Сверхпроводимость и ее применение в физическом эксперименте

связанные с созданием гене-раторов на 30%. В этих условиях экономия энергии, получаемая за счет снижения потерь, очень быстро оправдывает те затраты, которые вкладываются в создание новых сверхпроводниковых машин. Экономически это, конечно, оправдано, но все дело в том, что для того, чтобы выйти в энергетику с большими машинами, нужно пройти очень сложный путь создания машин все больших мощностей. При этом нужно решать и более трудную проблему - обеспечение высокой надежности. Очень важным моментом в этой связи, является отработка токовводов при создании машин высокой мощности. Перепад температур на токовводах составляет около 300К, они име-ют внутренние источники тепловыделения, и поэтому представляют собой один из наиболее на-пряженных в эксплуатационном отношении узлов сверхпроводникового электротехнического устройства, являясь потенциально опасным источником аварий в криогенной зоне. Поэтому, при разработке токовводов, в первую очередь необходимо обращать внимание на надежность их ра-боты, обеспечивая ее даже в ущерб тепло- и электрохарактеристикам токовводов.

табл.1 “Сферы применения сверхпроводимости”

Применение Примечания

крупномасштабное

а) экранирование

Сверхпроводник не пропускает магнит-ный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых устройствах, защита от излучения при ядерном взрыве.

сильноточные устройства

а) магниты

- научно-исследовательское оборудование

- магнитная левитация

НТСП магниты используются в ускорите-лях частиц и установках термоядерного син-теза.

Интенсивно проводятся работы по созда-нию поездов на магнитной подушке. Прото-тип в Японии использует НТСП.

другие статические применения

а) передача энергии

б) аккумулирование

в) вращающиеся электрические машины

г) вычислительные устройства

Прототипные линии НТСП продемонст-рировали свою перспективность.

Возможность аккумулировать электро-энергию в виде циркулирующего тока

Комбинация полупроводниковых и

сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании ап-паратуры.

КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР

Простейший квантовый магнитометр — СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо с двумя джозефсоновскими туннельными контак¬тами. Схематически такое устройство показано на рисунке 62, Это полный аналог столь популярного в оптике опыта с интерференцией от двух щелей, только здесь интерферируют не световые волны, в два джозефсоновских тока /[и /з, каждый со своей амплитудой и фазой. Концы сверхпроводников / и 2 присоединены к прибо-ру, который измеряет ток, равный сумме (с уче¬том фаз!) токов /| и /2. Таким образом, в СКВИДе волна сверхпроводящих электронов расщепляется на две, каждая из которых проходит свой тун-нель¬ный контакт, а затем обе половинки сводятся вместе.

СКВИДы бывают двух типов: СКВИД, работающий на постоянном токе, и СКВИД, рабо-тающий на переменном высокочастотном токе. СКВИД на переменном токе устроен несколько проще, он содержит один контакт, но описание его работы сложнее, и поэтому мы здесь рассмотрим работу маг¬нитометра на постоянном токе.

Рис.1

Поскольку оба туннельных контакта одинаковы и расположены симметрично, то в отсутствие поля созданный предварительно постоянный ток разделится между ними поровну, фазы его оди-наковы и никакой интерференции не возникает. Но если теперь включить магнитное поле, то оно будет наводить в контуре циркулирующий сверхпроводящий ток. Этот ток, направленный, например, по часовой стрелке, в контакте 1 будет вычитаться из постоянного внешнего тока, а в контакте 2 складываться. Теперь обе ветви будут иметь разные токи, туннельные контакты разбалансируются, между ними возникнет разность фаз. Волны сверхпроводящих электронов, пройдя через контакты и вновь соединившись, будут интерферировать, интерференция проявит-ся как зависимость критического тока СКВИДА Ik от внешнего магнитного поля. Эта зависи-мость показана на рисунке 2 (магнитный поток измеряется в естественных единицах – квантах потока Ф0 ).

Рис.2

Таким образом, критический ток контура с двумя джозефсоновскими контактами осциллирует в зависимости от внешнего поля, до¬стигая максимума, когда пронизывающий контур магнитный поток равен целому числу квантов. Такой ступенчатый ха¬рактер зависимости позволяет «чувст-вовать» отдельные флюксоиды -- кван¬ты потока, хотя величина их очень мала (порядка Ю"15 Вб). Нетрудно по¬нять почему. Магнитный поток внутри контура меняется, хотя и на малую ве-личину: ЛФ==Фо, но скачком, т. е. за очень короткий промежуток време¬ни 1. Так что скорость изменения магнитного потока АФ/А/ при таком скачкообразном характере изменения потока оказывается очень большой. Ее можно измерить, например, по величине ЭДС индукции, наво-димой в специальной измерительной катушке прибора. В этом и состоит принцип работы кван-тового магнитометра.

Сегодня сверхчувствительные магнитометры, измеряющие индукции маг¬нитных полей с точ-ностью до 10~15 Тл,—это уже промышленная про¬дукция, находящая широкое применение в из-мерительной технике. С их помощью удалось осуществить ряд тонких экспериментов, исследо-вать новые физические явления. Вот некоторые примеры.

Сверхпроводящие магнитометры оказались очень удобными для измере¬ний магнитной вос-приимчивости различных веществ—отношения их на¬магниченности к приложенному полю. Благодаря своей огромной чувст¬вительности они позволяют измерить очень малые восприимчи-вости и вос¬приимчивости очень малых количеств вещества. Это последнее обстоятель¬ство осо-бенно важно для биохимических исследований. Градиометры на СКВИДах уже позволили изме-рить предельно малую восприимчивость белков. Применялись они также для измерения воспри-имчивости раз¬личных геологических пород и даже для измерения магнитного момента образцов лунного грунта.

Физики, изучающие микромир, надеются, что квантовые магнитометры помогут им в поис-ках кварков и гравитационных волн. А вот геофизикам с помощью СКВИДов удалось зарегист-рировать чрезвычайно слабые вариа¬ции магнитного поля Земли при различных катаклизмах (из-вержениях, землетрясениях). Установлено, например, что за несколько дней до земле¬трясения в области линии сдвига земной коры возникают возмущения маг¬нитного поля. Такие данные, по-мимо их научного значения, могут ока¬заться ценным средством прогнозирования стихийных яв-лений.

Самое лучшее, что создает электроника, она с готовностью отдает меди¬цине для сохранения жизни и здоровья человека. Стоило СКВИДам появить¬ся на свет, как сразу же им и здесь на-шлось применение. С их помощью удалось получить идеальную кардиограмму, но не электри-ческую, а магнит¬ную, отобразив с невиданной точностью мельчайшие импульсы, сопровож¬дающие работу сердца. Ведь те же самые токи, которые измеряются при снятии обычной элек-трокардиограммы (или электроэнцефалограммы), соз¬дают также магнитное поле. Токи эти очень слабы, и соответственно маг¬нитные поля имеют порядок миллиардных и менее долей тес-ла. Понятно, что подобные измерения могут проводиться только в специально экрани¬рованных от посторонних магнитных полей помещениях. Это, конечно, усложняет их применение, но все искупается огромной чувствительностью квантовых магнитометров; с их помощью обнаружи-ваются такие явления, которые не удавалось обнаружить электрическими методами исследова-ния. Очень ценными для медиков оказались, например, магнитографические исследования тон-ких физиологических процессов. Были зарегистрированы магнитограммы работы мышц, желуд-ка, глаза при различных освещенностях и др. Недалек тот день, когда магнитограммы, снятые с помощью СКВИДов, принципиально изменят существующие возможности для диаг¬ностики сердечных заболеваний.

В заключение заметим, что основные системы со СКВИДами еще пол¬ностью не изучены и их еще следует тщательно исследовать и изучать. Но уже сейчас устройства, основанные на приме-нении особенностей контактов слабосвязанных сверхпроводников, следует рассматривать как технику, потенциально пригодную для решения любых приборных проблем, требую¬щих пре-дельно высоких параметров чувствительности, точности и быстро¬действия.

Литература

1. “Сверхпроводимость”; Павлов Ю.М, ШугаевВ.А.

2. “Сверхпроводимость в технике”; Труды второй всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости.

3. “Введение в сверхпроводимость”; Зайцев, Орлов.

4. “Сверхпроводимость: физика, химия, техника” №1-6, 1996

5. “Сверхпроводимость: исследования и разработки” №6, 1994.

6. “Физическая энциклопедия” т.3

7. Советский Энциклопедический Словарь

8. Х.-И. Кунце “Методы физических измерений”; Москва “Мир”1989

9. Д. Стронг “Техника физического эксперимента”; Лениздат 1943

10. М.Г. Мнеян “Сверхпроводники в современном мире”; изд. “Просвещение” 1991