Сверхпроводящие магнитометры

Сверхпроводящие магнитометры, квантовые магнитометры, действие которых основано на Джозефсона эффекте. Чувствительность С. м. достигает 10^-9 гс (10^-13 тл), а при измерениях градиента магнитного поля 10^-10 гс/см (10^-12 тл/м). Чувствительный элемент С. м. (сокращённо ЧЭ) представляет собой электрический контур из сверхпроводника с контактами Джозефсона (ими могут быть разделяющие сверхпроводник тонкие, 10 А, плёнки изолятора, точечные контакты и т. п.). ЧЭ реагирует на изменение напряжённости (индукции) магнитного поля, пронизывающего сверхпроводящий контур.

  На рис. 1 приведена схема С. м., ЧЭ которого содержит два идентичных контакта Джозефсона, включенных параллельно в цепь источника постоянного тока. Ток, разрушающий сверхпроводимость в ЧЭ (I^k_c), зависит от электрических характеристик контактов и величины магнитного потока Ф, пронизывающего контур:

  I^k_c = 2I_c |cos p Ф/Ф_о|,

  где Ф_о = 2×10^-7 гс см² — квант магнитного потока (магнитный поток через сверхпроводящий контур квантуется, см. Сверхпроводимость), I_c — ток разрушения сверхпроводимости каждого из контактов (критический ток) — должен быть мал (I_c Ф_о/L, где L — индуктивность контура). С изменением потока Ф ток I^k_c в контуре испытывает осцилляции (рис. 2). Ток /^к_с достигает максимального значения всякий раз, как только изменяющийся поток Ф оказывается равным целому числу квантов потока Ф_о, т. е. период осцилляций равен кванту магнитного потока. Если через ЧЭ протекает постоянный ток I^k_c, то электрическое напряжение на контуре также периодически зависит от Ф. По числу осцилляций можно определить Ф, а зная площадь S сверхпроводящего контура, найти напряжённость Н исследуемого магнитного поля (Н = Ф/S). Обычно для повышения надёжности работы С. м. в контуре дополнительно возбуждают периодическое магнитное поле модуляции. Возбуждаемое переменное поле имеет амплитуду £Ф_о/2S. При наличии поля модуляции на контуре появляется переменное напряжение, фаза которого изменяется прямо пропорционально внешнему полю Н. Измерительный блок С. м. выполняет функции усиления переменной составляющей напряжения на контуре и выделения изменения фазы. На выходе измерительного блока получают сигнал, пропорциональный изменению фазы, а следовательно, значению Н.

  С. м. изготовляют также с источниками (генераторами) переменного 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 переменный ток низкой частоты ( 10³ гц), протекающий через тот же контур, осуществляет модуляцию магнитного поля в ЧЭ. Вольтамперная характеристика ЧЭ нелинейна относительно магнитного поля, которое пронизывает контур. Поэтому фаза низкочастотной модуляции изменяется в зависимости от величины внешнего (исследуемого) магнитного поля. К ЧЭ внешнее поле подводится трансформатором магнитного поля, который 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, включенные навстречу друг другу. При таком включении петель ЧЭ реагирует на градиент поля и является градиентометром. Измерительный блок С. м. осуществляет усиление модулированного высокочастотного сигнала и его детектирование. В результате выделяется сигнал низкой частоты, фаза которого пропорциональна измеряемому градиенту поля.

  Очень высокая чувствительность С. м. позволила осуществить с их помощью ряд тонких экспериментов: уточнить значения физических постоянных, продвинуть измерение электрического напряжения в область значений 10^-14 в, зафиксировать магнитокардиограммы человеческого сердца и др.

 

  Лит.: Фейнман P., Лейтон P., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, [пер. с англ.], т. 9, М., 1967; Кларк Дж., Низкочастотные применения сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств, «Тр. института инженеров по электронике и радиоэлектронике», 1973, т. 61, № 1, с. 9; Заварицкий Н. В., Ветчинкин А. Н., Установка СКИМП, «Приборы и техника эксперимента», 1974, № 1.

  Н. В. Заварицкий.

 

 

---

Рис. 1. Схема сверхпроводящего магнитометра с двумя параллельно включенными контактами Джозефсона для измерения напряженности (индукции) магнитного поля.

---

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

---

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