Сверхпроводящие магнитометры
Сверхпроводящие магнитометры, квантовые магнитометры, действие которых основано на Джозефсона эффекте. Чувствительность С. м. достигает 10-9 гс (10-13 тл), а при измерениях градиента магнитного поля ~ 10-10 гс/см (10-12 тл/м). Чувствительный элемент С. м. (сокращённо ЧЭ) представляет собой электрический контур из сверхпроводника с контактами Джозефсона (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 которого содержит два идентичных контакта Джозефсона, включенных параллельно в цепь источника постоянного тока. Ток, разрушающий сверхпроводимость в ЧЭ (Ikc), зависит от электрических характеристик контактов и величины магнитного потока Ф, пронизывающего контур:
Ikc = 2Ic |cos p Ф/Фо|,
где Фо = 2×10-7 гс см2 - квант магнитного потока (магнитный поток через сверхпроводящий контур квантуется, см. Сверхпроводимость), Ic - ток разрушения сверхпроводимости каждого из контактов (критический ток) - должен быть мал (Ic ~ Фо/L, где L - индуктивность контура). С изменением потока Ф ток Ikc в контуре испытывает осцилляции (рис. 2). Ток /кс достигает максимального значения всякий раз, как только изменяющийся поток Ф оказывается равным целому числу квантов потока Фо, т. е. период осцилляций равен кванту магнитного потока. Если через ЧЭ протекает постоянный ток ~Ikc, то электрическое напряжение на контуре также периодически зависит от Ф. По числу осцилляций можно определить Ф, а зная площадь S сверхпроводящего контура, найти напряжённость Н исследуемого магнитного поля (Н = Ф/S). Обычно для повышения надёжности работы С. м. в контуре дополнительно возбуждают периодическое магнитное поле модуляции. Возбуждаемое переменное поле имеет амплитуду £Фо/2S. При наличии поля модуляции на контуре появляется переменное напряжение, фаза которого изменяется прямо пропорционально внешнему полю Н. Измерительный блок С. м. выполняет функции усиления переменной составляющей напряжения на контуре и выделения изменения фазы. На выходе измерительного 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. Вольтамперная характеристика ЧЭ нелинейна относительно магнитного поля, которое пронизывает контур. Поэтому фаза низкочастотной модуляции изменяется в зависимости от величины внешнего (исследуемого) магнитного поля. К ЧЭ внешнее поле подводится трансформатором магнитного поля, который состоит из приёмной петли и катушки, индуктивно связанной с ЧЭ (материалом для обмотки трансформатора служит сверхпроводящая проволока, передача потока происходит без потерь). В С. м. рассматриваемого типа трансформатор имеет две входные петли, включенные 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 которого пропорциональна измеряемому градиенту поля.
Очень высокая чувствительность С. м. позволила осуществить с их помощью ряд тонких экспериментов: уточнить значения физических постоянных, продвинуть измерение электрического напряжения в область значений 10-14 в, зафиксировать магнитокардиограммы человеческого сердца и др.
Лит.: Фейнман P., Лейтон P., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, [пер. с англ.], т. 9, М., 1967; Кларк Дж., Низкочастотные применения сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств, "Тр. института 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.