Магнитометры на сквидах

Московский государственный институт электроники и матема-тики

(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 сверх-проводников.

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

Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Тк  23К), а также у ке-рамик (Тк > 77,4К – высокотемпературные сверхпроводники.)

Сверхпроводимость материалов с Тк  23К объясняется нали-чием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, про-тивоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые об-разуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ио-нов решетки – фононами. Все пары находятся, с точки зрения кван-товой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статисти-ке Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между со-бой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.

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

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

Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнит-ное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверх-проводника равна нулю (эффект Мейсснера). Напряжонность маг-нитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем Нк. У сверхпроводников второго рода существует промежу-ток напряженности магнитного поля Нк2 > Н > Нк1, где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормаль-ном состоянии. Нк1 – нижнее критическое поле, Нк2 – верхнее кри-тическое поле. Н < Нк1 – индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Нк2 – сверхпроводимость нарушается. Через иде-альные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой: (критический ток). Объясняется это тем, что поле, соз-даваемое током, превысит Нк1, вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделением тепла, что приводит к потере сверх-проводимости.

Tk, Нк1, Нк2, некоторых металлов и соединений:

Вещество Тк К 0Нк1 Тл 0Нк2 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

V3Si 17.1 23.4

Nb3Sn 18.2 24.5

Nb3Al 18.9

Nb3Ga 20.3 34.0

Nb3Ge 23.0 37.0

(Y0.6Ba0.4)2CuO4 96 16020

Y1.2Ba0.3CuO4-8 102 18 при 77К

2. Эффект Джозефсона.

Если два сверхпроводника соединить друг с другом «слабым» контактом, например тончайшей полоской из диэлектрика, через не-го пойдет туннельный сверхпроводящий ток, т.е. произойдет тунне-лирование 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 об-мена парами состояние обеих систем изменяется во времени. При этом интенсивность и направление обмена определяется разностью фаз волновых функций между системами. Если разность фаз =1 - 2, 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

 -- разность фаз.

Из (1), (2) следует .

Поскольку на фазовое соотношение между системами влеяет магнитное поле, то сверхпроводящим током контура можно управ-лять магнитным полем. В большинстве случаев используется не один джозефсоновский контакт, а контур из нескольких контактов, включенных параллельно, так называемый сверхпроводящий кван-товый интерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого для управления током, зависит от площади кон-тура 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 маг-нитного 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 вычи-таться из постоянного тока I в А и складываться в В. Тогда макси-мальный ток кольца зависит от магнитного потока Ф и равен: Ic – ток кольца, Ф0 – квант потока, Ф – захвачен-ный поток. При этом R – сопротивление перехода, l – индуктивность кольца. U – достигает нескольких микровольт и может быть измерена обычными электронными приборами.

I Imax

nФ0

(n+1/2)Ф0

U n

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

Рисунок справа: Зависимость Imax от внешнего потока

n – число квантов потока пронизывающих контур.

Техническая реализация магнитометров на СКВИДе на посто-янном 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.