В конце 1960-х годов развитие физики сверхпроводимости привело к созданию нового измерительного прибора, получившего название «сквид». Действие прибора основано на использовании чисто квантовых явлений — эффекта Джозефсона и интерференции волновой функции электронных пар в сверхпроводящем кольце, содержащем джозефсоновский переход. Сквид представляет собой чувствительный элемент магнитометров, применяемых для измерения магнитного поля и, следовательно, таких физических величин, как электрический ток, магнитная восприимчивость, перемещение магнетика и т.п. Чувствительность этих новых приборов, по крайней мере, в 1000 раз выше, чем у лучших не сверхпроводниковых магнитометров.
Для поддержания сверхпроводящего состояния, которое возможно при очень низкой температуре, сквид помещают в сосуд Дьюара с жидким гелием. Если стенки сосуда металлические, то возникающие в них токи искажают магнитные поля от источников, находящихся снаружи. В последнее время разработаны специальные диэлектрические сосуды Дьюара из стеклопластика. В них сквид или его специальное входное устройство из сверхпроводящей проволоки (так называемый транформатор магнитного потока) размещены всего лишь в сантиметре от наружной стенки сосуда и могут без искажений воспринимать магнитное поле от внешнего источника, находящегося при комнатной температуре.
Такой прибор (сквид-магнитометр) очень быстро нашел применение для измерения магнитных полей, порождаемых живыми организмами, и прежде всего человеком. Стала развиваться новая область исследований, основанных на анализе информации, поставляемой этими слабыми полями, и получившая наименование биомагнетизма в отличие от магнитобиологии, занимающейся изучением влияния сильных магнитных полей на биопроцессы. Резкое увеличение чувствительности магнитометров, достигнутое благодаря сквиду, практически открыло биомагнетизм. Биомагнитные сигналы очень слабы, и их измерение представляет собой непростую физическую задачу. Прежде всего это объясняется высоким уровнем магнитных шумов в окружающем нас пространстве (рис. 1). Без применения специальных мер защиты от них проведение биомагнитных измерений невозможно.
| Характерные значения и частотные спектры биомагнитных сигналов и шумов в окружающем пространстве: 1 - поле Земли; 2,3 - геомагнитный и городской шум соответственно; 4 - сетевая помеха; 5 - чувствительность сквида |
Рис.1
Существуют дни подхода к устранению влияния шумов. Наиболее радикальный — создание сравнительно большого объема (комнаты), в котором магнитные шумы резко уменьшены с помощью магнитных экранов. Для наиболее тонких биомагнитных исследований (на мозге) шумы необходимо снижать примерно в миллион раз, что может быть обеспечено многослойными стенками из магнитомягкого ферромагнитного сплава (например, пермаллоя). Экранированная комната—дорогостоящее сооружение, и лишь крупнейшие научные центры могут позволить себе ее сооружение. Количество таких комнат в мире в настоящее время исчисляется единицами.
Есть и другой, более доступный способ ослабить влияние внешних шумов. Он основан на том, что в большинстве своем магнитные шумы в окружающем нас пространстве порождаются хаотическими колебаниями (флуктуациями) земного магнитного поля и промышленными электроустановками. Вдали от резких магнитных аномалий и электрических машин магнитное поле хотя и флуктуирует со временем, но пространственно однородно, слабо меняясь ни расстояниях, сравнимых о размерами человеческого тела. Собственно же биомагнитные поля быстро ослабевают при удалении от живого организма. Это означает, что внешние поля, хотя и намного более сильные, имеют меньшие градиенты (т.е. скорость изменения с удалением от объекта), чем биомагнитные поля.
Приемное устройство прибора со сквидом в качестве чувствительного элемента изготовляется так, что оно чувствительно только к градиенту магнитного поля, - в этом случае прибор называют градиометром. Однако, часто внешние (шумовые) ноля обладают все же заметными градиентами, тогда приходится применять прибор, измеряющий вторую пространственную производную индукции магнитного поля — градиометр второго порядка. Такой прибор можно применять уже в обычной лабораторной обстановке. Но все же и градиометры предпочтительно применять в местах с «магнитно-спокойной» обстановкой, и некоторые исследовательские группы работают и в специально сооружаемых немагнитных домах в сельской местности.
В настоящее время интенсивные биомагнитные исследования ведутся как в магнитоэкранированных комнатах, так и без них, с применением градиометров. В широком спектре биомагнитных явлений есть много задач, допускающих разный уровень ослабления внешних шумов.