Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Цели первого этапа проекта выполнены полностью в соответствии с поставленными задачами. По итогам выполнения первого этапа проекта получены следующие результаты: Создан метод проектирования планарных феррозондовых преобразователей для работы в условиях сверхнизких температур на основе конечно-элементного моделирования. Метод обеспечивает анализ чувствительности и тепловыделения феррозондового преобразователя в зависимости от конструкции, материала сердечника, температуры окружающей среды и значения измеряемой магнитной индукции. Метод проектирования феррозондового преобразователя позволяет учитывать тепловыделение подводящих проводов в зависимости от тока возбуждения в условиях сверхнизких температур. Разработанный метод реализован в среде конечно-элементного анализа Comsol Multiphysics и включает пять этапов: 1.1 Описания физической формы объекта. 1.2 Настройка материалов. 1.3. Настройка физики. 1.4. Формирование конечно-элементной сетки. 1.5. Настройка решателя. После выполнения пятого этапа автоматически создаются график распределения плотности магнитного потока и распределения температуры по объёму анализируемого пространства, эпюры тока возбуждения феррозонда и ЭДС на выходе феррозонда. На основе созданного метода проектирования была создана конечно-элементная модель планарного феррозондового преобразователя. Анализ созданной модели феррозондового преобразователя при значениях внешнего измеряемого поля от 100 мкТл до 100 пТл показал его работоспособность в условиях сверхнизких температур. Температура рабочей среды увеличилась с начального значения 20 мкК до 47 мкК, что является допустимым. Для решения задачи повышения чувствительности феррозондовых преобразователей при измерениях слабых магнитных полей был проведен математический анализ работы дифференциального феррозонда в зависимости от формы сигнала возбуждения и способа аппроксимации средней кривой намагничивания сердечника. На основе данного анализа установлены закономерности между спектральным составом сигнала возбуждения феррозонда и спектральным составом сигнала на его выходе и определены оптимальные условия возбуждения феррозондового преобразователя сигналом сложной формы с учетом частотозависимости магнитной проницаемости выбранного материала сердечника феррозонда. Полученные теоретические результаты повышения чувствительности были подтверждены экспериментальными исследованиями на примере типового феррозонда. На основе полученных аналитических выражений, связывающих спектральный состав сигнала возбуждения феррозонда и спектральный состав сигнала на выходе феррозонда предложен алгоритм обработки выходного сигнала с феррозонда на основе синхронного детектирования на опорный сигнал сложной формы, содержащей в своем спектре только чётные гармоники. Новизна предлагаемого алгоритма заключается в том, что для повышения чувствительности и точности измерений феррозондовый преобразователь будет возбуждаться сигналом сложной формы, содержащем в своем спектре только нечётные гармоники равной амплитуды. Выходной сигнал с феррозондового преобразователя будет синхронно детектироваться на опорный сигнал сложной формы, содержащей в своем спектре только чётные гармоники. Таким образом чувствительность измерений будет повышена за счет синергетического эффекта одновременного измерения четных гармоник в спектре ЭДС на выходе феррозонда. Для калибровки экспериментального образца планарного феррозондового преобразователя рассчитана аналитически многокатушечная калибровочная система обеспечивающая неоднородность трех компонент магнитного поля не более 0,1 % и создана ее конечно-элементная модель. Созданная конечно-элементная модель многокатушечной калибровочной системы позволяет проводить оценку объема однородности и амплитуды создаваемого магнитного поля с учетом тепловыделения в зависимости от своих геометрический размеров, тока питания катушек и температуры окружающего пространства. Результаты конечно-элементного анализа калибровочной системы для калибровки экспериментального образца планарного феррозондового преобразователя потвердели правильность аналитических расчетов калибровочной системы и возможность ее практической реализации. Для возбуждения и кондиционирования сигналов с феррозондового преобразователя и реализации предложенного алгоритма обработки выходного сигнала с феррозонда на основе синхронного детектирования на опорный сигнал сложной формы разработано и изготовлено устройство для возбуждения и кондиционирования сигналов.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Цели второго этапа проекта выполнены полностью в соответствии с поставленными задачами. По итогам выполнения второго этапа проекта получены следующие результаты: По итогам выполнения второго этапа проекта получены следующие результаты. Создано программное обеспечение на языке графического программирования LabVIEW для реализации разработанных на первом этапе алгоритмов обработки выходного сигнала с феррозондового преобразователя. Проведена верификация программного обеспечения (ПО) на основе типового феррозондового преобразователя, которая показала, что результаты измерений амплитуд второй, четвертой и шестой гармоник в выходном сигнале феррозондового преобразователя полученные с помощью разработанного ПО незначительно отличаются (менее 1 %) от измеренных значений, полученных аналоговым способом. При этом разработанный цифровой способ показал большее быстродействие при выделении постоянных составляющих в сигналах, полученных после синхронного детектирования. Разработанный алгоритм обработки выходного сигнала с феррозондового преобразователя и вариант его аппаратно-программной реализации защищены патентом РФ на изобретение. Получено положительное решение о выдачи патента. На основе созданной на первом этапе конечно-элементная модели планарного феррозондового преобразователя изготовлен экспериментальный образец планарного феррозондового преобразователя для работы в составе квантового компьютера в диапазоне сверхнизких температур. По технологии изготовления печатных плат на подложке из текстолита изготовлены 4 отдельные печатные платы. Две идентичные платы с обмотками возбуждения и две идентичные платы с измерительными обмотками. Платы последовательно наложены друг на друга, в центре размещен сердечник из ферромагнитного наноматериала. Соединение измерительных обмоток и обмоток возбуждения отдельных плат выполнены через переходные отверстия и с помощью сверхпроводящего провода. Изготовлена калибровочная система для калибровки экспериментального образца планарного феррозондового преобразователя в условиях магнитного вакуума и сверхпроводимости и проведены ее исследовательские испытания. Испытания показали высокую однородность магнитного поля, создаваемого в трехмерном пространстве, максимальная неоднородность магнитного поля внутри калибровочной системы не превышает по оси x 0,19 %, по оси y 0,14 % по оси z 0,14 %. Проведены исследовательские испытания созданного планарного феррозондового преобразователя, оценены его пригодность для работы в системе активного магнитного вакуума квантового компьютера и потенциальные метрологические характеристики. Исследовательские испытания показали, что феррозондовый преобразователь пригоден для измерения магнитной индукции до 45 мкТл, феррозондовый преобразователь сохраняет линейность при измерении магнитной индукции в диапазоне от 0,1 нТл до 45 мкТл. Усреднённый коэффициент преобразования по второй гармонике составляет 54 мкВ/нТл, усреднённый коэффициент преобразования по четвертой гармонике составляет 27 мкВ/нТл, усреднённый коэффициент преобразования по шестой гармонике составляет 9 мкВ/нТл. Таким образом наблюдается линейная зависимость изменения выходного напряжения на измерительной обмотке преобразователя не только по второй гармонике, но также по четвертой и шестой, что подтверждает предложенный и реализованный способ повышения чувствительности феррозондового преобразования. Однако при измерении значения магнитной индукции 0,1 нТл, четвертую и шестую гармоники измерить было невозможно вследствие высокого уровня шума феррозондового преобразования, а время измерения второй гармоники составило 1200 с. Таким образом из экспериментальных исследований созданного планарного феррозондового преобразователя и проведённой оценки его потенциальных метрологических характеристик следует, что феррозондовый преобразователь пригоден для работы в системе активного магнитного вакуума квантового компьютера. При этом метрологические характеристики феррозондового преобразователя возможно улучшить при дальнейших исследованиях. Для этого необходимо дальнейшее уменьшение ширины печатных проводников, образующих обмотки возбуждения и измерительную обмотку преобразователя с увеличением их плотности размещения на печатной плате. Следовательно, увеличится индукция и частота возбуждения при не изменой амплитуде тока возбуждения. Отработка технологии резки и травления ферромагнитного сердечника для уменьшения шумов преобразователя и изготовление трех идентичных преобразователей для создания трехмерного магнитометра.