Сверхпроводниковые сенсоры магнитного потока в измерительной технике ППи

Сверхпроводниковые сенсоры магнитного потока в измерительной технике ППи. МЭ 7. 51 Cryosensors

Область техники Криогенная (от греческого "криос" - холод, мороз) электроника, или криоэлектроника - направление электроники, охватывающее исследование при криогенных температурах (ниже 120 К ) специфических эффектов взаимодействия электромагнитного поля с носителями зарядов в твердом теле и создание электронных приборов и устройств, работающих на основе этих эффектов.

Сверхпроводимость Признаки: 1. Электрическое сопротивление материала равно 0 ρ=0 2. Выталкивание магнитного материала (эффект Мейсснера) B=0 μ=0 поля из объема

Сверхпроводимость Основные параметры: 1. Критическая температура Тс – максимальная температура, при которой вещество еще находится в сверхпроводящем состоянии 2. Критическое магнитное поле Вс – максимальная индукция магнитного поля, при которой вещество еще находится в сверхпроводящем состоянии 3. Критический ток Ic – максимальный ток, протекание которого по веществу не вызывает перехода в резистивное состояние (нормальное состояние)

Сверхпроводимость Причина Новое состояние электронной подсистемы сверхпроводящие электроны ns Состав электронной подсистемы при Т≠ 0 Т≤ Тс 1. Сверхпроводящие электроны ns бозоны 2. Нормальные электроны n фермионы

Сверхпроводимость Фермионы Принцип Паули статистика Ферми – Дирака Каждый электрон имеет свою энергию Своя волновая функция Независимое изменение фазы волновой функции

Сверхпроводимость Бозоны Нет принципа Паули статистика Бозе - Эйнштейна Все электроны имеют одну энергию основного состояния Единая волновая функция Ψ(r) = (ns/2)1/2 eiθ(r) (конденсат) Единая фаза волновой функции (квантовая когерентность) Основа электронной подсистемы – куперовские пары

Сверхпроводимость Макроскопические квантовые эффекты Квантование магнитного потока Слабая сверхпроводимость ( эффекты Джозефсона)

Квантование потока T< Tc Ф=n. Ф 0 =n h/2 e Ф 0 - квант магнитного потока Ψ(r) = (ns/2)1/2 eiθ(r), где θ – фаза волновой функции

Квантование потока Физически квантование магнитного потока имеет то же происхождение, что и квантование орбит электронов в атоме. Нужно, чтобы волновая функция электронов, вращающихся по некоторому замкнутому контуру, имела целое число длин волн на длине этого контура. Это интерференционный эффект.

Эффекты слабой сверхпроводимости – эффекты Джозефсона Слабая сверхпроводимость - это участок сверхпроводника, в котором состояние сверхпроводимости подавлено относительно его объема. В этом случае основные параметры сверхпроводника будут значительно ниже на этом участке. Типы контактов

Стационарный эффект Джозефсона При пропускании слабого постоянного электрического тока в системе сверхпроводников со слабой связью ток протекает бесдиссипативный, т. е. сверхпроводящий, несмотря на материал контакта (диэлектрик, сужение, металл, полупроводник). При этом падение напряжения на контакте равно нулю, а величина тока определяется разностью фаз волновых функций электронов в левом и правом объемах относительно контакта Джозефсона. Уравнение стационарного эффекта Джозефсона: изменение фазы φ на слабой связи = θ 2 -θ 1

Нестационарный эффект Джозефсона При превышении постоянным током критического тока слабой связи, произойдет переход в резистивное состояние и появится падение напряжение. Оказывается, что это напряжение, кроме постоянной составляющей V, будет иметь еще и переменную составляющую, которая осциллирует с угловой частотой ω, такой что. При этом происходит генерация электромагнитного излучения из области контакта с частотой порядка ГГц. Уравнение нестационарного эффекта Джозефсона: изменение фазы φ на слабой связи = θ 2 -θ 1

Нестационарный эффект Джозефсона Интерпретация. Если среднее расстояние по энергиям между уровнями куперовских пар в двух половинках перехода равно 2 e, то при переходе одной пары через область слабой связи такая энергия выделяется в виде кванта электромагнитного излучения. Энергетическая диаграмма туннельного джозефсоновского перехода, к которому приложено напряжение V. Уровни 1 и 2 разделены интервалом 2 e. V.

Что происходит с джозефсоновским переходом, когда по нему течет заданный извне постоянный ток I > Ic? Поскольку сверхток не может быть больше критического, то, кроме сверхтока, возникнет ток нормальной компоненты, т. е. возникнет ток одиночных электронов. Резистивная модель джозефсоновского перехода

ВАХ перехода При токе через переход, близком к критическому, значительная его часть протекает в виде сверхпроводящего тока. При токе значительно большем критического весь постоянный ток течет в виде нормального тока, поэтому вольт-амперная характеристика на этом участке выходит на характеристику перехода в нормальном состоянии.

Принцип работы СКВИДа Схема ПТ СКВИДа

Принцип работы СКВИДа Схема ПТ СКВИДа

Принцип работы СКВИДа Зависимость Imax от полного магнитного потока

Принцип работы СКВИДа ВАХ ПТ СКВИДа при малой индуктивности Магнитный поток изменяется от 0 до Ф 0/2

Принцип работы СКВИДа Основные характеристики ПТ СКВИДа

Принцип работы СКВИДа Основные характеристики ВПХ СКВИДа Потокозапирающая схема: (а) ВПХ с рабочей точкой W и параметрами СКВИДа, (б) потокозапирающая схема включения ПТ СКВИДа

Принцип работы СКВИДа Основные характеристики ВПХ СКВИДа Потокозапирающая схема: (а) ВПХ с рабочей точкой W и параметрами СКВИДа, (б) потокозапирающая схема включения ПТ СКВИДа VФ - коэффициент преобразования магнитного потока в напряжение ΔV – глубина модуляции напряжения I – ток смещения

Метод повышения чувствительности к магнитному полю Схема трансформатора магнитного потока индуктивно связанного с ПТ СКВИДом

ВЫВОД СКВИД постоянного тока – это преобразователь магнитного потока в напряжение с линеаризованной вольтпотоковой характеристикой Чувствительность датчика по магнитному потоку ~ 10 -6 Φ 0/√Гц или 10 -15 Тл/√Гц По энергии ~ 5 h

Коммерческие сверхпроводниковые сенсоры Коммерческий СКВИД состоит из: 1. Датчика магнитного потока (ПТ СКВИДа с входной катушкой) 2. Малошумящего усилителя сигнала 3. Цепи следящей (интегрирующей) обратной связи 4. Схемы управления генераторами тока и источниками напряжения

Примеры реализации сенсора НТСП Nb ПТ СКВИД Т = 4. 2 К ВТСП YBCO ПТ СКВИД Т = 77 К СКВИДы

Низкотемпературные модули СКВИДы

Электроника СКВИДы

Программное обеспечение СКВИДы

СПАСИБО