СКВИД МАГНИТОМЕТР - ГРАДИОМЕТР

Полезная модель относится к электронным устройствам, использующим высокочувствительные системы на базе пленочных высокотемпературных СКВИДОВ. Она может быть использована при создании высокочувствительных датчиков магнитного потока и детекторов электромагнитного поля, применена для регистрации магнитокардиограмм в медицине, в геофизике, в экологии, для контроля магнитных примесей в нефтепродуктах.
В настоящее время в СКВИДах при создании джозефсоновских структур можно выделить группы слабых связей, сформированных на межзеренных границах, а также однослойные и многослойные структуры. К однослойным структурам относятся джозефсоновские переходы, сформированные на бикристаллической подложке, имеющие биэпитаксиальный характер границы и ступенчато-торцевые (step-edge) переходы. К однослойным структурам относятся также микромостики т.е. монокристаллические слабые связи размеры которых сравнимы с длиной когерентности в ВТСП. К многослойным структурам относятся переходы торцевого типа (edgej unctions), вертикальные сэндвичи, горизонтальные сэндвичи.
При формировании бикристаллических слабых связей искусственная граница образуется при эпитаксиальном выращивании пленки на бикристал-лической подложке, две половинки которой имеют разориентированные кристаллические решетки. (Заявка JP 6080845 В4, МПК 5 H 01 L 39/24). (Proc. ASC 96. Pittsburgh. USA, Preprinnt EKC-5, to appear in IEEE Trans. Appl.
3
3
c
5
2
Supercond. 7(1997). Слабые связи типа мостика Дайема организованы на бик-ристаллической подложке SrTiO или NdGaO с 24° и 36.8° на границе разориентации кристаллических структур подложки, на которой изготовлен датчик-магнитометр или градиометр на базе СКВИДОВ на YBaCuO пленках толщины d=30+200 нм с критическим током при Т=77,6 К, до j=10A/cм. СКВИД расположен внутри приемного контура магнитометра или между расположенных в одной плоскости приемных контуров градиометра. Контур магнитометра имеет размер 5×5 мм, а контуры градиометра имеют размеры 5×10 мм. Однако при формировании интерферометров на пленках такого качества возникает ряд проблем, так как при изготовлении мостиков дайcмовского типа на пленках с типичным средним размером сверхпроводящих гранул в несколько микрон в областях концентрации тока оказывается большое число не сверхпроводящих границ, "прозрачных" для магнитного поля. Это приводит к появлению множества контуров квантования, шум которых не позволяет реализовать магнитометр с высокой чувствительностью и малым шумом.
Известен СКВИД градиометр с контурами из высокотемпературного сверхпроводника. (Заявка DE 449297А1, МПК 6 Н 01 L 39/22). СКВИД-градиометр на однослойном высокотемпературном сверхпроводнике имеет два одинаковых симметрично включенных приемных контура, связанные через контур связи гальванически с измерительным контуром СКВИДА постоянного тока. Элементы джозефсона этого ПТ-СКВИДА должны иметь настолько большую критическую плотность тока, чтобы магнитный поток Земли был меньше кванта потока. Плоскости приемных контуров должны быть покрыты слоем нормально проводящего металла такой проводимости, чтобы отражались только высокочастотные экранирующие токи. Недостатком этого устройства является необходимость создания слабых связей с большим критическим током, что ведет к снижению точности измерения
магнитного потока до уровня поля Земли или ведет к необходимости созданию дополнительных устройств разделяющих эти поля.
Известен также высокосимметричный ПТ-СКВИД градиометр с проводящими цепями из высокотемпературного сверхпроводника. (Заявка ДЕ 19509230А1,МПК 6 H 01 L 39/22).
Градиометр содержит два приемных контура, включенных параллельно центральной перемычке и имеющих одинаковые первые площади, он связан гальванически с центральной перемычкой. ПТ-СКВИД установлен на нижней подложке. На второй подложке находится цепь еще двух одинаковых приемных контуров, представляющая собой второй градиометр, имеющий относительно большую площадь. Расположенные на своих подложках приемные контуры методами техники интегральных схем объединены в единый элемент с примыканием вдоль своих отрезков и индуктивно связаны с друг с другом.
Недостатком этого устройства является необходимость создания диэлектрического слоя при наложении двух схем друг на друга, а по линии примыкания не исключена возможность возникновения паразитных слабых связей с критическими токами, меньшими 1 с мостиков. То есть могут появиться дополнительные контуры квантования, существенно ухудшающие работу интерферометра.
Известны многоконтурные СКВИД магнитометры опубликованные в журнале /LEEE TRANSACTION ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.3, NO 1, MARCH 1993/, статья / Detection of magnetic flux with superconducting quantum interference gratings/. В статье представлены результаты исследований вольт-потоковых характеристик 2х, 4х, 10и-контурных СКВИДов, соединенных параллельно и экспериментально доказано, что их чувствительность возрастает пропорционально количеству слабых связей, а шумовые характеристики уменьшаются, благодаря компенсации встречных шумовых потоков на симметричных контурах.
Недостатками этого устройства является то, что СКВИД магнитометры изготовлены из металлического низкотемпературного сверхпроводника и работают только при температурах жидкого геллия, во входном контуре не предусмотрены способы фильтрации шума, а также в этих устройствах наводится дополнительный шумовой сигнал при использовании металлических антенных контуров не в сверхпроводящем состоянии.
3
3
2
3
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по конструктивному выполнению является СКВИД-магнитометр на высокотемпературных пленках (патент РФ2184407 МПК H 01 L 39/22, опубл. 27.06.02). Сверхпроводящий квантовый магнитометр содержит измерительный контур, включающий в себя ПТ-СКВИД с двумя джозефсоновскими мостиками и одним измерительным контуром квантования, трансформатор магнитного потока, представляющий собой приемный контур, контур связи и контур модуляции и обратной связи. Вся схема изготовлена на одном слое ВТСП эпитаксиальной или монокристаллической пленки толщиной 30-100 нм, сформированной на изолирующей подложке, например SrТiO, LаАlO, АlО.
Контуры модуляции и обратной связи, приемный контур отделены друг от друга линиями изоляции. Измерительный контур квантования сформирован в центре подложки. Часть измерительного контура квантования, не содержащая элементов джозефсона, непосредственно контактирует с контуром связи, витки которого благодаря линии изоляции включены навстречу друг другу. Приемный контур, представляющий собой трансформатор магнитного потока, окружает часть контура связи расположенного вокруг измерительного контура квантования. На удаленной от измерительного контура части контура связи размещены электроды тока смещения. В контуре модуляции и обратной связи размещены электроды тока модуляции, также удаленные от измерительного и приемного контуров. Для надежного малошумящего электрического контакта при включении магнитометра в измерительную схему и устранения деградации сверхпроводящих свойств пленок, на
подложку в местах будущего расположения контактных электродов наносится подслой золота или платины.
-5
-6
0
Достоинством этого устройства является стабильность работы, надежность и воспроизводимость характеристик, однако он не обеспечивает работу в режиме градиометра и необходимую точность измерений при уровне сигнала 10-10 Ф т.е. на предельных значениях динамического диапазона измерений. из-за малой амплитуды выходного сигнала. Кроме того, то что внешний контур модуляции и обратной связи, также является экранирующем контуром от внешних электрических и магнитных помех окружающей среды, приводит к тому, что уровень шумового сигнала (не экранированного) возрастает до величины сигнала модуляции, так как он изготовлен из сверхпроводящей пленки представляющей собой единый проводник. Далее по линиям изоляции не исключена возможность возникновения паразитных слабых связей туннельного типа с критическими токами, сравнимых с 1 с мостиков, значит могут появиться дополнительные контуры квантования, существенно ухудшающие работу интерферометра.
При разработке заявляемой полезной модели была поставлена задача создания высокочувствительного СКВИД магнитометра-градиометра на тонких сверхпроводящих YBaCuO пленках высокого качества, за счет увеличения амплитуды его выходного сигнала и повышения чувствительности на предельных значениях динамического диапазона измерений, повышения точности измерений, стабильности и надежности работы.
Указанный технический результат достигается тем, что СКВИД магнитометр-градиометр на высокотемпературных пленках, изготовлен на одном слое ВТСП пленке, толщиной 30-100 нм, сформированной на изолирующей подложке, содержит входной контур и измерительный контур, состоящий из 50 джозефсоновских структур, включающих 51 слабую связь и 50 измерительных контуров квантования, а также внешний экранирующий контур.
СКВИД с 50 джозефсоновскими структурами через сверхпроводящую пленку контактирует с входным контуром, представляющим собой два равных витка из сверхпроводящей пленки, включенных навстречу друг другу, на центральной перемычке которых, расположены 50 джозефсоновских структур, которые гальванически связаны с входным контуром, а на внешней части подложки размещен экранирующий контур. Для ввода тока смещения и тока модуляции используются внешние прижимные или паяные контакты, индуктивно не связанные с приемным контуром и выполненные из золота или платины, при этом устраняются внешние шумовые сигналы от подводящих электродов из нормального металла.
При таком выполнении СКВИД магнитометра-градиометра увеличивается амплитуда выходного сигнала (как на дифракционной решетке) и повышается чувствительность на предельных значениях динамического диапазона измерений. При этом повышается точность измерения благодаря увеличению отношения сигнал / шум 50 параллельно расположенных джозефсоновских структур, кроме того повышается стабильность работы и надежность за счет взаимозаменяемости каждой пары, а дополнительный внешний контур экранирует от внешних электрических и магнитных помех так как он изготовлен из сверхпроводящей пленки.
На фиг. представлен заявляемый СКВИД магнитометр-градиометр на высокотемпературных пленках.
Сверхпроводящий квантовый магнитометр-градиометр содержит СКВИД с 50 джозефсоновскими структурами, состоящими из слабых связей в виде мостиков Даема 1-51 (шириной 2-3 мкм) или любые другие типы слабых связей и 50 измерительных контуров квантования 52-101, входной контур, представляющий собой трансформатор магнитного потока, состоящим из двух одинаковых симметричных витков 102-103 и внешний экранирующий контур 108, окружающий оба витка входного контура и все джозеф-соновские структуры 1-101. Вся схема изготовлена на одном слое ВТСП
3
3
2
3
эпитаксиальной или монокристаллической пленки толщиной 30-100 нм, сформированной на изолирующей подложке 109, например SrTiO, LaAlO, AlO. Измерительные контура квантования расположенны в центре подложки 109. При работе в режиме ПТ-СКВИДа используются размещенные по углам входного контура четыре электрода 104-107. Для надежного малошумящего электрического контакта при включении магнитометра в измерительную схему и устранения деградации сверхпроводящих свойств пленок на подложку в местах будущего расположения электродов наносится подслой золота или платины. Внешний экранирующий контур 108 из ВТСП пленки позволяет дополнительно снижать уровень шумового сигнала. При работе в режиме ВЧ-СКВИДа ток смещения вводится через внешнюю индуктивность.
Пленку YBaCuO напыляют на изолированную подложку при температуре 790-860С методом лазерного распыления. Геометрия слабых связей СКВИД магнитометр-градиометр на высокотемпературных пленках с выводами на золотые или платиновые контакты формируется методом фотолитографии и сухого травления по патенту РФ N 1823732, разработанному авторами, который имеет высокую технологическую воспроизводимость при изготовлении слабых связей шириной 1-3 мкм.
Работа СКВИД магнитомера-градиометра основана на зависимости критического напряжения на 50ти-контурном СКВИДе от величины внешнего магнитного потока, наведенного во входном контуре. Повышенная чувствительность магнитометра к изменяющемуся магнитному потоку достигается тем, что контур квантования СКВИД состоит из 50 джозефсоновских структур, а для такой системы известно, что колебания напряжения и тока в каждом из джозефсоновских переходов синхронны и связаны с внешним магнитным потоком. Поэтому напряжение при котором возникают ступеньки с током на ВАХ равно сумме напряжений отдельных переходов, т.е. оно возрастает пропорционально n, где n - колличество слабых связей, это ведет
c
c
0
к более быстрому росту амплитуды джозефсоновской генерации от измеряемого магнитного потока. При этом мощность генерируемого сигнала растет пропорционально п квадрат, а шумовое напряжение пропорционально корню из n, и тем самым улучшается соотношение сигнал/шум. Кроме того контура квантования 52-101 гальванически связаны с симметричными витками контура связи, включенными на центральной перемычке навстречу друг другу, поэтому шумовой сигнал в них вычитается, а разностный /градиометр/ измеряемый сигнал вводится через два витка контура связи. СКВИД магнитометр-градиометр включается в стандартную схему для работы в режиме с током смещения. Изменяя его величину от нуля до требуемого уровня, можно получить на потенциальных контактах 106-107 ВАХ зависимости потенциала СКВИДа от внешнего магнитного потока. Наблюдая зависимость амплитуды напряжения выходного сигнала с контуров квантования как функцию тока смещения и входного измеряемого потока при перезахвате кванта магнитного потока Фо получаем на ВАХ ступеньки тока, которые соответствуют диапазону изменения внешнего магнитного потока равному одному кванту. Рабочая точка СКВИДа выбирается посредством задания тока смешения в интервале (l-l,3)J, где J - критический ток слабых связей. Выходной сигнал по напряжению при предложенных параметрах ПТ-СКВИД магнитометра-градиометра составлял порядка 400 мкв/Ф.
5
-29
-31
Исследования шумовых характеристик магнитометров проводились при включении их в стандартную схему с замкнутой обратной связью. Коэффициент преобразования выходного напряжения следящей схемы сквида и интегратора в поток, действующий на СКВИД магнитометр-градиентометр, находился по методу определения минимального скачка напряжения при перезахвате кванта магнитного потока. Измерения шумовых характеристик образцов показали, что при частотах f=1-10 Гц их энергетическая чувствительность составляет Е=10-10 Дж/Гц., а чувствительность по
5
6
0
магнитному потоку состовляет 10-10 Ф/Гц. Предлагаемый ПТ-СКВИД сохраняет все достоинства двухконтактного СКВИДА, но обладает при этом значительно более высоким уровнем выходного сигнала. Кроме того, внешний дополнительный контур (107) из ВТСП пленки позволяет значительно снижать уровень шумового сигнала.