ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Трансформатор потока из "Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм" индуктивность пропорциональна площади сечения 5 и убывает с ростом длины. Однако это не означает, что для уменьшения индуктивности сквида его следует делать бесконечно длинным. Дело в том, что по образующей трубы должен существовать разрез, замкнутый в одной точке джозефсоновским контактом, служащим концентратором тока (рис. 7). Поэтому формула (1.18) становится неприменимой, и в практических устройствах используется цилиндрическая геометрия с I / г 5- ю. Такое отношение характерно и для сквида Циммермана [10], и для определенных типов ВЧ- [34] и ПТ-сквидов [16], и для тороидальных сквидов [12, 14]. Площадь сечения кольца у них около 4 мм . [c.27] Для приема сигнала с большей площади сквид используется со специальным входным устройством, называемым трансформатором потока. Он представляет собой замкнутую петлю из сверхпроводника, свитую в двух местах в катушки (рис. 8). Сигнальная катушка с индуктивностыр с помещается внутрь кольца сквида (при этом необходимо обеспечить возможно больший коэффициент связи к), а приемная катушка которой можно придать любую нужную форму, находится в измеряемом поле. [c.28] Чувствительность пропорциональна площади сечения измерительной катушки 5 п, однако безгранично увеличивать ее нельзя - с одной стороны, потому, что часто требуется измерять поле в небольшом объеме, а с другой стороны — из-за неявного ограничения, даваемого формулой (1.20). Дело в том, что увеличение 5 п приводит к увеличению а значит, по условию согласования, и с- При сильном же увеличении уже не удается обеспечить достаточный коэффищ1ент связи к между сигнальной катушкой и сквидом. Практически это означает, что в отверстии сквида не удается разместить достаточно большую сигнальную катушку. Эта проблема особенно остро стоит для напыленных плоских ПТ-сквидов, о чем будет сказано ниже. [c.30] Расчеты этих непроволочных трансформаторов потока проводились при разработке семиканального магнитоэнцефалографического прибора в Низкотемпературной лаборатории Технического университета Хельсинки [39, 40]. Была показана эффективность передачи потока в тонкопленочный сквид с помощью цилиндрического тела из ниобия длиной 20 мм и диаметром 10 мм с внутренним отверстием большего диаметра, постепенно сужавшимся до размера кольца сквида диаметром 0,5 мм. Чтобы такое тело работало как концентратор потока, его внутренний объем должен сообщаться с внешним пространством через тонкую щель, прорезанную по образующей цилиндра. [c.30] Для ВЧ-сквидов доля переданного потока составляет 0,05- 0,005 [32]. Поэтому преимущество трансформатора потока состоит не в том, что благодаря увеличению площади приема увеличивается чувствительность, а в том, что оказьгоается возможным измерение поля на удалении от сквида, и не только самого поля, но и тех или иных его пространственных производных. Последнее очень существенно как один из способов защиты от помех, о чем будет сказано ниже. [c.31] Здесь )1 = (1 + 2Ь с) а А (ш) и К (т) — полные эллиптические интегралы первого рода с параметром т. [c.33] В принципе эта формула эквивалентна (1.24), в которой к тому же учтено проникновение поля на глубину X в сверхпроводник. Это означает, что экранирующий слой сверхпроводника на рис. 96 превращает петлю сквида как бы в пару двухпроводных линий. [c.33] Приведенные формулы применимы и для расчета приемных катушек трансформатора потока. [c.33] Имеется и другой подход к задаче улучшения связи между тонкопленочным сквидом и трансформаторам потока. Сквид, изготовленный на стандартной кремниевой подложке, комбинируется с объемной деталью из сверхпроводника, которая, будучи прижата к напыленным элементам сквида и образуя с ними сверхпроводящий контакт, становится частью петли сквида. Получающийся так называемый гибридный сквид обладает хо рошими эксплуатационными характеристиками и надежностью, позволяющими производить такие сквиды на рынок [12]. По сути дела это естественное развитие ранних тороидальных сквидов, в которых точечный контакт заменен на более надежный и воспроизводимый тонкопленочный джозефсоновский контакт, изготовленный по микроэлектронной технологии. Используя два джозефсоновских контакта, можно изготовить гибридный сквид постоянного тока [45] (как уже отмечалось, это трудно сделать на точечных контактах). В результате все преимущества плоского ПТ-сквида удается совместить с тороидальной структурой приемной петли. Это позволяет использовать обычную проволочную сигнальную катушку трансформатора потока. Гибридный сквид представляет собой промежуточный этап в переходе от массивных сквидов с точечным контактом и проволочным трансформатором потока к сквид-приборам, полностью изготовленным технологией напыления. [c.34] Здесь первые скобки содержат плотность энергии магнитного поля на единицу полосы частот, а вторые объем сквида. Таким образом, е является энергетической мерой чувствительности сквида, показывающей, какое минимальное изменение магнитной энергии в сквиде может быть им обнаружено (при измерении в единичной полосе частот). Эта величина имеет размерность действия, поэтому может измеряться в постоянных Планка к. У лучших сквидов с очень малой индуктивностью величина е приближается к квантовому пределу, [20, 26, 27]. Но эти приборы малопригодны для измерения внешних полей в силу малости размера приемной петли (десятки микрон). Такой сквид слабо связан с внешним полем. [c.35] Мы рассматривали до сих пор только так называемый белый шум , мощность которого не зависит от частоты. Шум такого типа весьма обычен в разнообразных физических приборах и хорошо объясняется хаотическим тепловым движением электронов. Но существует и другая заметно проявляющаяся в сквидах компонента. Это так называемый фликкер-шум или 1//-шум . Его спектральная мощность изменяется обратно пропорционально частоте /, т.е. шум становится значительным при низких частотах. Природа такой зависимости неясна, хотя в основе ее лежит, по-видимому, какой-то пока не известный универсальный закон, так как зависимостью 1// характеризуются такие, казалось бы, не связанные друг с другом явления, как токи в электронных лампах и интенсивность уличного движения, сопротивление тонких пленок и высота тона музыки, уход астоты кварцевого генератора и средние сезонные температуры [50]. [c.36] С понижением частоты растет как 1// и геомагнитный шум, в котором эта зависимость начинает превалировать при частотах ниже 1 Гц (см.рис. 1) [51]. Этот факт следует иметь в виду, и мы к нему вернемся в дальнейшем. [c.36] Разработчики фирмы SHE сумели в 10 раз понизить спектральную плотность 1//-шума для своего ПТ-сквида, применив вместо постоянного тока смещения ток, меняющий полярность с частотой 500 кГц. Этот прибор получил название Dynabias d SQUID [12], 1//-шум проявляется в нем при частотах ниже 0,1 Гц. [c.37] Обратим внимание на то, что в формулах (1.33) - (1,35) шумы сквида убывают с понижением температуры. Аналогичное утверждение справедливо и для 1//-шума. Это означает, что принципиально возможно понизить порог чувствительности сквида путем понижения его температуры - сейчас практически доступны температуры до 0,01 К вместо обычных 4,2 К. С другой стороны, поскольку высокая чувствительность сквида является следствием не только его слабой сверхпроводимости, но и низкой температуры, то сквид, изготовленный из высокотемпературного сверхпроводника и работающий при температуре заметно выше гелиевой, будет обладать и большими шумами. [c.37] Влияние температурных флуктуаций на работу сквида определяется параметром 7 =/кр о/(2тт б ), типичное значение которого у современных сквидов примерно равно 25 [25], а у наиболее чувствительных достигает 1000 [20]. С уменьшением 7 связано сглаживание нелинейностей на вольт-амперной характеристике ПТ-сквида (скругления на рис. Ъа) и на ступенчатой характеристике ВЧ-сквида (плавные границы ступенек на рис. 66). При 71 происходит полное сглаживание, и квантовая интерференция не наблюдается. [c.37] Рассмотренные собственные шумы сквида принципиально ограничивают чувствительность магнитометрического прибора, однако реальный шум прибора в целом обычно выше, так как имеются дополнительные источники шума, связанные с регистрирующей электронной аппаратурой. Наибольший вклад дают шумы усилителя, которые, однако, как показывает практика, могу г быть сделаны меньше собственных шумов сквида, если использовать во входном каскаде низкошумящие полевые транзисторы. В случае ВЧ-сквида радиочастотный контур дает дополнительный шум, который может оказаться доминирующим, так как значительная часть контура находится при температурах Bbvue гелиевой, включая комнатную. Можно значительно уменьшить и этот вклад в шум, применив предусилитель, работающий рядом со сквидом, т.е. при низкой температуре [23]. При правильном проектировании прибора в целом его суммарный шум определяется только шумом сквида. Конечно, имеются еще и внешние источники шумов борьбе с этими шумами посвящена гл. 3. [c.37] Здесь Я и ЯЬ суть радиусы витков, а - расстояние между центрами. Подавая ток в калибровочную петлю и подсчитывая количество квантов потока проникших в сквид (см. рис. Ъв и 6в) в режиме без обратной связи, получаем величину передачи трансформатором магнитного поля в сквид ДФскв/А внешн формулы (1Л9), (1.20). Аналогично измеряется величина Э внешн малых сигналов без обратной связи и для произвольных - с обратной связью. Пользуясь этой величиной, определяют магнитные шумы по шумовому сигналу на выходе электро ники сквида. [c.38] Вернуться к основной статье