СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТОМЕТР

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТОМЕТР

       

магнитометр, действие к-рого основано на Джозефсона эффекте. Часто встречается ещё одно наименование С. м.— «сквид» (от англ. Superconducting Quantum Interference Device — сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор).

Чувствительность С. м. достигает 10-11 Гс (10-15Тл), а при измерениях градиента магн. поля =10-12 Гс/см (1014Тл/м). Чувствительный элемент (ЧЭ) С. м. представляет собой электрич. контур из сверхпроводника с контактами Джозефсона (ими могут быть разделяющие сверхпроводник тонкие, =10 ?, плёнки изолятора, точечные контакты и т. п.). ЧЭ реагирует на изменение напряжённости (индукции) магн. поля, пронизывающего сверхпроводящий контур.

Рис. 1. Схема сверхпроводящего магнитометра с двумя параллельно включёнными контактами Джозефсона для измерения напряжённости (индукции) магн. поля.

На рис. 1 приведена схема С. м., ЧЭ к-рого содержит два идентичных контакта Джозефсона, включённых параллельно в цепь источника пост. тока. Ток, разрушающий сверхпроводимость в ЧЭ (Ikc), зависит от электрич. хар-к контактов и величины магн. потока Ф, пронизывающего контур:

Ikc=2Ic |cos(pФ/Ф0)|,

где Ф0=2•10-7 Гс•см2—квант магн. потока, Ic — ток разрушения сверхпроводимости каждого из контактов (критический ток) — должен быть мал (Ic=Ф0/L, где L — индуктивность контура). С изменением потока Ф ток Ikc в контуре испытывает осцилляции (рис. 2). Ток Ikc достигает макс. значения всякий раз, как только изменяющийся поток Ф оказывается равным целому числу квантов потока Ф0, т. е. период осцилляции равен кванту магн. потока.

Рис. 2. Запись осцилляции тока, текущего в сверхпроводящем контуре с двумя параллельными контактами Джозефсона.

Если через ЧЭ протекает пост. ток =Ikc, то электрич. напряжение на контуре также периодически зависит от Ф. По числу осцилляции можно определить Ф, а зная площадь S сверхпроводящего контура, найти напряжённость Н измеряемого магн. поля: Н=Ф/S. Обычно для повышения надёжности работы С. м. в контуре дополнительно возбуждают периодич. магн. поле модуляции. Возбуждаемое перем. поле имеет амплитуду ?Ф/2S. При наличии поля модуляции на контуре появляется перем. напряжение. Во внеш. поле Н частота перем. напряжения совпадает с частотой модуляции, а амплитуда пропорц. Н.

Рис. 3. Схема сверхпроводящего магнитометра для измерения градиента магн. поля (градиентометра).

Измерит. блок С. м. выполняет ф-ции усиления переменной составляющей напряжения на контуре и выработки сигнала управления обратной связью, так что вся схема работает как нуль-индикатор.

С. м. изготовляют также с источниками (генераторами) перем. тока частотой 107—109 Гц и с одним контактом Джозефсона в ЧЭ (рис. 3). Ток в ЧЭ возбуждается индуктивно посредством резонансного контура, настроенного на частоту генератора.

Одновременно перем. ток низкой частоты (=103 Гц), протекающий через тот же контур, осуществляет модуляцию магн. поля в ЧЭ. Вольтамперная хар-ка ЧЭ нелинейна относительно магн. поля, к-рое пронизывает контур. Амплитуда НЧ-модуляции на частоте тока низкой частоты пропорц. величине внеш. магн. поля. H ЧЭ внеш. поле подводится трансформатором магн. поля, к-рый состоит из приёмной петли и катушки, индуктивно связанной с ЧЭ (материалом для обмотки трансформатора служит сверхпроводящая проволока, передача потока происходит без потерь). В С. м. рассматриваемого типа трансформатор имеет две входные петли, включённые навстречу друг другу. При таком включении петель ЧЭ реагирует на градиент поля и явл. градиентометром. Измерит. блок С. м. осуществляет усиление модулированного ВЧ сигнала и его детектирование. В результате выделяется сигнал НЧ, амплитуда к-рого пропорц. измеряемому градиенту поля. Очень высокая чувствительность С. м. позволила осуществить с их помощью ряд тонких экспериментов: уточнить значения ряда физических констант на основе измерений отношения h/e, освоить измерения малых электрич. напряжений до значений 10-18 В, зафиксировать магнитокардиограммы и магнитоэнцефалограммы человека.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.