Л.: Госэнергоиздат, 1955.
38. Zimmerman J.E. SQUID instruments and shielding for low level maganetic measure-
ment - J. Appl. Phys., 1977, v. 48, №2, p. 702.
39. Ehnholm G.J., Ilmoniemi R.J., Wiik T.O. A seven channel SQUID magnetometer for
brain research. - Physica, 1981, v. 107B, p. 29.
40. Penttinen A. Signal coupling to thin-film SQUIDs and magnetometry without flux
transformers. - Helsinki university of technology. Department of technical physics.
Report TKK-F-A464, 1981.
41. Ketchen M.B. DC SQUIDs-80: The state of the art. - IEEE Trans. Magn., 1981,
MAG-17, p. 387.
42. Ketchen M.B., Goubau W.M., Clarke J., Donaldson G.B. Superconducting thin-film
gradiometer. - J. Appl. Phys., 1978, v. 49, №7, p. 4111.
43. De Waal V.J., Klapwijk T.M. Compact integrated de SQUID gradiometer. - Appl.
Phys. Lett., 1982, v. 41, № 7, p. 669.
44. Pegrum C.M., Donaldson G.B. Optimising the design of thin-film de SQUID gradiome-
ters. - In: SQUID-80. - B., N.Y.: W. de Gruyter, 1980, p. 535.
45. Fleming D.L., Gerschenson M., Schneider R.J., Sweeny M.F. Hybrid DC SQUID fabri-
cation and characterisation. - Conf. Intermag-83, 1983, Filadelfia, USA, Report EA-2.
46. Jacket L.D., Buhrman R.A. Noise in the rf SQUID. - J. Low Temp. Phys., 1975, v. 19,
p. 201.
47. Ketchen MB., Tsuei S.S. Low frequency noise in small-area tunnel junction de -
SQUID. - In: SQUID-80. - B., N.Y.: W. de Gruyter, p. 227.
48. Carelli P., Foglietti V. Behaviour of a multiloop de superconducting quantum interfe-
rence device. - J. Appl. Phys., 1982, v. 53, p. 7592.
49. Wellstood E, Heiden C, Clarke J. Integrated de SQUID magnetometer with a high
slew rate. - Rev. Sci. Instrum., 1984, v. 55(6), p. 952.
186
ЗО. Кешнер М.С. Шум типа 1// - ТИИЭР, 1982, т. 70, № 2, с. 60.
Si. Яновский Б.М. Земной магнетизм. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1978.
52. Tesche C,D., Brown К.Н., Callegari A.C. et al. Well coupled de SQUID with extremely
low 1/f noise. - LT-17, XVII Intern. Conf, on Low Temperature Physics Conference
booklet BH-2, August 1984, Karlsruhe, FRG.
53. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. - М.: Мир,
1979.
54. Cabrera В. The use of superconducting shields for generating ultralow magnetic field
regions Thesis. - Stanford: Stanford Univ., Calif., USA, 1975.
55. Vrba J., Fife A.A., Burbank M.B. et al. Spatial discrimination in SQUID gradiometers
and 3rd order gradiometer performance. - Can. J. Phys., 1982, v. 60, № 7, p. 1060.
Sb.Haberkorn W., Albrecht G. Optimization of SQUID-gradiometers. - Experimentelle
Technik der Physik, 1982, v. 30, №4, p. 335.
57. Barbanera S., Carelli P., Leoni R. et al. Biomagnetic measurements in unshielded,normal-
ly noisy environments. - In: Biomagnetism. - B., N.Y.: W. de Gruyter, 1981, p. 139.
58. Elettronica S. p. A., Via Tiburtina Valeria km 13.700-0011. - Rome. Italy.
59. CRF System Inc. 15-1750 Me Lean Avenue, Port Coquitlam, British Columbia, Canada.
60. Saarinen M., Karp P.J., Katila T.E., Siltanen P. Magnetocardiogram in cardiac disorders. -
Cardiovasc. Res., 1974, v. 8, p. 820.
61. Vvedensky V.L., Naurzakov S.P., Ozhogin V.I., Shabanov S. Yu. A portable biomagnetic
measuring system. - Nuovo Cimento, 1983, v. 2D, №2, p. 224.
62. Seppanen M., Katila T.t Tuomisto T. et al. Measurement of biomagnetic fields using
multichannel superconducting-magnetometr techniques. - Nuovo Cimento, 1983,
v. 2D, №2, p. 166.
63. Введенский B.JL, Наурзаков С.П., Ожогин В.И., Шабанов С.Ю. Измерение танген-
циальной компоненты магнитного поля, связанной с альфа-ритмической актив-
ностью мозга человека. - Тр. Всесоюзн. конф, по физике низких температур,
1984, Таллин, т. 3, с. 92.
64. Zimmerman J.T., Reite М., Zimmerman J.E. Magnetic evoked fields: dipole orientati-
on. - Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol., 1981, v. 52, p. 151-156.
65. Vasilieva E.V., Vasiliev B.V., Sudnik-Hrynkewicz M., Vodel W. Measurement of magne-
tocardiograms with an rf-gradiometer SQUID. IV Intern. Worskshop on Biomagnetism,
1982, Rome, Italy, p. 35.
66. Leifer M.C., Griffin G.C., lufer E.J. et al. - An integrated system for measurement of the
MCG and cardiac output. - In: Biomagnetism. - B., N.Y.: W. de Gruyter, 1982, p. 123.
67. Бондаренко С.И., Веркин Б.И., Голованов E.A. и др. Трехкомпонентные сверх-
проводниковые магнитометры для геофизических исследований. - Геофиз.
аппаратура, 1979, т. 69, с. 9.
68. Hamalainen M.S., Hmoniemi R.J., Knuutila J., Reinikainen К. Analysis of magnetoence-
phalographic data obtained with a four channel SQUID magnetometer. - In: Biomagne-
tism, Applications and Theory/Eds. H. Weinberg, G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Perga-
mon Press, 1985, p. 299.
69. Williamson S. J.,Kau fman L., Okada Y. et al. Five channel SQUID installation for unshiel-
ded neuromagnetic measurements. In: Biomagnetism, Applications and Theory/Eds.
H. Weinberg, G. Stoink, T. Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985, p. 46.
70. Cohen D., Palti Y., Cuffin B.N., Schmid S.J. Magnetic fields produced by steady cur-
rents in the body. - Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1980, v. 77, №3, p. 1447.
71. Рогачевский Б.М. О применении эффектов сверхпроводимости для средств
измерения. В сб.: Измерительные информационные системы/Под ред. Цапен-
ко И.О. - Новосибирск: Наука, Сиб. отделение, с. 164.
72. Nonmetallic materials and Composites at low temperatures/Eds Clark A.F., Reed R.P.,
Hartvig G. - N.Y.: Plenum Press, 1979.
73. Hartwig G. Nonmetallic materials in present and future low temperature technology. -
Intern. Cryogenic Engineering Conf., 1982, Japan, Proc. PA.
74. Testard O.A., Locatelli M. Cryostats for SQUID magnetometers. - Cryogenics, 1983,
v. 23, p. 289.
75. Натрусов В.И., Тесля Л.М., Каганер М.Г., Урлик Г.Г. Газопроницаемость эпоксид-
ных стеклопластиков. - Физико-химическая механика материалов, 1982, т. 18,
№6, с. 112.
187
76. Дмитренко И.М., Конотоп Д.А., IIIнырков В.И., Бугаенко С.В. Система для из-
мерения биомагнитных полей на базе ВЧ-сквида. -XV Intern. Symposium Tief-
temperaturphysik und Krioelectronic 1983, Meuselbach, Turingen. Fridrich Schiller
Univ., lena, DDR, S. 105.
77. Mason P, Petrac D., Tward M. et al. The Infrared astronomy satellit: a milestone in
space cryogenics. - X Intern. Cryogenic Engineering Conf., 1984, Otaniemi, Finland,
Program 01-4.
78. Ter Brake H.J.M., Hogenkamp J.E.M., Ulfinan J.A., Flokstra J. Low evaporation hybrid
cryogenic system for superconducting devices. - X Intern. Cryogenic Engineering
Conf., 1984, Otaniemi, Finland, Program 01-3.
79. Solomonovich A.E., Sidyakina T.M., Khaikin A.S. et al. - Space helium refrigerator. -
Cryogenics, 1981, v. 21, № 8, p. 747.
80. Автономные криорефрижераторы малой мощности/Под ред. В.М. Бродянского. -
М.: Энергоатомиздат, 1984.
81. Zimmerman I.E., Cryogenics for SQUIDs. - In: SQUID-80. - B., N.Y.: W. deGruyter,
1980,p.432.
82. Myrtle K., Winter C., Gygax S. A 9K conical Stirling-cycle cryocooler. - Cryogenics,
1982, v. 22, №3,p. 139.
83. Little W.A. Microminiature refrigeration. - Rev. Sci. Instr., 1984, v. 55, №5, p. 661.
84. Baule G.M., McFee R. Detection of the magnetic field of the heart. - Amer. Heart J.,
1963, v. 55, p. 95.
^85 . Сафонов Ю.Д., Провоторов B.M., Любе B.M., Якименко Л.Н. Регистрация маг-
> нитного поля сердца. - Бюлл. экспер. биол. мед., 1967, т. 64,№ 7, с. 111.
86. Cohen D. Magnetoencephalography: evidence of magnetic fields produced by alpha-
rythm currents. - Science, 1968, v. 161, p. 784.
87. Aittoniemi K, Kalliomaki K., Katila T, Varpula T. Practical magnetopneumography
using fluxgate magnetometers. - In: Biomagnetism. - B., N.Y.: W. de Bruyter, 1981,
p.475.
88. Cohen D., Crowther T.S., Gibbs G.W., Bechlake M.R. Magnetic lung measurements in
relation to occupational exposure in asbestos miners and millers of Quebec. - Envi-
ronmental Research, 1981, v. 26, p. 535.
89. Behannon K. W., Accuna M.H., Burlaga L.F. et al. Magnetic field experiments for Voya-
ger 1 and 2. - Space Sci. Rev., 1977, v. 21, p. 235.
9®. Козлов А.И., Абрамов Ю.М., Синельникова Ф.Е. Квантовый градиентометр с оп-
тической накачкой. - Авторское свидетельство № 609378, выдано 7.02.78.
91. Katila Т. Instrumentation for biomedical applications. - In: Biomagnetism. - B., N.Y.:
W. de Gruyter, 1981, p. 3.
92. Erne S.N., Fenici R.R., Hahlbohm H.D. et al. Magneto card iographic study of the PR
segment of normals. - In: Biomagnetism, Applications and Theory/Eds. H. Weinberg,
G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985, p. 132.
93. Albrecht G., Haberkorn W., Kirsch G. et al. Recent results of biomagnetic measurement
with a de SQUID system. LT-17, XVII Intern. Conf. Low Temperature Physics. August
1984, Karlruhe, FRG, Conference booklet Bh-1.
94. Bercy C, Duret D.I., Karp P., Teszner D. Intsallation of a biomagnetic measurement
facility in a hospital environment, a first study. - In: Biomagnetism, - B., N.Y.:
W. de Gruyter, 1981, p. 95.
95. Барахнин K.K., Студенцов H.B., Шифрин В.Я. Исследование квантового автоком-
пенсатора вариаций магнитного поля Земли. - Тр. ВНИИМ, 1978, вып. 215 (275),
с. 24.
96. Hansen J.S., Bowser D., Ко Н. et al. Adaptive noise cancellation in neuromagnetic
measurement system. - Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2, p. 203.
97. Прецизионные сплавы: Справочник. - M.: Металлургия, 1983.
98. Gtibser D.U., Wolf S.A., Сох J.E. Shielding of longitudinal magnetic fields with thin,
closely spaced, concentric cylinders of high permeability material. - Rev. Sci. Instr.,
1979, v. 50, №6, p. 751.
99. Cohen D. Large volume conventional magnetic shields. - Rev. Phys. Appl., 1979, v. 5,
p. 53.
100. Cohen D., Edelsack E.A., Zimmerman J.E. Magnetocardiograms taken inside a shielded
room with a superconducting point-contact magnetometer. - Appl. Phys. Lett., 1970,
v. 16,№7,p. 278.
188
1Q1. Kelhii V.O., Pukki J.M., Peltonen R.S. et al. Design, construction and performance of
a large-volume magnetic shield - IEEE Trans. Magn., 1982, v. MAG-18, p. 260.
102. Mager A., Erne S.N. et al. The Berlin magnetically shielded room. Design and Construc-
tion. Performances. Periphery. - In: Biomagnetism. - B., N.Y.: W. de Gruyter, 1981,
p. 51-94.
103. Koga S., Nakamura A. Magnetic signals form human skeletal muscles. - Nuovo Cim.,
1983, v. 2D, №2, p. 642.
104. Wikswo J.P., Fairbank W.M. Application of superconducting magnetometers to the
measurement of the vector magnetocardiogram. - IEEE Trans. Magn., 1977, v. MAG-13,
№l,p.354.
105. Freafce S.M., Thorp T.L. Shielding of low magnetic fields with multiple cylindrical
shells. - Rev. Sci. Instr., 1971, v. 42, № 10, p. 1411.
106. Хайдрих К., Кобе С. Аморфные ферро- и ферримагнетики. - М.: Мир, 1982.
107. Goree И'. 5. Advances in superconducting instrument systems. - Proc. Appl. Supercond.
Conf., 1972, Annapolis, USA, p. 640.
IQS. Бондаренко С.И., Шеремет В.И. Применение сверхпроводимости в магнитных
измерениях. - Л.: Энергоатомиздат, 1982.
109. Grohman К., Hechtfischer D. Magnetic shielding by superconducting simple and coaxial
cylinders: a comparison. - Cryogenics, 1977, v. 17, №5, p. 579.
110. Cabrera B., van Kann F.J. Ultra-low magnetic field apparatus for a cryogenic gyrosco-
pe. - Acta Astronautica, 1978, v. 5, p. 125.
111. Cabrera B. First results from a superconductive detector for moving magnetic mono-
poles. - Phys. Rev. Lett., 1982, v. 48, № 20, p. 1378.
112. Trouble H., Essman U. Der direkte Nachweis von Flusslinienbewegungen in stromdurch-
flossenen Supraleitern. - Phys. Stat. Sol., 1968, v. 25, p. 395.
113. Konig B., Kircher H. Magnetooptische Beobachtungen and electrische Messungen an
stromdurchflossenen, supraleitenden Bleischichten im Zwischenzustand. - Phys. Stat.
Sol. (a), 1975, v. 28, p. 467.
114. Hamilton W.O. et al. Design and performance of cryogenic enclosures for long duration
testing of large samples. Cryogenics, 1982, v. 22, № 3, p. 107.
IlS. Hoenig H.E., Gassinger C. A superconducting helmet for magnetoencephalography with
a SQUID. - In: Biomagnetism. - B., N.Y.: W. de Gruyter, 1981, p. 117.
Ilf). Heinonen P., Tuomola M., Lekkala J., Malmivio J. Thick-walled conducting shield in
biomagnetic experiments. - J. Phys. E, 1980, v. 13, p. 1.
117. Stroink G., Blackford B., Braun B., Horacek M. An aluminium shielded room for bio-
magnetic measurements. - Rev. Sci. Instrum., 1981, v. 52, №3, p. 463.
IIS. Stroink G., Purcell C, Brauer F., Blackford B. An eddy -current -slielded room with a
partially closed entrance. - Nuovo Cim. 1983, v. 2D, № 2, p. 195.
119. Штамбергер Г.А. Устройства для создания слабых постоянных магнитных по-
лей. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1972.
120. Freedman M.S., Wagner Jr.F., Porter E. T„ Day P. Large volume degausser with gradient
compensation. - J. Appl. Phys., 1967, v. 38, № 4, p. 1856.
121. Магниторазведка: Справочник геофизика. - M.: Недра, 1980.
122. Ку ффлер С,, Николс Дж. От нейрона к мозгу. -М.: Мир, 1979.
123. Wikswo J.P., Malmivuo J.A., Barry W.H. et al. - The theory and application of magne-
to cardiography. - Advances in Cardiovascular Physics, v. 2, p. 1-67 (Karger, Basel,
1979).
124. Титомир Л.И. Автоматический анализ электромагнитного поля сердца. - М.:
Наука, 1984.
125. Plonsey R. Generation of magnetic fields by,the human body (theory). - In: Biomagne-
tism. - B., N.Y.: W. de Gruyter, 1981, p. 177.
126. Plonsey R. .Action potential sources and their volume conductor fields. - Proc. IEEE,
v. 65, №5, p. 601.
127. Geselowitz D.B. On the magnetic field generated outside an inhomogeneous volume
conductor by internal current sources. - IEEE Trans. Magn., 1970, v. MAG-16, p. 316.
128. Grynszpan F., Geselowitz D. Model studies of magnetocardiogram. Biophys. J., 1973,
v. 13, p. 911.
129. Rush S. On the independence of magnetic and electric body surface recording. - IEEE
Trans. Biomed. Engng., 1975, v. BME-22, p. 157.
189
130. Plonsey R. Capability and limitations of electrocardiography and magnetocardiograp-
hy. - IEEE Trans. Biomed. Engng., 1972, v. BME-19, p. 239.
13\. Frank E. An accurate clinically practical system for spatial electrocardiography. -
Circulation, 1956, v. 13, p. 737.
132. Geselowitz D.B. Dipole theory in electrocardiography. - Am. J. Cardiol., 1964, v. 14,
p. 301.
133. Malmivuo J.A. V., Wikswo J.P. A new practical lead system for vector magnetocardiograp-
hy. - Proc. IEEE, 1977, v. 65, p. 809.
134. Cuffin B.N., Cohen D. Magnetic fields of a dipole in special volume conductor shapes. -
IEEE Trans. Biomed. Engng., 1977, v. BME-24, №4, p. 372.
135. Tripp J.H. Effect of torso geometry on the magnetocardiogram. - Biophys. J., 1977,
v. 18, p. 269.
136. Введенский В.Л., Хари P., Илмониеми P., Рейникайнен К. Физические основы
генерации нейромагнитных полей. - Биофизика, 1985, т. 30, № 6, с. 154.
137. Cuffin B.N., Cohen D. Magnetic fields produced by models of biological current sour-
ces. - J. Appl.Phys., 1977, v. 48, № 9, p. 3971.
138. Eghrari J.R., Costa Monteiro E., Costa Ribeiro P. et al. On the influence of the volume
conductor in magnetocardiography: an experimental approach. - Nuovo Cim., 1983,
v. 2D, № 2, p. 346.
\39.Eskola H.. Malmivuo J. Optimizing vector magnetocardiographic lead fields by using a
physical torso model. - Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2, p. 356.
140. Weinberg H. et al. Topography of simulated MEG and EEG generated by multiple
intracranial dipoles. - In: Biomagnetism Applications and Theory/Eds. H. Weinberg,
G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985, p. 272.
141. Geddes L.A., Baker L.E. The specific resistance of biological materials - a compendium
of data for the biomedical engineer and physiologist. - Med. Biol. Engng., 1967, v. 5,
p.271.
142. Сумароков А.В., Михайлов A.A. Клиническая электрокардиография. - М.: Меди-
цина, 1975.
143. Ливанов М.Н., Козлов А.Н., Кориневский А.В. и др. О регистрации магнитных
полей человека. - Докл. АН СССР, т. 238, № 1, с. 253.
144. Васильев Б.В., Колычева Е.В. Магнитокардиограф. - Медтехника, 1980, № 2, с. 37.
\45. Дмитренко И.М., Конотоп ДА., Шнырков В.И. Измерение топологии магнитного
поля сердца с помощью сквида. - XVI Всесоюз. конф, по физике магнитных
явлений, Тула 1983, Тезисы 8ГУ2.
146. Albrecht G., NowakН., Zach H.G. etal. - Einsatz vonebenenTunnel- SQUID’s fur MKG-
Messungen. XIV Intern. Symposium Tieftemperaturphysik und Kryoelectronik, Meusel-
bach/Thiiringen, 1982, S. 122.
147. Karp P. Cardiomagnetism. - In: Biomagnetism. - B., N.Y.: W. de Gruyter, 1981, p. 219.
148. Aittomiemi K., Karp P.J., Katila T.E.. Varpula T. The magnetic heart beat - a motion
picture. - XII Intern. Conf, on Med. Biol. Engng., V Intern. Conf, on Med. Phys., 1979,
August, Jerusalem, Israel.
149. Cohen D., Lepeschkin E., Hosaka H. et al. Abnormal patterns and physiological varia-
tions in magnetocardiograms. - J. of Electrocardiol., 1976, v. 9, p. 398.
150. Barry W.H., Harrison D.C., Fairbank W. et al. Measurement of the human magnetic
heart vector. - Science, 1977, v. 198, № 4322, p. 1159.
\5\. Denis B., Matelin D., Favier C., lanche M. L’enregistrement du champ magnetique
cardiaque. - Martin-Noel, Arch. Mai. Coeur, 1976, v. 69, p. 299.
152. Lepeshkin E. Progress in magnetocardiography. - J. of Electrocardiol., 1976, v. 9,
p. 295.
153. Wikswo J.P. Jr., Opfer J.E.. Fairbank W.M. Observation of human cardiac bloodflow by
non-invasive measurement of magnetic susceptibility changes. - AIP Conf. Proc., 1974,
v. 18, p. 1335.
154. Katila E, Maniewski R.. Tuomisto T. et al. Magnetic measurement of cardiac volume
changes. - IEEE Trans. Biomed. Engng., 1982, v. BME-29, № 1, p. 16.
155. Hukkinen K., Karinietni V., Katila T. et al. Instantaneous fetal heart rate monitoring by
electromagnetic methods. - Am. J. Obstet Gynecol., 1976, v. 125, № 8, p. 1115.
\5f> . Cohen D., Kaufman L.A. Magnetic determination of the relationship between the ST
segment shift and the injury current produced by coronary occlusion. - Circ. Res.,
1975, v. 36, p. 414.
190
157. Savard P. Cohen D.. Lcpeschkin E. et al. Magnetic measurements of ST and TQ segment
shifts. - Preprint MIT, 1983.
158. Cohen D., Savard P., Rifkin R.D., Strauss W.E. Magnetocardiogram during exercise. -
Preprint MIT, 1983.
159. Gonnelli R.. Gal eon e P., Sicuro №.. Tartaglia A. Magnetocardiographic isofield mapping
in the characterization of the infarcted area. - In: Biomagnetism, Applications and
Theory/Eds. H. Weinberg, G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985, p. 153.
160. Fenici RR.. Romani G.L., Leoni R. Magnetic measurements and modelling for the
investigation of the human-heart conduction system. - Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2,
p. 280.
\6\.Erne S.N.. Fenici R.R., Hahlbohm H.D. et al. Magnetocardiographic study of the PR
segment of normals. - In: Biomagnetism, Applications and Theory/Eds. H. Weinberg,
G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985, p. 132.
162. Fenici R.R., Masselli №.. Erne S.N., Hahlbohm H.D. Magnetocardiographic mapping of
the PR interval phenomena in an unshielded hospital laboratory. - In: Biomagnetism.
Applications and Theory/Eds. H. Weinberg, G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Pergamon
Press, 1985, p. 137.
163. Tripp JH., Farrell DE. Magnetic field of the cardiac conduction system. - J. Appl.
Phys., 1981, v. 52,№3,p. 2560.
164. Leifer №.. Capos N.. Griffin J., Wikswo J. Atrial activity during the PR segment of the
MCG. - Nudvo Cim., 1983. v. 2D, № 2, p. 266.
165. Lorenzana H.E., Pipes P.B.. Zaitlin M.P., James D. A study of the PR interval in the
human magnetocardiogram. - In: Biomagnetism, Applications and Theory/Eds. H. Wein-
berg, G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985, p. 142.
166. Erne S.N., Fenici R.R., Hahlbohm H.D. et al. High-resolution isofield mapping in magne-
tocardiography. - Nuovo Cim., 1983, v. 2D , № 2, p. 291.
167. Savard P., Cohen D. Magnetic measurements of the de of the human heart: coping with
extraneous fields from other organs. - XII Intern. Conf, on Med. Biol. Engng., V Intern.
Conf, on Med. Phys., August 1979, Jerusalem, Israel.
168. Cohen D. Measurements of the magnetic fields produced by the human heart, brain and
lungs. - IEEE Trans. Magn., 1975, v. MAG-11, v. 2, p. 694.
169. Grimes D., Lennard R.. Swithenby S. De magnetic fields of the human leg as a function
of position and relaxation. - Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2, p. 650.
170. Grimes D.I.F., Smith T.B., Swithenby S.J. A 2D multipol analysis of current sources -
application to magnetic field measurement of human leg. - In: Biomagnetism, Appli-
cations and^Theory/Eds. H. Heinberg, G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Pergamon Press,
1985,p.456.
I'll. Jaffe L.F., Nuccitelli R. Electrical controls of development. - Ann. Rev. Biophys.
Bioeng., 1977, v. 6, p. 455.
172. Jaffe L.F., Stern CD. Strong electric currents leave the primitive streak of chick emb-
ryos. - Science, 1979, v. 206, p. 569.
173. Grimes D.I.F., Janday B.S., Lennard R.F., Switenby S.J. DC magnetic fields of develo-
ping chik embryos. V World Conf, on Biomagnetism, 1984, Vancouver,Canada,Program,
p. 51.
174. Saha S., Lakes R.S. A non-invasive techniques for detecting stress waves in bone using
the piezoelectric effect. IEEE Trans. Biomed. Engng, 1980, v. BME-24, p. 508.
175. Farrell D.E., Tripp J.H., Zanzucchi P.E. et al. - Non-invasive SQUID diagnosis of liver
iron overload. - Biomagnetism/Ed. W. de Gruyter. N.Y., 1981, p. 507.
176. Brittenham G.№.. Farrell D.E., Harris J.W. et al. - Diagnostic assessment of human
iron stores by measurement of hepatic magnetic susceptibility. - Nuovo Cim., 1983,
v. 2D, № 2, p. 567.
177. Bastuscheck C.M., Brenner D., Williamson S.J., Kaufman L. Susceptometer for in vivo
measurements of iron stored in human tissue. - Biomagnetism/Ed. W. de Gruyter. - B.,
N.Y., 1981, p. 519.
178. Cohen D. Magnetic fields of the human body. - Physics Today, 1975, August, p. 34.
179. Cohen D. f erromagnetic contamination in the lungs and other organs of the human
body. - Science, 1973, v. 180, p. 745.
180. Kotam №., Nemoto J. The inverse problem in magnetopneumography. Nuovo Cim.,
1983, v. 2D, №2,p. 594.
191
181. Bastuscheck C.M. An improved magnetopneumographic technique: point magnetization
and scanning. IV International Workshop on Biomagnetism, Rome, Italy, 1982, Digest,
p. 54.
182. Kalliomaki P.L., Korhonen O., Vaaranen V. et al. Lung retention and clearance among
shipyard arc welders. - Intern. Arch. Occup. Environ. Health, 1978, v. 42, p. 83.
183. Freedman A.P.t Robinson S.E., Goodman L. et al. Non-invasive magnetopneumographic
determination of lung dust loads in steel arc welders. - Chest, 1979, v. 76, p. 352.
1$4. Kalliomaki P.L., Kalliomaki K., Korhonen O. et al. Lung contamination among foundry
workers. - Int. Arch. Occup. Environ. Health, 1979, v. 43, p. 85.
185. Freedman A.P., Robinson S.E., Johnston R.J. Non-invasive magnetopnuemographic
estimation of lung dust loads and distribution in bituminous coal workers. - J. Occup.
Med., 1980, v. 22, p. 613.
186. Kotani M., Aihara K., Chiyotani K. et al. Development of the measurement systems for
magnetopneumogram and it’s clinical applications. V World Cong, on Biomagnetism
1984, Vancouver, Canada, Program, p. 67.
187. Gehr P., Brain J.D., Nemoto J., Bloom S.B. Magnetic particles in the lung: a probe for
alveolar macrophage function. - Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2, p. 617.
188. Freedman A.P., Slatkin D., Green F.H.Y. The ferromagnetic content of autopsied coal
worker lungs - assessment of the correlation of magnetopneumographic measurement
with analysis of extracted dust. IV Intern. Workshop on Biomagnetism, Rome, Italy,
1982, Digest, p. 68.
189. Gehr P., Brain J.D., Nemoto 1., Bloom S.B. Organelle movements of alveolar macrofages
studied by cytomagnetometry. - In: Biomagnetism, Applications and Theory/Eds.
H. Weinberg, G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Pergam on Press, 1985, p. 395.
190. Toyotama H., Nemoto I. Measurement of the behavior of magnetic fine particles in a
macrophage - like cell. - In: Biomagnetism, Applications and Theory. Eds. H. Wein-
berg, G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985, p. 401.
191. Valberg P.A. Magnetometry of ingested particles in pulmonary macrophages. - Science,
1984, v. 224, № 4648, p. 513.
192. Cohen D., Arai S.F., Brain J.D. Smoking impairs long-term dust clearance from the
lung. - Science, 1979, v. 204, p. 514.
193. Freedman A.P., Robinson S.E., Streel M.C., Catnplone D. Effect of cigarette smoking on
alveolar clearance of particles. V World Conf, on Biomagnetism, 1984, Vancouver,
Canada. Program, p. 43.
194. Brain J.D., Hu T., Bloom S.B. Effect of SiO2 and Fe2O3 on macrophage motility and
on clearance of magnetic particles from hamster lungs. - In: Biomagnetism, Applications
and Theory/Eds. H. Weinberg, G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985,
p.428.
195. Sterling T.D. Possible risks to human lungs from magnetomettic dust clearance experi-
ments. - J. Appl. Phys.. 1981, v. 52, № 3, p. 2575.
196. Reinstein L.E., Robinson L., Glieksman A.S. Formation of iron clusters in a mucus-like
medium- J. Appl. Phys., 1981, v. 52, № 3, p. 2572.
197. Kirschvink J.L., Gould J.L. Biogenic magnetite as a basis for magnetic field detection in
animals. - Biosystems, 1981, v. 13, p. 181.
198. Zoeger J., Dunn J.R., Fuller M. Magnetic material in the head of the common pacific
dolphin. - Science, 1981, v. 213, p. 892.
199. Peters M.J., Dunajski Z., Meijssen T.E.M. et al. - Measuring miniature eye movements
by means of a SQUID magnetometer. - Cryogenics, 1982, v. 22, № 6 , p. 267.
200. Rutten W.L.C., Peters M.J., Brenkman C.J. et al. The use of a SQUID magnetometer
for middle ear research. - Cryogenics, 1982, v. 22, № 9, p. 457.
201. Cohen D., Givler E. Magnetomyography: magnetic field around the human body produ-
ced by skeletal muscles. - Appl. Phys. Lett., 1972, v. 21, p. 110.
202. Reite M., Zimmerman J.E., Edrich J., Zimmerman J. The human magnetoencephalog-
ram: some EEG and related correlations. - Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol.,
1976, v. 40, № 1, p. 59.
203. Гусельников В.И. Электрофизиология головного мозга. - М.: Высшая школа,
1976.
204. Aittoniemi К., Jarvinen М. - L., Katila Т. et al. Magnetoretinogram and magnetooculog-
ram in man. - Biomagnetism/Fd. W. de Gruyter. - B., N.Y., 1981, p. 463.
192
205. Katila T., Maniewski R., Poutanen T. et al. - Magnetic fields produced by the human
eye. - J. Appl. Phys., 1981, v. 52, № 3, p. 2565.
206. Karp P.J., Katila T.E., Makipaa P., Saar P. Magnetooculography: detection of the de
magnetic field of the eye. Proc. XI Intern. Conf, on Medical and Biological Engineering,
Ottawa, 1976, p. 504.
207. Antervo A. Hari R., Katila T. et al The magnetic field pattern produced by eye blin-
king. - In: Biomagnetism, Applications and Theory/Eds. H. Weinberg, G. Stroink,
T. Katila. - N.Y. : Pergamon Press, 1985, p. 374.
208. Бехтерева Н.П. Здоровый и больной мозг человека. - Л.: Наука, 1980.
209. Прибрам К. Языки мозга. - М.: Прогресс, 1975.
210. Rose S. The Conscious Brain, 1975. — N.Y.: Knopf, 1974.
211. Blade Дж., Форд Д. Основы неврологии. - М.: Мир, 1976. Мозг. - М.:Мир, 1982.
212. Мозг. - М.: Мир, 1982.
213. Special issue on computerized tomography. Proceedings of the IEEE, 1983, v. 73, № 3.
214. Боттомли П.А. ЯМР - интроскопия: Методы и применения. -Приборыдлянаучн.
иссл., 1982, № 9, с. 3.
215. Redington R.W., Bominger W.H. Medical imaging systems. Physics Today, 1981, August,
p. 36.
216. Егорова И.С. Электроэнцефалография. M.: Медицина, 1973.
217. Cuffin В.М., Cohen D. Comparison of the magnetoencephalogram and electroencepha-
logram. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol., 1979, v. 47, № 2, p. 132.
218. Nunez P.L. Electric Fields of the Brain. - N.Y.: Oxford Univ. Press, 1981.
219. Guiloff R.J., Cobb W.A. The effect of scull defects on the EEG. - Electroencephalogr.
Clin. Neurophysiol., 1977, v. 43, № 4, p. 575.
220. Pfurtscheller G., Cooper R. Frequency dependence of the transmission of the EEG from
cortex to scalp. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol., 1975, v. 38, № 1, p. 93.
221. Холодов Ю.А., Козлов A.H., Синельникова C.H., Горбач А.М. Регистрация МЭГ
с помощью магнитометра на оптической накачке. Материалы VIII Всесоюзн. конф,
по электрофизиологии центр, нервн. системы, 1980, Ереван, с. 474.
222. Cohen D. Magnetoencephalography: detection of the brain’s electrical activity with a
superconducting magnetometer. - Science, 1972, v. 175, p. 664.
223. Elul R. The genesis of the EEG. - Int.Rev Neurobiol., 1972, v. 15, p. 227.
224. Handbook of Electroencephalography and Clinical Neurophysiology/Ed. O. Creutzfeldt,
Elsevier, Amsterdam, 1974, v. 2, Part C. Section I - ’’Neuronal basis of EEG-
waves”.
225. Cohen D., Cuffin B.N. Search for MEG signals due to auditory brainstem stimulation. -
In: Biomagnetism, Applications and Theory/Ed. H. Weinberg, G. Stroink, T. Katila. -
N.Y.: Pergamon Press, 1985, p. 316.
226. Hosek R.S., Sances A., Jodat R.W., Larson S.J. The contribution of intracerebral cur-
rents to the EEG and evoked potentials. - IEEE Trans. Biomed. Engng, 1978,
v. BME-25, № 5, p. 105.
227. Creutzfeldt O. Generality of the functional structure of the neocortex. - Naturwissen-
schaften, 1977, v. 64, p. 507.
228. Rockel A J., Hiorns R. W, Powell T.P.S. The basic uniformity in structure of the neocor-
tex. - Brain, 1980, v. 103, p. 221.
229. Егоров Ю.А., Кузнецов Г.Д. Мозг как объемный проводник. - М.: Наука, 1976.
230. Wikswo J.P., Barach J.B., Freeman J.A. Magnetic field of a nerve impulse: first measu-
rements. - Science, 1980, v. 208, №4439, p. 53.
231. Wikswo J.P., Barach J.B., Gundersen S.C. et al. Magnetic measurements of action cur-
rents in an isolated lobster axon. Nuovo Cim., v. 2D, № 2, p. 512.
232. Гутман A.M., Моргенштерн ВЛ. Возможный механизм генеза магнитоэнцефало-
граммы. - Биофизика, 1977, т. 32, вып. 3, с. 529.
233. Vvedensky V.L. On the nature of the dipolar neuromagnetic fields. V World Conf,
on Biomagnetism, 1984, Vancouver, Canada, Program, p. 130.
234. Williamson S.J., Kaufman L. Magnetic fields of the cerebral cortex. - Biomagnetism/Ed.
W. de Gruyter. - B„ N.Y., 1981, p. 353.
235. Cohen D., Cuffin B.N. Demonstration of useful differences between magnetoencephalog-
ram and electroencephalogram. — Preprint MIT, IV Intern. Workshop of Biomagnetism,
Rome, Italy 1982, Digest p. 77.
193
236. Purpura D.P. Dendritic differentiation in human cerebral cortex: normal and aberrant
developmental patterns. Advances in Neurology. Physiology and Patalogy of Dendri-
tes/Ed. G.W. Kreutzberg. - N.Y.: Raven Press, 1975.
237. Williamson S.J., Kaufman L., Brenner D. Evoked neuromagnetic fields of the human
brain. - J. Appl. Phys., 1979, v. 50, № 3, p. 2418.
238. Bak C., Kofoed B.f Lebech J. et al. Auditory evoked magnetic fields from the human
brain. Source localization in a single dipole approximation - Phys. Lett., 1981, v. 82A,
№l,p. 57.
239. Hari R., Aittoniemi K., Jarvinen M. - L. et al. Auditory evoked transient and sustained
magnetic fields of human brain: localization of neural generators. - Exper. Brain Res.,
1980, v.40, p. 237.
240. Hess D. W., Patrick J.L., Stan M.A. et al. Magnetic field associated with brain responce to
infrequent events. - Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2, p. 505.
241. Okada Y. Discrimination of localized and distributed current dipole sources and locali-
zed single and multiple sources.-In: Biomagnetism, Applications and Theory/Eds.
H. Weinberg, G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985.
242. Осовец C.M., Гинзбург Д.А., Гурфинкель В.С. и др. Электрическая активность
мозга: механизмы и интерпретация. - УФН, 1983, т. 141, № 1, с. 103.
243- Hughes J.R. Hendrix D.E., Cohen J. et al. Relationship of the magnetoencephalogram
to the electroencephalogram. Normal wake and sleep activity. - Electroencephalogr.
Clin. Neurophysiol., 1976, v. 40, № 3, p. 261.
244. Hughes J.R., Cohen J., Mayman C. et al. Relationship of the magnetoencephalogram to
abnormal activity in the electroencephalogram. J. Neurol, 1977, v. 217, p. 79.
245. Carelli P, Foglietti V., Modena J., Romani G.L. Magnetic study of die spontaneous
brain activity of normal subjects. Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2, p. 538.
246. Cohen D., Cuffin B.N. Magnetic measurements and display of current generators in
the brain. Part II: Polarization of the alpha-rhythm. XII Intern. Conf, on Medical and
Biological Engineering, V Intern. Conf, on Medical Physics, Jerusalem, Israel, 1979.
247. Reite M., Zimmerman J.E. Magnetic phenomena of the central nervous sestem. - Ann.
Rev. Biophys. Bioeng., 1978, v. 7, p 167.
248. Chapman R.M., Hmoniemi R.J., Barbanera S., Romani G.L. Selective localization of
alpha brain activity with neuromagnetic measurements. Electroencephalogr. Clin. Neuro-
physiol., 1984, v. 58, p. 412.
249. Cooper R., Winter A.L., Crow H.J., Walter W.G. Comparison of subsortical, cortical
and scalp activity using chronically indwelled electrodes in man. - Electroencephalogr.
Qin. Neurophysiol., 1965, v. 18, p. 217.
250. Kaufman L., Okada Y., Brenner D., Williamson S.J. On the relation between somatic
evoked potentials and fields. - Intern. J. Neuroscience, 1981, v. 15, p. 223.
251. Kavanagh R.N., Darcey T.M., Lehman D., Feuder D.H. Evaluation of methods for
3-dimensional localization of electrical sources in the human brain. - IEEE Trans.
Biomed. Engng, 1974, v. BME-25, №4, p. 421.
252. Hess D.W. Estimation of magnetoencephalogram power spectrum. - Biomangetism/Ed.
W. de Gruyter. - B., N.Y., J981, p. 423.
253. Odehnal M., Petricek V., Safrata S. et al. Der Einfluss des Herzens auf Magnetoenzep-
halogramme. XIX Intern. Symposium Tieftemperatuphysik und Krioelectronik, Meusel-
bach/Thuringen, 1982, p. 131.
254. Penfield W. Epilepsy, Neurophysiology, and some brain mechanisms related to consi-
ousness. - In: Basic Mechanism of the Epilepsies. - Amsterdam: Elsevier, 1977, p. 791.
255. Modena J., Ricci G.B., Barbanera S. et al. Biomagnetic measurements of spontaneous
brain activity in epileptic patients. - Electroencephalogr. Qin. Neurophysiol., 1982,
v. 54, p. 622.
256. Ricci G.B. Qinical magnetoencephalography. - Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2, p. 517.
257. Barbanera S, Ricci G.B., Modena J. Localization of epileptic foci by means of biomag-
netic measurements. - Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2, p. 547.
258. Barth D.S., Sutherling W., Engel J. Beatty J. Neuromagnetic localization of epilepti-
form spike activity in the human brain. - Science, 1982, p. 891.
259. Barth D.S., Sutherling W., Engel J., Beatty J. Neuromagnetic evidence of spatially dist-
ributed sources underlying epileptiform spikes in human brain. - Science, 1984, v. 223,
p. 293.
194
260. Ricci G.B., Leoni R., Romani G.L. et al. 3-D neuromagnetic localization of sources
of interictal activity in cases of focal epilepsy. In: Biomagnetism, Applications and
Theory/Eds. H. Weinberg, G. Stroink, T. Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985.
261. Sato S, Sheridan P, Smith P. et al. Comparison of EEG, MEG and ECoG in epileptic
patients. - In: Biomagnetism, Applications and Theory/Eds. H. Weinberg, G. Stroink,
T. Katila. - N.Y : Pergamon Press, 1985.
262. Barth D.S., Sutherling W., Beatty J. Fast and slow magnetic phenomena in focal epilep-
tic seizures: first measurement. - Preprint, University of California, Los Angeles, 1984.
263. Basar E. Demir N., Gonder A., Ungan P. Combined dynamics of EEG and evoked poten-
tials. Studies. . . of the cat brain during the waking stage. - Biological Cybernetics,
1979, v. 34, p. 1.
264. Basar E., Durusan R., Gonder A., Ungan P. Combined dynamics of EEG and evoked
potentials. Studies. . . of the cat brain during sleep. — Biological Cybernetics, 1979,
v. 34, p. 21.
265. Goff W.R. , Williamson P.R., Van Gilder J.C. et al. Clinical uses of cerebral brain stem
and spinal somatosensory evoked potentials. Progr. Clin Neurophysiol, v. 7/Ed. D.E.
Desmedt, Karger, Basel, 1980, p. 126.
266. Teyler T.J., Cuffin B.N., Cohen D. The visual evoked magnetoencephalogram, Life
Sciences, 1975, v. 17, №5, p. 638.
267. Brenner D., Williamson S. J., Kaufman L. Visually evoked magnetic fields of the human
brain. - Science, 1975, v. 190, p. 480.
268. Reite M., Edrich J., Zimmerman J.T., Zimmerman J.E. Human magnetic auditory
evoked fields. Electroencephalogr. Clin. Neuro physiol., 1978, v. 45, № 1, p. 114.
269. Eiberling С, Bak C., Kofoed B. et al. Magnetic auditory responses from the human
brain. - Scandinavian Audiology, 1980, v. 9, p. 185.
270. Brenner D., Lipton J., Kaufman L., Williamson S. J. Somatically evoked magnetic fields
of the human brain. - Science, 1978, v. 199, p. 81.
271. Williamson S.J., Kauffman L., Brenner D. Evoked neuromagnetic fields of the human
brain. - J. Appl. Phys., 1979, v. 50, № 3, p. 2418.
212. Okada Y.C. Inferences concerning anatomy and physiology of the human brain based
on its magnetic field. Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2, p. 379.
273. Teszner D., Hari R., Nicolas P., Varpula T. Somatosensory evoked magnetic fields;
mappings and the influence of the stimulus repetition rate. - Nuovo Cim., 1983, v.2D,
№2,p. 429.
274. Romani G.L., Williamson S.F., Kaufman L. Tonotopic organization of the human audi-
tory cortex. - Science, 1982, v. 216, p. 1339.
21S. Maclin E., Okada Y.C., Kaufman L , Williamson S.F. Retinotopic map of the visual
cortex for eccentrically placed patterns: first non-invasive measurement. Nuovo Cim.,
1983, v. 2D, №2, p. 410.
276. Hari R., Reinikainen K., Kaukoranta E. et al. Somatosensory evoked cerebral magnetic
fields from SI and SII in man. - Electroencephalogr. Clin. Neuro physiol., 1984, v. 58,
p. 301.
277. Hari R., Kaukoranta E., Reinikainen K. et al. Neuromagnetic localization of cortical
activity evoked by painful dental stimulation in man. - Neuroscience Lett., 1983,
v. 42, p. 77. •
278. Farrell D.E., Tripp J.H., Norgren R., Teyler T.J. A study of the auditory evoked field
of the human brain. - Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol., 1980, v. 49, p. 31.
279. Reite M., Zimmerman J.T., Zimmerman J.E. Magnetic auditory evoked fields: interhe-
mispheric asymmetry. - Electroencephalogr. Clin. Neuro physiol., 1981, v. 51, p. 388.
280. Reite M., Zimmerman J.T., Zimmerman J.E. MEG and EEG auditory responses to
tone, click and white noise stimuli - Electroencephalogr. Clin. Neuro physiol., 1982,
v. 53, p. 643.
281. Romani G.L., Williamson S.F., Kaufman L., Brenner D. Characterization of the human
auditory cortex by the neuromagnetic method. - Exp. Brain Res., 1982, v. 47, p. 381.
2%2. Arlinger S., Eiberling C.t Bak C. et al. Cortical magnetic fields evoked by frequency
glides of a continuous tone. - Electroencephalogr. Clin. Neuro physiol., 1982, v. 54,
p. 642.
283. Reite M., Zimmerman J.T., Edrich E, Zimmerman J.E. Auditory evoked magnetic
fields: response amplitude vs stimulus intensity. Electroencephalogr. Clin. Neuro phy-
siol., 1982, v. 54, p. 147.
195
284. Тио mis to T., Hari R., Katila T. et al. Studies of auditory evoked magnetic and electric
responses; modality specificity and modelling. - Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2, p.471.
285. Pelizzone M., Williamson S.J., Kaufman L. Evidence for multilple areas in the human
auditory cortex. In: Biomagnetism, Applications and Theory/Eds. H.Weinberg,
G.Stroink, T.Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985.
286. Демидов B.M. Как мы видим то, что видим. - М.: Знание, 1979.
287. Williamson S.J., Kaufman L., Brenner D. Research note. Latency of the neuromagnetic
response of the human visual cortex. Vision Res., 1978, v. 18, p. 107.
288. Kaufman L., Williamson S.J. The evoked magnetic fields of the human brain. - Annals
New York Academy of Sciences, 1979.
289. Brenner D., Okada Y., Maclin E. et al. Evoked magnetic fields reveal different visual
areas in human cortex. - Biomagnetism/Ed. W. de Gruyter. - B., N.Y.: 1981, p. 431.
290. Campbell F.W., Robson J.C. Application of fourier analysis to the visibility of gra-
tings. - J. Physiol., 1968, v. 197, p. 551.
291. Глезер В.Д. Зрение и мышление. - Л.: Наука, 1985.
292. Breitmeyer B.G. Simple reaction time as a measure of the temporal response properties
of transient and sustained channels. - Vision Res., 1972, v. 15, p. 1411.
293. Okada Y.C., Kaufman L., Brenner D., Williamson S.F. Modulation transfer function of
the human visual system revealed by magnetic fields measurements. - Vision Res., 1982,
v. 22, p. 319. <
294. Lounasmaa О. V., Williamson S. J., Kaufman L., Tanenbaum R. Visually evoked respon-
ses from non-occipital areas of human cortex. - In: Biomagnetism, Applications and
Theory/Eds. H.Weinberg, G.Stroink, T.Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985.
295. Weinberg H., Brickett P., Baff M. et al. Magnetic fields evoked by dynamic random-dot
stereograms. - In: Biomagnetism, Applications and Theory. Eds. H.Weinberg,
G.Stroink, T.Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985.
296. Спрингер С., Дейч Г. Левый мозг, правый мозг. Асимметрия мозга. - М.: Мир,
1983.
297. Weinberg Н., Brickett Р., Baff М. Magnetic fields evoked by spoken words. V World
Conf, on Bio magnetism, 1984, Vancouver, Canada, Program, p. 132.
298. Williamson S.F., Kaufman L. Application of SQUID sensors to the investigation of
neural activity in the human brain. Proc. Appl. Supercond. Conf. November 1982, p. 1.
299. Sams M., Hari R., Kaukoranta E. et al. Magnetic responces to pitch changes in a sequence
of short auditojy stimuli. - In: Biomagnetism, Applications and Theory/Eds. H.Wein-
berg. G.Stroink, T.Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985.
300. Hari R., Antervo A., Katila T. et al. Cerebral magnetic fields associated with voluntary
limb movements in man. - Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2, p. 484.
301. Weinberg H., Brickett P., Deeke L. Slow magnetic fields of the brain preceding move-
ments and speech. - Nuovo Cim., 1983, v. 2D, № 2, p. 495.
302. Deecke L., Boschert J., Weinberg H., Brickett P. Magnetic fields of the human brain
(Bereitschaftsmagnetfeld) proceeding voluntary foot and toe movements. Exp. Brain
Res., 1983, v. 52, p. 81.
303. Deecke L., Boschert J., Brickett P., Weinberg H. Magnetoencephalographic evidence
for possible supplementary motor area participation in human voluntary movement. -
In: Biomagnetism, Applications and Theory/Eds. H.Weinberg, G.Stroink, T.Katila. -
N.Y.: Pergamon Press, 1985.
УМ. Fiumara R., Campitelli F., Romani G.L. et al. Neuromagnetic study of endogeneous
fields related to the contingent negative variation. - In: Biomagnetism, Applications
and Theory/Eds. H.Weinberg, G.Stroink, T.Katila, N.Y.: Pergamon Press, 1985.
305. Okada Y.C., Williamson S.F., Kaufman L. Magnetic field of the human sensorimotor
cortex. - Intern. J. Neuroscience, 1982, v. 17, p. 44.
306. Селвуд П. Магнетохимия. - M.: ИИЛ, 1949.
307. Goree К5., Fuller М. Magnetometer using RF-driven SQUID’s and their applications
in rock magnetism and paleomagnetism. -Rev. Geophys. Space Phys., 1976, v.14, p. 591.
308. Games J.G., Strangway D.W., Gose W.A. Field-strength dependence of the viscous
remanent magnetisation in lunar samples. - Earth and Planetary Science Lett., 1975,
v. 26, p. 1 -7.
309. Henyey T.L.. Pike S.J. Laboratory piezomagnctic experiments on rocks using a SQUID. -
In: Applications to Geophysics/Ed. II. Weinstock, W.C. Overton. — Soc. Explor.Geophys.,
Tulsa, Oklahoma, 1981, p. 118-125.
196
310. Боровик-Романов А.С. Пьезо магнетизм в антиферромагнитных фторидах кобаль-
та и марганца. - ЖЭТФ, 1960, т. 38, вып. 4, с. 1088.
311. Landry F.D., Schoening ЕС., Grossman L.N, et al. Superconducting magnetometer for
quality control of nuclear fuel rods. - J. Appl. Phys., 1982, v. 53, № 11, p. 8260.
312. Mobley F.F., Eckard L.D., Fountain G.H., Ousley G.W. Magsat-anew satellite to
survey the Earth's magnetic fields. Digests of INTERMAG-80, conf., 1980, p. 10.
313. Zimmerman J.E. Space applications of superconductivity: low frequency supercon-
ducting sensors. - Cryogenics, 1980, v. 20, № 1, p. 3.
314. Kerr R.A. A new view: first US magnetic anomaly map. - Science, 1982, v. 218,
p. 986.
315. 7/ood P. Aeromagnetic gradiometry: a superior geological mapping tool for mineral
exploration programs. - In: SQUID Applications to Geophysics/Ed. H. Weinstock,
W.C. Overton. - Soc. Explor. Geophys. Tulsa, Oklahoma, 1981, p. 72.
316. Wynn W.M., Frahm C.P., Caroil P.J. et al. Advanced superconducting gradiometer-
magnetometer arrays and a novel signal processing technique. - IEEE Trans. Magn.,
1975, v. MAG-11, p. 701.
317. Goubau W.M. Geophysical applications of SQUID’s. - In: SQUID-80/Ed. W. de Gruy-
ter. - B., N.Y., 1980, p. 603.
318. Clarke J. Geophysical applications of SQUID’s. - IEEE Trans. Magn., 1983, v.MAG-19,
p. 288.
319. Podney W., Sager R. Measurement of fluctuating magnetic gradients originating from
oceanic internal waves. - Science, 1979, v. 205, p. 1381.
320. Dinger R.J., Claassen J.H., Wolf S.A. SQUID’s in marine environment. - In: SQUID
Applications to Geophysics/Ed. H. Weinstock, W.C. Overton. - Soc. Explor. Geophys.,
Tulsa Oklahoma, 1981, p. 99.
321. Cfar£e Z, Goldsten N.E. Magnetotelluric measurements. - In: SQUID Applications to
Geophysics/Eds. H. Weinstock, W.C. Overton. - Soc. Explor. Geophys. Tulsa, Oklahoma,
1981, p. 49.
322. Nakano L., Emuza T., Hotta T. et al. Ocean bottom SQUID - magnetometer. X Intern.
Cryogenic Engineering Conf., 1984, Otaniemi, Finland, Program Q14-5.
323. Overton W.C. Jr. Detection of a thin sheet magnetic anomaly by SOUID gradiometer
systems: possibility of hydrofracture azimuth determination. - In: SQUID Applications to
Geophysics/Eds. H. Weinstock, W.C. Overton. - Soc. Explor. Geophys., Tulsa, Oklaho-
ma, 1981, p. 172-190.
324. Gamble T.D., Goubau W.M., Clarke J. Magnetotellurics with a remote magnetic refe-
rence. - Geophysics, 1979, v. 44, p. 959.
325. Summary Session. - In: SQUID Applications to Geophysics/Ed. H. Weinstock, W.C. Over-
ton, Soc. Explor. Geophys. - Tulsa. Oklahoma, 1981, p. 199.
326. Lipa J.A., Nikirk J.R., Anderson J.T., Clappier R.R. A superconducting gyroscope for
testing general relativity. Proc. XIV Intern. Conf, on Low Temp, Phys., LT-14, 1975,
Otaniemi, Finland, v. 4, p. 250.
327. Paik H.J. Superconducting tensor gravity gradiometer with SQUID readout. - In: SQUID
Application to Geophysics/Eds. H.Weinstock, W.C.Overton, Soc. Explor. Geophys.
Tulsa, Oklahoma, 1981, p. 145.
328. Карриган P.A., Трауэр У.П. Сверхтяжелые магнитные монополи. - УФН, 1983,
т. 139, вып. 2, с. 333.
329. Gardner R., Cabrera В., Taber М., Huber М. Large scale superconductive monopole
detector. Proc. XVII Intern. Conf. Low Temp. Phys. (LT-17), 1984, p. 945.
330. Zimmerman J.E., Daney D.E., Sullivan D.B. A cyocooler for applications requiring low
magnetic and mechanical interference. Refrigeration for cryogenic sensors. NASA Con-
ference Publication 2287, Greenbelt, Maryland, 1982, p. 95.
331. Tward E. A small closed cycle cooler for SQUIDs. - In: Biomagnetism, Applications
and Theory/Eds. H.Weinberg, G.Stroink, T.Katila. — N.Y.: Pergamon Press, 1985,
p. 35.
332. Manewski /С, Derka L, Katila I. et al. DC-SQUID system for high-resolution biomagne-
tic measurements. — Medical and Biological Engineering and Computing, 1985, v. 23,
Suppl., Part I, p. 9.
333. Varpula T., Poutanen T. Magnetic field fluctuations arising from thermal motion of
electric charge in conductors. - J. Appl. Phys., 1984, v. 55, № 11, p. 4015.
197
334. Vvedensky V.L., Naurzakov S.P., Ozhogin VI., Shabanov S.Yu. Measurement of the
tangential component of the magnetic field associated with rhythmic alpha activity in
the human brain. - In: Bio magnetism, Applications and Theory/Eds. H. Weinberg,
G.Straink, T.Katila. - N.Y.: Pergamon Press, 1985, p. 57.
335. Gurtovoy K.G., Vvedensky V.L., Ozhogin V.I. Simulation of the tangential component
of the magnetoencephalogram: two current dipoles in a conducting sphere. - Medical
and Biological Engineering and Computing, 1985, v. 23, Suppl., Part I, p. 17.
336. Vvedensky V.L., Ilmonienu R. J., Kajola M.J. Study of the aplha-rhythin with a four-
channel SQUID magnetometer. - Medical and Biological Engineering and Computing,
1985, v. 23, Suppl., Part I, p. 11.
331. Ricci G.B., Buonomo S., Persson M. et al. Multichannel neuromagnetic investigation
and Computing, 1985, v. 23, Suppl., Part I, p. 42.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................................................... 3
Введение............................................................... 4
Глава 1. СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КВАНТОВЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР - СКВИД . 9
1.1. Эффекты Джозефсона и квантовая интерференция.................... 9
1.2. Джозефсонов ские контакты ..................................... 11
1.3. Сквид постоянного тока (ПТ-сквид) ............................. 15
1.4. Высокочастотный сквид (ВЧ-сквид) .............................. 21
1.5. Трансформатор потока........................................... 27
1.6. Шумы сквида.................................................... 34
1.7. Сравнение ПТ- и ВЧ-сквидов .................................... 39
Глава 2. МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ................................... 41
2.1. Немагнитные материалы.......................................... 42
2.2. Градиометры.................................................... 44
2.3. Многоточечные приборы.......................................... 49
2.4. Гелиевые дьюары ............................................... 52
2.5. Микрорефрижератор ............................................. 57
2.6. Сравнение сквид-магнитометров с магнитометрами других типов ... 61
Глава 3. БОРЬБА С МАГНИТНЫМИ ШУМАМИ................................... 64
3.1. Ферромагнитные экраны.......................................... 65
3.2. Сверхпроводящие экраны......................................... 72
3.3, Экраны из материала с высокой проводимостью ................... 75
3.4. Активная защита от помех....................................... 78
Глава 4. БИОМАГНЕТИЗМ ................................................ 83
4.1. О чем дают информацию биомагнитные поля?....................... 83
4.2. Магнитокардиография............................................ 97
4.3. Поля постоянных токов в организме ............................ 104
4.4. Измерение магнитной восприимчивости тканей.................... 106
4.5. Ферромагнитные частицы в организме ........................... 108
4.6. Магнито миография ............................................ 112
4.7. Магнитные поля глаза......................................... 113
Глава 5. НЕЙРОМАГНЕТИЗМ.............................................. 116
5.1. Новое направление в исследовании мозга человека .............. 116
5.2. Источники нейромагнитных полей ............................... 123
5.3. Спонтанная магнитная активность мозга......................... 138
5.4. Эпилепсия..................................................... 144
5.5. Вызванные магнитные поля и поля, связанные с событием......... 151
Глава 6 ДРУГИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ СВЕРХЧУВСТВИ-
ТЕЛЬНОЙ МАГНИТОМЕТРИИ ........................................... 174
Заключение........................................................... 183
Список литературы ................................................... 185
199
Виктор Львович Введенский
Валерий Иванович Ожогин
СВЕРХЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ МАГНИТОМЕТРИЯ
И БИОМАГНЕТИЗМ
Редактор Л.П.Русакова
Художественный редактор Т.Н.Колъченко
Технические редакторы С.В. Геворкян, В.Н. Никитина
Корректор Т.В. Обод
Набор осуществлен в издательстве
на наборно-печатающих автоматах
ИБ № 12389
Сдано в набор 29.05.86. Подписано к печати 09.10.86
Т-19613. Формат 60 X 90 1/6. Бумага офсетная
Гарнитура Пресс-Роман. Печать офсетная
Усл.печ.л. 1 2,5, Усл.-кр.-отт.12,75.Уч.-изд.л. 1 5,2 5
Тираж 3500 экз. Тип. зак322Цена 2 р. 30 к.
Ордена Трудового Красного Знамени
издательство ’’Наука”
Главная редакция физико-математической литературы
117071 Москва В-71, Ленинский проспект, 15
4-я типография издательства ’’Наука”
630077 г.Новосибирск-77, ул.Станиславского, 25