Применения сверхпроводников в измерительной технике

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим.

Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитого поля. В технике применяются, в основном, следующие сверхпроводники:

      Таблица 3.2

Соединение	Tc, K	jc, А/ (Тл), при 4.2 К	Bc, Тл (T, K)
NbTi	9.5-10.5	(3-8)* (5)	12.5-16.5 (1.2) 12 (4.2)
Nb3Sn	18.1-18.5	(1-8)*  (0)	24.5-28 (0)
NbN	14.5-17.8	(2-5)* (18)	25 (1.2) 8-13 (4.2)

 

Существуют детекторы фотонов на сверхпроводниках. В них используется явление критического тока, а также эффект Джозефсона, андреевское отражение и т.п. Так, существуют сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD) для регистрации единичных фотонов ИК диапазона, имеющие ряд преимуществ перед детекторами аналогичного диапазона (ФЭУ и др.), использующими другие способы регистрации

Эффект Мейснера

Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом. В основе эффекта Мейснера лежит явление полного вытеснение магнитного поля из материала при переходе в сверхпроводящее состояние. Объяснение эффекта связано со строго нулевым значением электрического сопротивления сверхпроводников. Проникновение магнитного поля в обычный проводник связано с изменением магнитного потока, которое, в свою очередь создаёт ЭДС индукции и наведённые токи, препятствующие изменению магнитного потока.

Магнитное поле проникает в сверхпроводник на глубину, вытеснения магнитного поля из сверхпроводника определяемую постоянной , называемую лондоновской постоянной:

.                            (6.3)

В 1935 г. братья Лондоны (Фриц и Гейнц) добавили к уравнениям Максвелла уравнение, описывающее условия распространения магнитного поля в сверхпроводниках.

На рисунке показаны линии магнитного поля и их вытеснение из сверхпроводника, находящегося при температуре ниже критической.

 

Рисунок 6.1 Схема эффекта Мейснера

При переходе температуры через критическое значение, в сверхпроводнике резко изменятся магнитное поле, что приводит к появлению импульса ЭДС в катушке индуктивности.

Рисунок 6.2 Датчик магнитного поля, реализующий эффект Мейснера

Данное явление используется для измерения сверхслабых магнитных полей, для создания криотронов (переключающих устройств).

Рисунок 6.3  Устройство и обозначение криотрона

Конструктивно криотрон состоит из двух сверхпроводников. Вокруг танталового проводника намотана катушка из ниобия, по которой протекает управляющий ток. При увеличении управляющего тока возрастает напряженность магнитного поля, и тантал переходит из состояния сверхпроводимости в обычное состояние. При этом резко изменяется проводимость танталового проводника, и рабочий ток в цепи практически исчезает. На основе криотронов создают, например, управляемые вентили.

Квантовый эффект Холла

Квантовый эффект Холла связан с использованием явления сверхпроводимости. Если структура металл-окисел-полупроводник (МОП-структура) охладить до температуры 4,2 К и поместить в сильное магнитное поле с индикацией (6-12) Тл, то на выходе МОП-структуры, называемой холловским контактом, электрическое сопротивление будет изменяться ступенчатым образом. Величина холловского сопротивления (константа К. Клитцинга) Rx= 25812,807 Ом с погрешностью измерений, выполненных за рубежом и в нашей стране, не менее . По зарубежным данным значение соотношения e/h в ближайшее годы будет подтверждено с погрешностью до . В этом случае существенно (как минимум на порядок) уменьшиться погрешность измерения единицы электрического сопротивления.

Соответствующая установка, воспроизводящая размер Ома, включена в состав государственного эталона электрического сопротивления. Другой составной частью эталона является группа из 10 манганиновых катушек сопротивления с номинальным значением 1 Ом, обеспечивающая воспроизведение Ома со средним квадратическим отклонением результата измерений  (по десяти независимым измерениям).

При помещении металла в сильное магнитное поле уровни электронов квантуются (квантование Ландау), изменяются уровни Ферми, что приводит к осцилляции магнитной проницаемости, проводимости.

Это явление заметно проявляется для сверхпроводников в магнитных полях (квантовый магниторезистивный эффект Холла). Суть его заключается в том, что если охладить МОП (металл – окисел – полупроводник) структуру (холловский контакт) до температуры ниже критической, то ее сопротивление в магнитном поле будет изменяться ступенчатым образом.

                               (6.5)

где h = 25812.807 Ом – постоянная Клитцинга.

Рисунок 6.4 Зависимость холловского сопротивления от магнитного поля

Как было замечено Клитцингом, при измерении эффекта Холла в инверсном слое кремниевого МОП транзистора при низких температур (Т ~ 1 K) и в сильных магнитных полях (B > 1 Тл) линейная зависимость холловского сопротивления сменяется чередой ступеней (плато) как показано на Рисунок . Когда на зависимоcти холловского сопротивления Rх наблюдается плато, продольное электрическое сопротивление становится очень малой величиной. При низких температурах ток в образце может течь без диссипации (рассеяния).

 

Эффект Джозефсона

За последние десятилетия для построения эталонов стали применять новые физические эффекты, достаточно изученные физиками: квантовый эффект Джозефсона, квантовый эффект Холла, эффект Мейснера, эффект Мессбауэра и др. особенно важное значение в развитии эталонной измерительной техники, а в будущем и рабочих средств измерений имеют квантовые эффекты Джозефсона и Холла.

В 1932г Мейснер и Хольм в результате исследования проводимости тонкого изолирующего слоя между двумя сверхпроводниками установили наличие туннельного эффекта (исчезает сопротивление тонкого изолирующего слоя). В 1962г Брайан Джозефсон (по поручению Андерсена) теоретически исследовал явление туннелирования в сверхпроводниках, при этом получил основные формулы и предсказал ряд эффектов. При описании данных явлений используется понятие «электронной жидкости». Это квантовое понятие, амплитуда волны возмущения в такой жидкости зависит от плотности электронов. Наличие разности фаз волн приводит к их интерференции. Если фазы волн равны, то их амплитуды суммируются, а если фазы смещены, то суммарная амплитуда уменьшается.

При стационарном эффекте Джозефсона в цепи, состоящей из двух сверхпроводников, разделенных тонким окисным слоем ( ), проходит малый постоянный ток без потери напряжения на туннельном переходе. Величина тока зависит от разности фаз волн, образованных синхронизированными электронными куперовскими парами, т.е. от соотношения плотностей носителей зарядов на границах перехода. Уравнение для тока в цепи перехода при стационарном эффекте имеет вид;

.                             (6.6)

Наложение основной и просочившейся волн определяет значение суммарной амплитуды плотности носителей зарядов в контактирующих сверхпроводниках. При этом разность потенциалов на туннельном переходе равна нулю. 

При прямом нестационарном эффекте в результате приложения к туннельному переходу постоянного напряжения (больше определенного уровня) в переходе происходит генерация высокочастотных колебаний.

При обратном нестационарном эффекте под действием высокочастотного электромагнитного поля на переходе генерируется постоянная ЭДС, не зависящая от влияния внешних дестабилизирующих факторов.

Для тока в цепи перехода при нестационарном эффекте справедливо следующее уравнение:

.                    (6.7)

Выполнив не сложные преобразования можно получить следующие математические соотношения:

                    (6.8)

, ,                       (6.9)

,              (6.10)

где  - квант энергии;  - целое число; D – постоянная Джозефсона.

С увеличением частоты внешнего СВЧ излучения напряжение на туннельном переходе будет изменяться ступенчато.

Рисунок 6.5 Зависимость напряжения на джозефсоновском переходе от частоты внешнего поля

Величина генерируемого при этом постоянного напряжения может составлять всего несколько милливольт, но при последовательном соединении большого числа переходов уровень генерируемого напряжения может измеряться уже в вольтах. Устройства данного типа используются, например, для создания эталона ЭДС. Выходное напряжение такого эталона не зависит от внешних дестабилизирующих факторов и определяется уравнением:

,                                (6.11)

где N – число переходов, включенных последовательно.

Стационарный эффект Джозефсона положен в основу создания высокочувствительного сверхпроводящего квантового интерферометрического датчика, так называемого СКВИДа. 

Под действием измеряемого магнитного поля происходит изменение суммарного тока через два параллельно включенных джозефсоновских перехода, реализующих стационарный эффект. Величина дополнительного сдвига фаз между токами в ветвях контура функционально зависит от измеряемого магнитного поля.

   (6.12)

,         (6.13)

,                            (6.14)

где  - квант магнитного поля.

 

Рисунок 6.6 Структурная схема первичного преобразователя СКВИД

 

Устройства данного типа используются для регистрации сверхслабых магнитных полей (в десятки раз слабее магнитного поля Земли).

Уравнение ВАХ в упрощенном виде можно представить зависимостью вида:

 .                         (6.15)

Ток в измерительной цепи находится в пределах 10 мкА, а напряжение - в пределах 100мкВ (R – сопротивление контакта).

Применение высокотемпературных сверхпроводников в измерительных устройствах позволит кардинально повысить метрологические характеристики измерительных устройств и отказаться от необходимости производить периодическую поверку средств измерений.

Эффект Джозефсона нашел применение для создания переключающих и запоминающих устройств.

Рисунок 6.7 Структурная схема переключающего устройства, основанного на эффекте Джозефсона.

При протекании в цепи тока создается магнитное поле, которое управляет процессом туннелирования зарядов через джозефсоновский переход. К достоинствам устройств, основанным на использовании эффекта Джозефсона можно отнести сверхвысокое быстродействие, низкий уровень рассеиваемой энергии, энергонезависимость хранения информации:

.                           (6.16)

⇐ Предыдущая15161718192021222324Следующая ⇒

Поделиться: