3.4.4. Магнитометрические системы
В магнитометрию высокого разрешения входят приборы и методы исследований, позволяющие получить картину распределения магнитного полянад поверхностью исследуемого объекта с пространственным разрешением от долей микрометра до единиц миллиметров. Диапазон регистрируемых магнитных полей варьируется от нескольких тесла до долей пикотесла! Наряду с такими известными методами отображения магнитных полей, как магнитооптика и магнитное декодирование в последнее время появилась сканирующая магнитная микроскопия (ССМ), использующая магнитный силовой микроскоп и на основе микродатчиков Холла. В 90-х годах разработана и реализованы сканирующие микроскопы, в которых в качестве чувствительного элемента используют СКВИДы.
В сканирующих магнитометрахна основе СКВИДов образец перемещается в плоскости X-Yотносительно СКВИДа, при этом СКВИД измеряет нормальную к поверхности образца компоненту магнитного поля. Во время сканирования выходной сигнал СКВИДа регистрируется в зависимости от текущих координат и преобразуется при помощи компьютера в двумерное или трехмерное изображение распределения магнитного поля. Чувствительность по магнитному полю и пространственное разрешение ССМ являются взаимосвязанными и определяются размерами СКВИДа и расстоянием между СКВИДом и образцом. Оптимальное соотношение параметров достигается в том случае, когда образец находится от СКВИДа на расстоянии, приблизительно равном размеру петли СКВИДа. ССМ могут работать в полях подмагничивания до 104А/м, имеют широкий (0...200 кГц) частотный диапазон. Специальные схемы регистрации сигналов СКВИДа позволяют расширить этот диапазон до десятков гигагерц.
Первый сканирующий СКВИД – микроскоп был построен в начале 80-х годов в компании IBM. В 1984 г. разработки были приостановлены в связи с сокращением программы по созданию сверхпроводящего компьютера и в начале 90-х были возобновлены в Иллинойсе в связи с успехами технологии ВТСП тонкопленочных микроСКВИДов. Первый ССМ на основе ВТСП СКВИДа дал возможность получить разрешение порядка 50 мкм (1993 г.).
Сочетание высокой чувствительности с пространственным разрешением в единицы микрометров позволяет исследовать с помощью ССМ малоразмерные и слабомагнитные объекты. Достоинством ССМ является и возможность проводить количественные измерения магнитных полей.
Конструктивно ССМсостоит из нескольких основных узлов: СКВИД-датчика, СКВИД-электроники, криостата, системы магнитных экранов, механизма перемещения образца и персонального компьютера, обеспечивающего сбор данных и управление работой ССМ. Функциональная схема ССМ приведена на рис. 3.23.
Рис. 3.23. Функциональная схема ССМ: 1 – шаговые двигатели; 2 – электроника СКВИДа; 3 – магнитные экраны; 4 – криостат с жидким азотом; 5 – криогенная штанга со СКВИДом и механизмом перемещения образца; 6 – блок электроники; 7 – АЦП; 8 – компьютер
Современные ВТСП ПТ – СКВИДы изготавливают в основном по однослойной технологии на основе пленок Y-123. Пленку наносят на бикристаллическую подложку из титаната стронция, сваренного из двух кристаллов с различной ориентацией кристаллографических осей. Д-переходы формируют на границе кристаллов в узких (1...5 мкм) сверхпроводящих мостиках, пересекающих сварной шов подложки. В настоящее время ВТСП СКВИДы несколько уступают по чувствительности их низкотемпературным аналогам. Типичные значения шумового потока ВТСП СКВИДов составляют 7...10 мкФо/Гц. Для регистрации сигналов СКВИДа используют модуляционную потокозапирающую электронную схему (рис. 3.24).
На СКВИД 1 падают постоянный ток смещения Iсм, величина которого превышает суммарный ток Д-контактов, а с генератора 6 в катушку 7 вводят переменный ток (100...500 кГц). Создаваемый катушкой поток подмагничивания и постоянный поток смещения Фсмподводят к СКВИДу. СКВИД соединяют с усилителем 3 через трансформатор 2. После предварительного усиления сигнал СКВИДа регистрируют синхронным детектором 4 и подают на интегратор 5. Выходным сигналом в этой схеме является напряжениеV, связанное с регистрируемым потоком соотношением:
ΔV ≡ΔФ(Roc/M), (3.53)
где М– коэффициент взаимной индукции между катушкой 7 и СКВИДом 1.
Рис. 3.24. Функциональная схема СКВИД-электроники: 1 – СКВИД; 2 – согласующий трансформатор; 3 – предварительный усилитель; 4 – синхронный детектор; 5 – интегратор; 6 – генератор; 7 – катушка обратной связи
Такая схема позволяет измерять изменения потока в интервале от десятков мкФо до сотен Фо. Частотный диапазон лежит в пределах от 0 до десятков кГц, максимально отслеживаемая скорость изменения потока – 106Фо/с.
Разработано несколько температурных групп ССМ: для 4,2 К (гелий), для 77 К (азот), для 300 К. В ССМ последней группы ВТСП СКВИД помещен в жидкий азот, а образцы находятся при комнатной температуре, что позволяет исследовать биологические и другие объекты, не подлежащие глубокому охлаждению.
В 1997 г. был разработан ССМ, в котором совместно со СКВИДом использована магнитомягкая иглаповышения пространственного разрешения. Игла располагается между СКВИДом и образцом и является магнитопроводом, воспринимающим вариации магнитного потока вблизи образца и передающим его к петле СКВИДа. Как показала экспериментальная оценка, пространственное разрешение, определяемое острием иглы составляет примерно 100 нм, что сравнимо с разрешением магнитного силового микроскопа, но значительно превышает его чувствительность.
В табл. 3.4 для сравнения представлены основные параметры ССМ, разработанных в стране и за рубежом.
Таблица 3.4