Контрольные вопросы

1. Как работает СКВИД?

2. Опишите, как влияет магнитное поле на работу СКВИДА?

3. Опишите типовую логику на основе СКВИДов.

4. Поясните работу измерительных приборов на основе СКВИДов.

5. Объясните принцип работы СКВИД – магнетометра.

6. Объясните принцип работы СКВИД – градиентометра.

7. Опишите конструкцию СКВИД – микроскопа.

8. Расскажите, как работает СКВИД – кардиомонитор.

3.5. Магнитные экраны

В настоящее время необходимость прецизионных магнитных измеренийвозникает в самых различных областях науки и техники. Все более чувствительные и точные магнитометрические приборы применяются в самых различных отраслях. Однако проведение высокоточных магнитных измерений, исследования и испытания высокочувствительных магнитометрических приборов и устройств, а также их эксплуатация в сильной степени затруднены, а во многих случаях и невозможны из-за высокого уровня магнитных помех. Помехи эти создаются самыми разными источниками: естественными вариациями магнитного поля Земли, электромагнитными полями промышленных установок, линиями электротяги и транспорта и т.д. Например, в лаборатории, расположенной в пределах промышленного города, уровень магнитных полей в среднем составляет 0,4 – 0,6 А/м, в то время как предельная чувствительность большинства магнитометров лежит в пределах 10^-8– 10^-3А/м. Отсюда видно, насколько важное значение приобретают усилия, направленные на решение проблеммагнитной защиты, на создание магнитных экранов, частично или полностью поглощающих магнитные помехи.

Различают три основных способа экранирования магнитных полей. Первый способ – использование экранов из ферромагнитных материалов. Второй способ –компенсацияпостоянных и изменяющихсямагнитных полей: с помощью системы катушек с током, расположенных оптимальным образом вокруг защищенного объекта, создаются магнитные поля, противоположные полям помехи с той же напряженностью. Третий способ –использование экрановиз сверхпроводниковых материалов (НТСП или ВТСП). Действие экранов основано на фундаментальных законах: эффекте Мейсснера, нулевом электрическом сопротивлении, законе сохранения магнитного потока.

Ферромагнитные экраныимеют собственные высокие магнитные шумы, сильные остаточные магнитные поля. Способ компенсации и стабилизации полей дает магнитный коэффициент ослабления (до 50 дБ), сложен в реализации и эффективен только на низких (0,1-10 Гц) частотах. Применение сверхпроводящих (СП)экрановобеспечивает в настоящее время решение практически всех задач по экранированию постоянных и изменяющихся магнитных полей.

Основными характеристиками СП экранов являются коэффициент экранированияS,коэффициент ослабленияК, абсолютнаяdH_i/dtи относительная 1/H_idH_i/dtстабильности остаточного поля, абсолютнаяоднородность остаточного поля– ∆H_i.

Коэффициент экранированияхарактеризует степень ослабления внешнего поля, проникающего в экранируемый объем через открытые концы и отверстия СП экрана, и равен отношению изменения напряженности внешнего поля ∆H_eи изменению напряженности внутреннего поля, измеренному в центре экранируемого объема:

S= ∆H_e/∆H_i. (3.54)

Различают коэффициенты экранирования продольного (вдоль оси экрана) S_││и поперечногоS _│ поля.

S_││ = ∆H_e││ / ∆H_i││;S _│ = ∆H_{e │} / ∆H_{i │} . (3.55)

Коэффициент ослабления К экрана связан с выталкиванием поля из полости экрана при его переходе в сверхпроводящее состояние и захватом части магнитного потока в виде замороженных магнитных полей в полости экрана. Коэффициент равен отношению напряженности постоянного остаточного поля H_i в центре экранируемого объема:

K=H_e/H_i. (3.56)

Для продольной и поперечной компонент поля можно записать:

K_││ =H_e││/H_i││;K _│ =H_{e │} /H_{i │} . (3.57)

Абсолютная однородностьостаточного магнитного поля ∆H_i (градиент поля) характеризует пространственное изменение напряженности поля на единицу длины:

∆H_i = (H_i2 –H_i1 ) /L, (3.58)

где L– расстояние между точкамиlи 2 поля.

Относительная однородностьостаточного поля равна отношению абсолютной однородности поля к среднему значению напряженности остаточного поляH_i:

δH_i =ΔH_i /H_i. (3.59)

Абсолютная стабильностьостаточного поля характеризует максимальное изменение напряженности поля за единицу времениdH_i/dt, аотносительная стабильностьполя равна отношению абсолютной стабильности к среднему значению напряженности остаточного поля 1/H_i dH_i /dt.

Существование эффекта Мейсснераибесконечной проводимостидают возможность использовать сверхпроводники для экранирования изменяющихся магнитных полей: изменение внешнего магнитного поляH_e <H_ec приводит к появлению незатухающих токов. Эти токи будут циркулировать таким образом, что создадут магнитный поток, плотность которого в каждый момент времени повсюду внутри сверхпроводника или сверхпроводникового экрана точно равна по величине и противоположна по знаку плотности потока внешнего поля. Общее изменение магнитного потока в экранируемом объеме будет равно нулю.

Как уже было отмечено (п. 1.2), сверхпроводящий ток течет в поверхностном слое. Используя второе уравнение Максвелла, можно записать выражение для плотности тока:

j=H_e (0)exp(-z /λ_L), (3.60)

где λ_L– лондоновская глубина проникновения;

z– расстояние от поверхности;

H_e (0) – напряженность поля на поверхности.

Из выражения (3.45) следует, что при z >>λ_LH_e → 0, то есть полностью закрытый СП экран со стенкой, толщина которой значительно больше лондоновской глубины, обеспечивает чрезвычайно высокое экранирование магнитного поля. Если учесть, что для НТСП материаловλ_L ≈ 10^-6–10^-5м, а для ВТСП материаловλ_L≈ (2-3)·10^-6м, можно говорить об абсолютном экранировании поля стенками экрана толщиной в доли миллиметра: внешние магнитные поля могут проникать в экранируемую область только через входные отверстия.

Чаще всего применяются экраны в виде полого цилиндра, пологоцилиндра с дноми в видесферыс круглым отверстием. Опуская промежуточные выкладки, приведем выражение, описывающее зависимость напряженности магнитного поля внутри экрана от величины, ориентации внешнего поля и координат для изменяющихся магнитных полей.

Для полого цилиндра с открытыми концами можно записать:

, (3.61)

где l=L/2,L-длина цилиндра;

k – коэффициент, зависящий от угла между осью экрана и напряженностьюH_e;

z – текущая координата, совпадающая с осью экрана, в центреz=0;

d – диаметр экрана.

Для полого цилиндра с дном можно записать:

, (3.62)

. (3.63)

Для сферического экрана с дном коэффициенты экранирования поля зависят от диаметра, диаметра отверстия и координаты достаточно сложным образом. Поэтому мы не приводим здесь таблицу определения коэффициентов и отсылаем читателя, например, к [26].

Экранирование постоянных магнитных полей основано на тех же эффектах. В большинстве случаев постоянным полем является поле Земли (50·10^-6Тл). В этом случае экранируемое поле мало, но присутствует повсеместно. Если в материале экрана имеются неоднородности (дефекты, механические напряжения, примеси и т.д.), то при охлаждении на сверхпроводимость в поле Земли в стенках экрана могут оказаться “замороженные” магнитные потоки. Замороженный поток определяет остаточное магнитное поле, особенно это относится к керамическим ВТСП материалам.

Вопрос о том, как и в какой мере различные физические факторы (внешнее поле, частота материала, дефекты примеси, поверхностные деформации, форма дна) вызывают в сверхпроводниковом экране отклонения от идеальных свойств очень сложен и в общем виде еще не решен. Существуют эмпирические кривые, построенные на основе экспериментальных исследованиях, которыми и можно воспользоваться при проектировании криоэлектронных устройств (например, [16]).

Как низкотемпературные, так и высокотемпературные экраны различной формы выполняются в объемном или пленочном варианте. В случае применения ВТСП материалов необходимо помнить об их сложной структуре и возможности образования “слабых” участков, где может проникнуть или быть замороженным магнитный поток.