Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Приборы, устройства и методы функциональной электроники. Учебное пособие
.pdf
1.9. Высокочастотный сквид (ВЧ-сквид)
31
Рис. 1.10. Сигнальная характеристика ВЧ-сквида
Для ВЧ-сквида, работающего, например, на частоте 20 МГц, коэффициент преобразования Кп составляет 25 мкВ/ Ф0. Эта величина имеет
тот же порядок, что и для ПТ-сквида. Из равенства (1.48) видно, что Кп
ВЧ-сквида должен расти с увеличением частоты накачка. Из соображений
простоты конструкции рабочую частоту большинства существующих
ВЧ-сквидов выбирают в диапазоне 20–30 МГц. Увеличение частоты до
300 МГц и выше значительно поднимает Кп. Разработаны сквиды даже с
СВЧ-накачкой (f = 9 ГГц). Однако использование волноводной техники в
таких устройствах делает их малоудобными для широкого применения.
При этом, как видно из рис. 1.11, структурная схема регистрации сигнала
ВЧ-сквида очень схожа с аналогичной схемой для ПТ-сквида, представленной на рис. 1.6. Различие между ними состоит лишь в том, что у
ПТ-сквида контур настроен на частоту модуляции и смещение создается
ГВЧ мегагерцового диапазона частот.
В последнем случае возможно объединение функций генератора
высокой частоты и усилителя в одном автогенераторе, где сквид управляет амплитудой автоколебаний.
В ВЧ-сквиде так же, как и в ПТ-сквиде, применяется дополнительное модулирующее поле на промежуточной частоте (обычно десятки кГц)
и синхронноедетектирование. Совершенно аналогичным образом используется и обратная связь.
Широкое применение ВЧ-сквида связано с появлением очень удачной конструкции такого сквида, предложенной Циммерманом (Ц-сквид) и
показанной на рис. 1.12.
1. Электромагнитные явления в сверхпроводниках
32
Рис. 1.11. Структурная схема регистрирующей аппаратуры
с использованием ВЧ-сквида
В этом приборе используется точечный контакт, образуемый в точке соприкосновения острой оконечности ниобиевого винта с плоским
торцом другого винта, вкрученного навстречу. Оба винта предварительно
покрыты окисной пленкой. Цилиндрическая конструкция выполнена из
единого куска ниобия.
Рис. 1.12. Схематическое изображение конструкции Ц-сквида
Как видно из рис. 1.12, Ц-сквид имеет две петли, замкнутые на
один джозефсоновский контакт, причем петли расположены так, что при
изменении однородного поля токи в них компенсируют друг друга в
слабом звене (туннельном переходе). Поэтому сквид не реагирует на
1.11. Трансформатор потока
33
колебания однородного поля, а значит, лучше он защищен от внешних
магнитных шумов.
1.10. Способы увеличения чувствительности сквидов
Коэффициент преобразования сквида обратно пропорционален L0.
Увеличение KП путем уменьшения индуктивности сквида L
0
имеет предел.
Индуктивность тем меньше, чем меньше дииаметр кольца сквида. Но
сквиды с малым диаметром кольца непригодны для измерения магнитной
индукции B = Ф/S, так как их площадь S слишком мала – единицы квадратных микрон. Существует способ уменьшения индуктивности без
уменьшения площади сквида. Индуктивность катушки из проводника
пропорциональна квадрату числа витков, поэтому наименьшей индуктивностью будет обладать сквид, состоящий из одного витка – петли. Но если
соединить несколько петель, например, n петель, не последовательно, как
в катушке индуктивности, а параллельно, то индуктивность уменьшится в
n раз по сравнению с индуктивностью отдельной петли. Если же эти петли расположить как лепестки ромашки, то чувствительная к полю площадь будет в n раз превышатьплощадь одной петли. Практическое изготовление такого сквида из сверхпровродника требует большого искусства,
и получающаяся конструкция не только сложна, но и довольно громоздка:
для 24 петель она имеет диаметр 5 см и высоту 10 см. Другой способ увеличения чувствительности сквида – применение трансформатора потока.
1.11. Трансформатор потока
Сквид любого типа (ПТ–сквид или ВЧ–сквид) измеряет изменение
потока через площадь кольца. Если необходимо измерять слабые магнитные поля, то казалось бы, площадь желательно иметь возможно большей.
Однако при этом возрастает индуктивность кольца и возникает необходимость учитывать ограничения на индуктивность сквида L0. Во-первых,
для того, чтобы температурные флуктуации с энергией
~ k T
Б
не вызыва-
ли скачков потока в кольце сквида, должно быть
( )
L k T
0 0
2
/
Б
. Во-
вторых, L0 связано с критическим током джозефсоновского контакта
1. Электромагнитные явления в сверхпроводниках
34
условием
L i
0 0кр
~
, а это значит, что для сквида с большей индуктивно-
стью нужен контакт с меньшим
i
кр
. Резкое уменьшение критического
тока обычно приводит к уменьшению стабильности контакта и увеличению шумов. Практически реализуемая максимальная индуктивность
сквида порядка 1 нГн.
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. 1.13). Сигнальная катушка с индуктивностью LC помещается внутри кольца сквида, а приемная катушка LП, которой можно придать любую нужную форму, находится в измеряемом поле.
Форма приемной катушки определяет характер измеряемой величины.
Простая катушка (рис. 1.13,а) измеряет собственно магнитное поле. Если
приемная часть представляет собой две катушки равных площадей, но
навитых в противоположные стороны и разнесенных на некоторые расстояния, то прибор измеряет уже градиент магнитного поля. Если отрезок,
соединяющий центры катушек, параллелен осям катушек, то приемная
часть трансформатора потока измеряет диагональную составляющую градиента поля –
B z
z
/
, а устройство в целом называют диагональным
(рис. 1.13,б) градиометром 1-го порядка или просто градиометром. Если
же база перпендикулярна осям (рис. 1.13,в), то измеряется
B xz/
, и си-
стема представляет собой недиагональный градиометр. Более сложное
устройство, показанное на рис. 1.13,г и представляющее собой как бы два
диагональных градиометра, поставленных друг на друга, но намотанных в
противоположные стороны, называется градиометром 2-го порядка и измеряет величину
22
/ zB
z
.
Так как трансформатор потока – это замкнутая петля из сверхпроводника, магнитный поток в нем остается постоянным. Это означает, что
при изменении магнитного поля в районе приемной катушки Ln в петле
возникает сверхпроводящий ток, протекая по сигнальной катушке Lc,
наводит в сквиде магнитный поток, который и измеряется.
Нас интересует максимальная чувствительность сквида с трансформатором потока к магнитному полю B, т.е. максимизация отношения
1.11. Трансформатор потока
35
скв
л
B
MN S
L L L
n n
n c
=
+ +
, (1.49)
где Sn – площадь приемной катушки трансформатора; Nn – число витков в
ней; Ln, Lc, Lл – индуктивности, соответственно, приемной, сигнальной и
соединительной (двухпроводная линия) частей трансформатора; M – взаимоиндукция между Lc и сквидом.
Рис. 1.13. Трансформатор потока: а – простая проволочная рамка с током;
б – диагональный градиометр; в – недиагональный градиометр;
г – градиометр второго порядка
Учитывая, что
0
LLkM
c
=
, k – коэффициент взаимоиндукции, по-
лучаем, что чувствительность максимальна, когда индуктивность Lc равна
индуктивности остальной части трансформатора
L L
n
+
л
, причем для по-
следней
L L
n
л
. Учитывая, что индуктивность пропорциональна квадра-
ту числа витков (
2
nnn
NL
=
, где λn – индуктивность, отнесенная к одно-
му витку и зависящая лишь от геометрической формы катушки), из уравнения (1.49) получим
–ђ‰
. (1.50)
Видим, что чувствительность не зависит от числа витков приемной
катушки, а увеличение числа витков имеет смысл лишь постольку, поскольку необходимо удовлетворить соотношению
L Ln
л
. Индуктив-
1. Электромагнитные явления в сверхпроводниках
36
ность соединительных проводов Lл зачастую бывает значительной, особенно если поле измеряется на удалении от сквида. Если приемная часть
трансформатора потока представляет собой градиометр, составленный из
"измерительной" и "компенсирующей" катушек, то в уравнении (1.49)
роль Lл начинает играть индуктивность компенсирующей катушки. Эта
индуктивность равна индуктивности приемной катушки, так как обычно
обе катушки геометрически подобны. В результате чувствительность к
магнитному полю уравнения (1.49) уменьшается в 2 раз для градиометра
первого порядка и в два раза градиометра второго порядка. Чувствительность градиометра к магнитному полю определяется для случая, когда
поле приложено лишь к измерительной катушке градиометра, а на его
компенсирующей катушке значительно снижено.
Эффективность передачи трансформатором магнитного потока в
сквид зависит от собственной индуктивности сквида L0, которая в уравнении (1.49) стоит в числителе. Но это не означает, что L0 надо увеличить, т.к.
индуктивность сквида L
0
определяет и коэффициент преобразования Лп
магнитного потока в сквиде в напряжение, который для ПТ-сквида дается
формулой
( )
U R L
I I
/ /
см кр
0
, а для ВЧ-сквида
0
вч
внешвч
/
L
L
k
U
=
.
При использовании трансформатора потока
U B/
растет с убыванием L0
для ПТ-сквида и не зависит от L0 для ВЧ-сквида.
Передача магнитного потока в сквид трансформатором зачастую не
слишком эффективна. Доля переданного потока составляет от 0,5 до 5 %.
Для ПТ-сквидов – примерно 0,5 %. Поэтому преимущество трансформатора потока состоит не в том, что благодаря увеличению площади приема
увеличивается чувствительность, а в том, что оказывается возможным
измерение поля на удалении от сквида, и не только самого поля, но и тех
или иных его пространственных производных.
1.12. Сравнительная характеристика ПТ- и ВЧ-сквидов
Отметим сначала то, в чем ПТ- и ВЧ-сквиды совершенно одинаковы.
1. Сквид измеряет магнитный поток через площадь его кольца.
2. На практике индуктивность кольца сквида не превышает 1 нГн.
1.12. Сравнительная характеристика ПТ- и ВЧ-сквидов
37
3. Существует оптимальное соотношение между индуктивностью
сквида и критическим током джозефсоновского перехода
00
LI
m
(для
ПТ-сквида –
00
2 LI
m
, так как в нем два перехода).
4. Выходной сигнал сквида строго периодичен по величине прило-
женного магнитного потока с периодом Ф0.
5. Для увеличения площади приема магнитного потока или для из-
мерения полей определенной конфигурации сквид может применяться с
трансформатором магнитного потока.
6. Для уменьшения влияния помех используется дополнительная
модуляция магнитного потока в кольце сквида с последующим синхронным детектированием на частоте модуляции.
7. Использование обратной связи позволяет линеаризовать зависи-
мость выходного сигнала от внешнего магнитного поля.
Различия ПТ- и ВЧ-сквидов сводятся лишь к способу электрической регистрации сигнала от сквида.
ВЧ-сквид.
1. ВЧ-сквид выгодно использовать с возможно большей частотой
накачки.
2. На F
МОД
кроме того, что она должна быть заметно выше харак-
терных частот измеряемых магнитных сигналов, наложено условие и
сверху:
QFF /
вчмод
, где Q – добротность РЧ контура.
3. Для увеличения чувствительности необходимо повышать Q и
подстраивать коэффициент связи k со сквидом в соответствии с Q по
формуле k2Q 1.
ПТ-сквид.
1. Высокая чувствительность ПТ-сквида при низком уровне шума
может быть обеспечена при работе на сравнительно низких частотах.
2. F
МОД
должна быть выше частот измеряемых сигналов.
3. Резонансный контур подключается параллельно сквиду.
Основное отличие ПТ- и ВЧ-сквида состоит в том, что регистрирующая электроника ПТ-сквида работает в более удобном диапазоне
частот 0,1–1,0 МГц, при этом паразитные связи между элементами сказываются слабее. В приборах с ПТ-сквидом не возникает проблем, свя-
1. Электромагнитные явления в сверхпроводниках
38
занных со сравнимостью длины волны поля и размера прибора, что характерно для сантиметрового диапазона длин волн (в случае ВЧ-сквида), где
приходится прибегать к более сложной волноводной технике. К достоинствам ВЧ-сквида относится сравнительная простота его изготовления.
Выводы
В данном разделе расмотрены электромагнитные явления, проис-
ходящие в материалах, находящихся в сверхпроводящем состоянии. Описаны радиофизические измерительные устройства, построенные на эффектах, связанных со сверхпроводимостью. Данный раздел посвящен вопросам криогенной электроники, основывающейся на понижении при
криогенных температурах энергии носителей зарядов. При этом, как показано в данном разделе, в имеющихся разработках обеспечивается усиление сигналов при весьма низком уровне собственных шумов усилителя, а
также возможность выполнения логических операций с чрезвычайно низкой мощностью переключения и высоким быстродействием (приборы на
основе эффекта Джозефсона). Интерес к криогенной электронике особенно возрастает в связи с появлением высокотепературных сверхпроводников, и эта область функциональной электроники находится на этапе бурного развития.
2.1. Магнитные материалы
39
2. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
МАГНИТНЫХ ДОМЕНОВ
2.1. Магнитные материалы
2.1.1. Понятие о ЦМД в тонких магнитных пленках
Магнитоупорядоченные тела, как правило, обладают доменной
структурой. В каждом из доменов намагничение практически постоянно и
по величине, и по направлению. При переходе от одного домена к другому направление намагниченности резко меняется. В тонких пленках, помещенных во внешнее магнитное поле, обычная полосовая структура становится неустойчивой и домены, в которых намагниченность направлена
против поля, распадаются на "капли" круговой формы. В одноосных магнитных пленках этим "каплям" соответствуют прямые круговые цилиндры, "прорастающие" через всю пленку с намагниченностью внутри цилиндра, направленной против внешнего поля.
Замечательными особенностями этих доменов, называемых в отечественной литературе цилиндрическими магнитными доменами, а в зарубежной – "bubbles" (пузырьки), являются их высокая подвижность, малые размеры (до долей микрона), наличие между ними центральных сил
взаимодействия, приводящих к образованию правильных гексагональных
решеток доменов и существованию специфических колебаний в таких
системах, обусловленных возможностью перемещения доменных границ
в тонкой магнитной пленке, и т.д. Во многих отношениях ЦМД ведут себя
подобно двумерным взаимодействующим частицам, обладающим внутренней структурой; движение их в ряде случаев описывается уравнениями, аналогичными урaвнениям мехaники зaряженных чaстиц во внешних
мaгнитных электрических полях при нaличии трения. Причем величинa
этого "зaрядa" легко вычисляется при известном рaспределении нaмaгниченности в грaнице домена. Существуют тaкже отличия в поведении
ЦМД, обусловленные сложной структурой доменных грaниц и возможностью обрaтимо изменять свою форму и рaзмеры в определенных пределaх
при движении и воздействии внешних фaкторов.
Эти свойства ЦМД используются для передaчи и зaписи информaции в ЭВМ и других устройствaх вычислительной техники [9–14].
2. Элементы физики цилиндрических магнитных доменов
40
2.1.2. Доменная структура
Распределение самопроизвольной намагниченности в магнитных материалах имеет вид так называемой доменной структуры или структуры
областей самопроизвольной намагниченности. Векторы самопроизвольной
намагниченностидоменов направлены вдоль осей легкого намагничивания.
В случае магнитоодноосного кристалла, когда имеется только одна ось легкого намагничивания, в размагниченном состоянии весь объем кристалла
будет разбит только на две группы доменов. Направления векторов самопроизвольной намагниченности в этих группах доменов противоположны.
Каждая из этих групп доменов называется магнитной фазой.
2.1.3. Междоменные границы
При возникновении доменов в магнитных материалах образуются
междоменные границы. Эти границы представляют собой переходной
слой конечной толщины, в котором ориентация спиновых магнитных моментов (ориентация самопроизвольной намагниченности) изменяется от
их направления в одном домене до направления самопроизвольной
намагниченности в другом, соседнем домене.
Рис. 2.1. Междоменная граница
В простейшем случае междоменная граница разделяет два домена с
антипараллельными векторами намагниченности (рис.2.1). В объемах
этих доменов самопроизвольная намагниченность однородна, следовательно, выполняется условие минимума обменной энергии W0Э (энергия
электростатического взаимодействия электронов в магнитных материалах) и энергии магнитной кристаллографической анизотропии WК.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]