СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАГНИТОМЕТРЫ

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАГНИТОМЕТРЫ, квантовые магнитометры, действие которых основано на Джозеф-сона эффекте. Чувствительность С. м. достигает 10^-9 гс (10^-13тл), а при измерениях градиента магнитного поля ~ 10^-10 гс/сл (10^-12тл/м). Чувствительный элемент С. м. (сокращённо ЧЭ) представляет собой электрич. контур из сверхпроводника с контактами Джо-зефсона (ими могут быть разделяющие сверхпроводник тонкие, ~ 10 А, плёнки изолятора, точечные контакты и т. п.). ЧЭ реагирует на изменение напряжённости (индукции) магнитного поля, пронизывающего сверхпроводящий контур. На рис. 1 приведена схема С. м., ЧЭ к-рого содержит два идентичных контакта Джозефсона, включённых параллельно в цепь источника постоянного тока. Ток, разрушающий сверхпроводимость в ЧЭ (I^к_с), зависит от электрич. характеристик контактов и величины магнитного потока Ф, пронизывающего контур:

I^к_с= 2I_с |cosпФ/Ф_О|, где Фо = 2-10^-7гс*см² - квант магнитного потока (магнитный поток через сверхпроводящий контур квантуется, см. Сверхпроводимость),I_с - ток разрушения сверхпроводимости каждого из контактов (критический ток) -должен быть мал (I_с ~ Фо/L, где L -индуктивность контура). С изменением потока Ф ток I^к_с в контуре испытывает осцилляции (рис. 2). Ток I^к_сдостигает макс. значения всякий раз, как только изменяющийся поток Ф оказывается равным целому числу квантов потока Фо, т. е. период осцилляции равен кванту магнитного потока. Если через ЧЭ протекает постоянный ток ~ I^к_с, то электрич. напряжение на контуре также периодически зависит от Ф. По числу осцилляции можно определить Ф, а зная площадь S сверхпроводящего контура, найти напряжённость Н исследуемого магнитного поля (Н = Ф/S).

Рис. 1. Схема сверхпроводящего магнитометра с двумя параллельно включёнными контактами Джозефсона для измерения напряжённости (индукции) магнитного поля.

Обычно для повышения надёжности работы С. м. в контуре дополнительно возбуждают периодич. магнитное поле модуляции. Возбуждаемое переменное поле имеет амплитуду <=% Фо/2S. При наличии поля модуляции на контуре появляется переменное напряжение, фаза к-рого изменяется прямо пропорционально внешнему полю Н. Измерит. блок С. м. выполняет функции усиления переменной составляющей напряжения на контуре и выделения изменения фазы.

Рис. 2. Запись осцилляции тока, текущего в сверхпроводящем контуре с двумя параллельными контактами Джозефсона.

На выходе измерит. блока получают сигнал, пропорциональный изменению фазы, а следовательно, значению Н. С. м. изготовляют также с источниками (генераторами) переменного тока частотой 10⁷-10⁹ гц и с одним контактом Джозефсона в ЧЭ (рис. 3). Ток в ЧЭ возбуждается индуктивно посредством резонансного контура, настроенного на частоту генератора. Одновременно переменный ток низкой частоты (~10³ гц), протекающий через тот же контур, осуществляет модуляцию магнитного поля в ЧЭ. Вольт-амперная характеристика ЧЭ нелинейна относительно магнитного поля, к-рое пронизывает контур. Поэтому фаза низкочастотной модуляции изменяется в зависимости от величины внешнего (исследуемого) магнитного поля. К ЧЭ внешнее поле подводится трансформатором магнитного поля, к-рый состоит из приёмной петли и катушки, индуктивно связанной с ЧЭ (материалом для обмотки трансформатора служит сверхпроводя-щая проволока, передача потока происходит без потерь). В С. м. рассматриваемого типа трансформатор имеет две входные петли, включённые навстречу друг другу. При таком включении петель ЧЭ реагирует на градиент поля и является градиентометром. Измерительный блок С. м. осуществляет усиление модулированного высокочастотного сигнала и его детектирование. В результате выделяется сигнал низкой частоты, фаза к-рого пропорциональна измеряемому градиенту поля.

Рис. 3. Схема сверхпроводящего магнитометра для измерения градиента магнитного поля (градиентометра).

Очень высокая чувствительность С. м. позволила осуществить с их помощью ряд тонких экспериментов: уточнить значения физических постоянных, продвинуть измерение электрич. напряжения в область значений 10^-14 в, зафиксировать магнитокардиограммы человеческого сердца и др.

Лит.: Фейнман Р., Лейтон Р., С э н д с М. Фейнмановские лекции по физике, [пер. с англ.], т. 9, М., 1967; Кларк Д ж., Низкочастотные применения сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств, "Тр. Ин-та инженеров по электронике и радиоэлектронике", 1973, т. 61, № 1, с. 9; Заварицкий Н. В., Ветчинкин А. Н., Установка СКИМП, "Приборы и техника эксперимента", 1974, № 1.

Н. В. Заварицкий,