Диссертация (1104396), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Ферромагнитные стены из мю – металлаизготавливаютсяизбольшихпанелей,произведенныхпоспециальнойтехнологии – полосы мю - металла накладываются крест-накрест и скрепляютсяспециальным составом. Проводящая оболочка из алюминия состоит из элементов,скрепленных между собой медными полосами. Вся конструкция собрана на легкомкаркасе. Базовый фактор экранирования для такой конструкции равен примерно 65и растет с ростом частоты.
На частотах свыше 10 Гц внешнее магнитное полеослабляется в 104 раз. Существуют магнитноэкранированные комнаты и сбольшим числом слоёв: комнаты с тремя слоями мю-металла установлены вУниверситете Аалто [38] и Центре Биологических Изображений МассачусетскогоГоспиталя [39]. В Национальном институте метрологии Германии установлены30комнаты с шестью [40] и семью [41] слоями мю-металла. Для комнаты с семьюслоями мю-металла фактор экранирования на сверхнизких частотах составил75000.1.3.2 СКВИД измеренияНаиболее известными проявлениями явления сверхпроводимости являютсяотсутствие электрического сопротивления для постоянного электрического токапри температурах ниже определённой , называемой критической, и явлениевытеснениямагнитногополяизсверхпроводника(эффектМейснера).Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера гласит,что при температурах ниже некоторые электроны образуют так называемыекуперовскиепары.Куперовскиепарымогутбытьописаныодноймакроскопической волновой функцией.
Если два сверхпроводника разделенытонким слоем диэлектрика, то может наблюдаться явление интерференциимакроскопической волновой функции. Этот эффект был предсказан БрайаномДжозефсоном в 1962г [42]. В 1973 году Джозефсону за это была присужденаНобелевская премия по физике.
Эффект Джозефсона возникает за счет связываниядвух куперовских пар. Связывание может быть реализовано различным способами,например, посредством туннельного перехода через барьерный потенциал. Вкаждом случае разность фаз между волновыми функциями куперовских паропределяет сверхпроводящий ток через диэлектрик. Результатом этого, помимопереноса электронов, является нелинейная вольтамперная характеристика, котораянашламножествосверхпроводниковприменяемыхпримененийназываетсяджозефсоновсихвкриоэлектронике.джозефсонскимконтактовТакоеконтактом.этотуннельныесоединениеБольшинствоконтакты,изготовленные по тонкопленочной технологии [43].Из-за эффекта Мейснера магнитный поток Φ внешнего поля черезсверпроводящий виток площади остается постоянным:31(1.3)Φ = ⋅ = Этот магнитный поток квантован:(1.4)Φ = Φ0где – целое число, Φ0 – квант магнитного потока, Φ0 =ℎ2= 2.07 ⋅ 10−15 Вс, ℎ -постоянная Планка, – заряд электрона.Для поддержания постоянного потока Φ , ток продолжает протекатьчерез сверхпроводящий контур, когда изменяется внешнее магнитное поле.
Обаэтих эффекта – сохранение магнитного потока и его квантованность и эффектДжозефсона–составляютосновудлясверхпроводящегоквантовогоинтерфеометра - СКВИДа. СКВИД состоит из сверхпроводящего витка,содержащего 1 или 2 джозефсоновских контакта. По принципу работы СКВИДыделятся на 2 класса: СКВИДы постоянного тока содержат два джозефсоновскихконтакта, высокочастотные СКВИДы – один.
Прикладывая к витку СКВИДа токсмещения , можно измерить напряжение U. Это напряжение зависит от величинывнешнего магнитного поля и, соответственно, от потока. Таким образом, СКВИДявляется преобразователем магнитного потока в напряжение. Схематическоеизображение СКВИДа представлено на рисунке 1.9.Рисунок 1.9 Схема СКВИДа постоянного тока, состоящего из двухджозефсоновских контактов на сверхпроводящем витке с индуктивностью L иплощадью .
Адаптировано из [23].Критические значения тока 1 , 2 для джозефсоновских контактовсущественно меньше критических токов для остального сверхпроводящего витка.32Постоянный ток смещения, прикладываемый к СКВИДу, разделяется междуконтактами согласно формуле (1.5). При изготовлении СКВИДа постоянного токаставится задача получения двух идентичных джозефсоновских контактов, чтонедостижимо. Поэтому в присутствии внешнего магнитного поля, разности фаз наконтактах 1 и 2 отличаются.
В условия симметричных критических токов (1 =2 = 0 ), ток смещения описывается уравнением: = 0 1 + 0 2 ,(1.5)где 1 и 2 – разности фаз макроскопических волновых функций на контактах 1 и2. Изменение внешнего магнитного поля , проходящего через СКВИДперпендикулярно витку площади ведет к возрастанию индукционного тока вследствие сохранения потока. может возрастать только до критическогозначения ( − 0 ), которое в основном зависит от поперечного сечениясверхпроводника.
Если геометрия СКВИДа выбрана таким образом, чтоиндуктивность L витка равна: =Φ0(1.6),то связь между изменением тока и внешним магнитным полем описываетсяуравнением:Φ = = Φ0 + .(1.7)Существует периодическая зависимость между критическим током и внешниммагнитным потоком Φ : (Φ ) = 20 |cos (Φ)|Φ0(1.8)Чувствительность СКВИДа характеризуется изменением критического тока на одном периоде.При приложении постоянного тока смещения, напряжение U междупараллельно соединёнными контактами зависит от внешнего потока как синус сΦ0 .Точная величина внешнего магнитного потока Φ через СКВИД может быть33определена по величине индукционного тока и числу скачков потока. Такимобразом, выходное напряжение U – периодическая функция внешнего магнитногопотока.
Эта функция может быть приведена к линейному виду и измеренаэлектронной системой.СКВИД работает как нуль-детектор в системах, управляемых обратнойсвязью. В СКВИДе поддерживается либо постоянный магнитный поток, либопостоянный индукционный ток. Управляющая электроника СКВИДа подает ввитокток,которыйкомпенсируетизменениемагнитногопотокаилииндукционного тока, и, поддерживает функционирование в фиксированной точкеU - Φ характеристики. Величина тока обратной связи является мерой изменениявходного магнитного потока.
Напряжение, соответствующее этому току, являетсявыходной величиной управляющей электроники СКВИДа. Такая система обратнойсвязи позволяет регистрировать изменения в потоке вплоть до величин в 10−6 Φ0 .Типичные значения основных параметров СКВИДа постоянного токапредставлены в таблице 1.1.Таблица 1.1 Характерные параметры СКВИДаНазвание параметраПлощадь СКВИД чипаИндуктивность СКВИДа LКритический токИндуктивность входного контураТипичное значение3 × 4 мм245 пГн10 − 50 мкА0.8 мкГнПериод входного тока0.4 мкА/_0Ток модуляции20 мкА/_0Выходное напряжениеСопротивлениеБелый шумЭквивалентный шумовой токЭнергетическая чувствительность20 мкВ_ = 1.0 Ом2 − 5 мк_0/√Гц2пА/√Гц9 ⋅ 10−31 Дж/Гц34Для того, чтобы минимизировать шум СКВИДа, связанный с магнитнымпотоком, индуктивность L витка СКВИДа должна быть минимальна.
Это ведет куменьшению площади витка . Поэтому в качестве приемной антенны большойплощадидлярегистрациивнешнихмагнитныхпотоковприменяютсясверхпроводящие трансформаторы потоков.Рисунок 1.10 Схема трансформатора потока, связанного со СКВИДом.Адаптировано из [23].Благодаря своей сверхпроводимости, трансформатор потока не привноситшумов при передаче измеренного магнитного поля с приемного витка на СКВИД.Сверхпроводимость так же гарантирует независимость величины коэффициентаусиления от частоты.Рисунок 1.11 Схема низкотемпературной СКВИД системы постоянного тока суправляющей электроникой.
Адаптировано из [23].35Использование трансформатора потока приводит к увеличению площадидатчика, за счет чего чувствительность СКВИДа можно повысить до несколькихфТл/√Гц. Схема магнитного измерителя на СКВИДе постоянного тока показанана рисунке 1.11.1.3.4 Магнитный градиометр НИЦ Курчатовский институтМагнитный градиометр изготовлен ООО НПО Криотон [44;45].
Приемныекатушки выполнены в виде соосных градиометров второго порядка и расположеныв виде гексагональной структуры с седьмым каналом в центре. Диаметр приёмныхкатушек равен 25 мм, расстояние между осями – 30 мм, база градиометра – 50 мм.Используются СКВИДы постоянного тока производства SUPRACON AG.
Уровеньсобственных шумов прибора не превышает 5фТл/√Гц. Схема приборапредставлена на рисунке 1.12.Рисунок 1.12 Устройство 7-канального магнитного энцефалографа. СКВИДы итрансформаторы потока заключены в трубчатые контейнеры в нижней частиприбора. Контейнеры собраны в гексагональную структуру. Блок управляющейэлектроники расположен в верхней части прибора снаружи. Желтым показанавнутренняя поверхность гелиевого дьюара, серым – наружная. [44]36Для снижения влияния внешних магнитных полей, энцефалограф установленв толстостенной улиткообразной алюминиевой камере. Камера размещена навибрационно-изолированном фундаменте.
Фотография камеры приведена нарисунке 1.13.Рисунок 1.13 Толстостенная алюминиевая камера для магнитных измерений[37].1.3.5 Магнитный энцефалограф CTF MEG Нью-ЙоркскогоуниверситетаДля измерений активности коры головного мозга имеется набор из 275радиально расположенных сенсоров в форме шлема. Система оснащена 29референсыми каналами, предназначенными для устранения шума. Используютсяпланарные СКВИДы постоянного тока, с джозефсоновскими контактами,изготовленнымипо − − 2 3 − технологии.Ниобиевыетрансформаторы потока и катушки обратной связи полностью встроены впланарнуюконструкциюСКВИДа.Катушкиобратнойсвязисоединенысверхпроводящими проводами с приемными катушкой.
Приемные катушкиизготовлены в виде радиальных градиометров первого порядка диаметром 1.8 см,база градиометра равна 5 см. Радиальные градиометры равномерно распределены37по гексагональной решетке на внутренней поверхности шлемообразного концадьюара с жидким гелием, как показано на рисунке 1.14.Рисунок 1.14 Распределение градиометров по внутренней поверхности шлема.Фотография взята из [23].Среднее расстояние между сенсорами равно примерно 2.2 см для 275канальной конфигурации. Длина базы градиометра выбрана таким образом, чтобынаходился оптимальный компромисс между защитой от шума и приёмом сигналадля средних городских условий. Типичные уровни белых шумов системы4– 7фТл/√Гц для частот выше 1 Гц [46].Система CTF MEG включает в себя 29 референсных каналов, расположенныхнад сенсорами, и предназначенных для подавления шумов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
