Магнитометры на СКВИДах

Московский  государственный  институт электроники  и математики

(технический  университет) 
 
 
 
 

Курсовая  работа

для представления  на кафедру «Материаловедение»

на тему: 
 

Магнитометры  на СКВИДах.   
 
 
 
 
 
 

Выполнил: Подчуфаров А.И.

Преподаватель: Петров В.С.  
 
 

Зачтено: 04.06.96

ФИТ  ЭП-41 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 1996 г. 
Содержание: 
 
 
 

1. Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников.....3
2. Эффект Джозефсона.........................................................................4
3. Магнитометр....................................................................................5
4. Сверхпроводящий материал - соединение Nb₃Sn...........................8
5. Получение джозефсоновских переходов.........................................9
6. Список литературы..........................................................................13

 

1. Сверхпроводимость.  Основные параметры  сверхпроводников. 
 

      Явление сверхпроводимости состоит в  том, что при некоторой температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление в некоторых материалах исчезает. Эта температура называется критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние.

      Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и  сплавов (Т_к £ 23К), а также у керамик (Т_к > 77,4К – высокотемпературные сверхпроводники.)

      Сверхпроводимость материалов с Т_к £ 23К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.

     Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами.

     По  взаимодействию с магнитным полем  сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.

     Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле «выталкивают»  последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера). Напряженность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем Н_к. У сверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитного поля Н_к2 > Н > Н_к1, где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии. Н_к1 – нижнее критическое поле, Н_к2 – верхнее критическое поле. Н < Н_к1 – индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Н_к2 – сверхпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой: (критический ток). Объясняется это тем, что поле, создаваемое током, превысит Н_к1, вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца,  под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости. 

     T_k, Н_к1, Н_к2, некоторых металлов и соединений:

         

2. Эффект  Джозефсона.

 
 

     Если  два сверхпроводника соединить  друг с другом «слабым» контактом, например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдет туннельный сверхпроводящий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящих куперовских пар. Благодаря этому обе системы сверхпроводников связаны между собой. Связь эта очень слаба, т.к. мала вероятность туннелирования пар даже через очень тонкий слой изолятора.

     Наличие связи приводит к тому, что вследствие процесса обмена парами состояние обеих систем изменяется во времени. При этом интенсивность и направление обмена определяется разностью фаз волновых функций между системами. Если разность фаз       j=j₁ - j₂, тогда из квантовой механики следует . Энергии в точках по одну и другую сторону барьера Е₁ и Е₂ могут отличаться только если между этими точками существует разность потенциалов U_s. В этом случае    (1).

     Если  сверхпроводники связаны между  собой с одной стороны и  разделены слабым контактом с другой, то напряжение на контакте можно вызвать, меняя магнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом . Учитывая, что квант потока и поток Ф через контур может быть лишь nФ₀, где n=0,±1,±2,±3,... Джозефсон предсказал, что (2)

     Где:

                 I_s – ток через контакт

   I_c – максимальный постоянный джозефсоновский ток         через контакт

            j -- разность фаз.

      Из (1), (2) следует  .

           Поскольку на фазовое соотношение между системами влияет магнитное поле, то сверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем. В большинстве случаев используется не один джозефсоновский контакт, а контур из нескольких контактов, включенных параллельно, так называемый сверхпроводящий квантовый интерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого для управления током, зависит от площади контура и может бать очень мала. Поэтому СКВИДы применяют там, где нужна большая чувствительность.

     Известны  несколько типов джозефсоновских  контактов, но наиболее распространены следующие: 

        

                                                                
 
 

                        изолятор                               

                        » 1нм                                 сверхпроводники 
 

        туннельный  переход                                 переход  типа «мостик» 

3. Магнитометр.

 

      Магнитометр - прибор на основе джозевсоновских переходов, применяющийся для измерения магнитного поля и градиента магнитного поля. В магнитометрах используются СКВИДы 2х типов: на постоянном токе и переменном. Рассмотрим магнитометр на СКВДах постоянного тока. 
 

                                                        I 
 
 
 
 

                                    A                       B                       U

       
 

                      

                           переходы

                          джозефсоновские 

     Если  к такому кольцу приложить поле, то оно будет наводить в кольце циркулирующий сверхпроводящий  ток. Он будет вычитаться из постоянного тока I в А и складываться в В. Тогда максимальный ток кольца зависит от магнитного потока Ф и равен:   I_c – ток кольца, Ф₀ – квант потока, Ф – захваченный поток. При этом    R – сопротивление перехода, l – индуктивность кольца. DU – достигает нескольких микровольт и может быть измерена обычными электронными приборами. 
 

        I                                                             I_max

              nФ₀ 

                  (n+1/2)Ф₀ 

                                      U                                                           n                    

     Рисунок слева: ВАХ сверхпроводящего кольца с 2-мя джозевсоновскими переходами.

     Рисунок справа: Зависимость I_max от внешнего потока

     n – число квантов потока пронизывающих контур. 

     Техническая реализация магнитометров на СКВИДе на постоянном токе с 2-мя тунельными переходами. 
 

                                                                      Кварцевая трубка

                                                                      

                                                                      Полоска из Pb 

                                                                       Платиновый электрод 

                                                                        Pb 

                                                                        Джозефсоновские

                                                                         переходы 

                                                                         Платиновый электрод 
 

                                                                      Контур СКВИДа

                                                                 образован цилиндрической

                            пленкой из Pb нанесенной на кварцевый цилиндр

                            длинной 18 мм с наружным диаметром 8мм, а      

                                внутренним 6мм.

                                                     Описанная здесь конструкция  яв-

     2 мм                            ляется датчиком включенным в  электри- 

                                             ческую схему, обеспечивающую изме-

                                              рение и индикацию отклика  датчика

                      1.5мм                на изменение внешнего магнитного