Магнитометры

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 Nb3 Sn...........................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 (Тк £ 23К), а также у керамик (Тк > 77,4К – высокотемпературные сверхпроводники.)

Сверхпроводимость материалов с Тк £ 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). Напряжонность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем Нк . У сверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитного поля Нк2 > Н > Нк1 , где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии. Нк1 – нижнее критическое поле, Нк2 – верхнее критическое поле. Н < Нк1 – индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Нк2 – сверхпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой: (критический ток). Объясняется это тем, что поле, создаваемое током, превысит Нк1 , вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.

Tk , Нк1 , Нк2 , некоторых металлов и соединений:

Вещество

Тк К

m0 Нк1 Тл

m0 Нк2 Тл

Pb

7.2

0.55

Nb

9.2

0.13

0.27

Te

7.8

V

5.3

Ta

4.4

Sn

3.7

V3 Si

17.1

23.4

Nb3 Sn

18.2

24.5

Nb3 Al

18.9

Nb3 Ga

20.3

34.0

Nb3 Ge

23.0

37.0

(Y0.6 Ba0.4 )2 CuO4

96

160±20

Y1.2 Ba0.3 CuO4-8

102

18 при 77К

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 в следствии 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 Us . 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:

Is – ток через контакт

Ic – максимальный постоянный джозефсоновский ток через контакт

j -- разность фаз.

Из (1), (2) следует .

Поскольку на фазовое соотношение между системами влеяет 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»

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: Ic – 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 Imax

0

(n+1/2)Ф0

U n

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

Рисунок справа: Зависимость Imax 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

поля. Такая система представляет со-

600нм 600нм бой магнитометр.

20 нм

Сверхпроводящий материал – соединение Nb3 Sn.

Соединение Nb3 Sn имеет Тк =18.2К и Нк2 =18.5 МА/m (m0 Нк =23Тл) при 4.2К. Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительные как к малым полям 10-17 Тл, так и к изменению больших полей »1Тл. Соединение имеет такую решетку: атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и образуют со своими ближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг – другу:

Nb

Sn

Атомы ниобия в этих цепочках связаны дополнительными ковалентными связями. Цепочки ниобия в кристаллической структуре, для получения сверх проводящих свойств не должны быть нарушены, что может произойти при избытке атомов олова или при недостаточной степени порядка в кристаллической решетке. Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn приведена на рисунке:

to C

2500

a+ж 2000


похожие статьи

Copyright © MirZnanii.com 2015-2018. All rigths reserved.