2. Переход Джозефсона

Министерство образования и науки Российской Федерации
Поволжский государственный технологический университет
Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры
ВСТУПИТЕЛЬНЫЙ РЕФЕРАТ
по специальности: 02.00.04 – «Физическая химия»
Тема:
СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКРАНИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ
Выполнил:
Большаков Александр
Павлович
Предполагаемый
научный руководитель:
Игумнов Владимир
Николаевич
Заведующий кафедрой:
Сушенцов Николай
Иванович
Йошкар-Ола – 2013
2
Оглавление
Введение ................................................................................................................. 3
1. Сверхпроводящие магнитные экраны .......................................................... 7
1.1.
Эффект Мейсснера ................................................................................ 7
1.2.
Экранирование магнитного поля ...................................................... 12
2. Переход Джозефсона.................................................................................... 18
2.1.
Эффект Джозефсона ........................................................................... 18
2.2.
Элемент Джозефсона .......................................................................... 19
2.3.
Методы получения перехода Джозефсона ....................................... 23
3. Корпус-экран магнитного поля для микросхемы и способ его
изготовления .............................................................................................................. 30
4. Измерения...................................................................................................... 35
4.1.
Измерение температуры ..................................................................... 35
4.2.
Создание магнитного поля ................................................................. 35
4.3.
Измерение магнитного поля .............................................................. 36
4.4.
Автоматизация..................................................................................... 38
4.5.
Точность измерений напряжения ...................................................... 39
Заключение .......................................................................................................... 42
Список литературы ............................................................................................. 43
3
Введение
После открытия высокотемпературной сверхпроводимости исследовательские работы в области криоэлектроники приобрели особую актуальность.
Сверхпроводимость перешла из труднодоступной области гелиевых температур
в более дешевую и доступную область азотных температур. В настоящее время
уже разработаны изделия и устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Одной из важных задач исследования высокотемпературной сверхпроводимости является изучение влияния примесей на свойства
высокотемпературных сверхпроводников. Сверхпроводники позволяют осуществить эффективное электромагнитное экранирование, на их основе можно сделать различные приборы и датчики. Для эффективного использования сверхпроводников необходимо изучение воздействия на них внешних факторов,
например, магнитного поля.
4
Основная часть
В основе криоэлектроники лежит комплекс эффектов, объединенный общим
термином “сверхпроводимость”. Часто под этим термином понимают отсутствие сопротивления у проводника в условиях низких температур. В действительности, эффект отсутствия сопротивления представляет только одну грань
многогранного комплекса эффектов и явлений. К числу таких эффектов и явлений следует отнести: эффект Мейсснера-Оксенфельда – выталкивание магнитного поля из сверхпроводника; квантование магнитного потока в сверхпроводниковом кольце; изотопический эффект; эффекты Джозефсона; аномальное
взаимодействие сверхпроводника с электромагнитным излучением и т.д.
В данной работе особое внимание уделено высокотемпературным сверхпроводникам – это семейство материалов (сверхпроводящих керамик) с общей
структурной особенностью, относительно хорошо разделёнными меднокислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе
купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди
всех известных сверхпроводников. Нормальное (и сверхпроводящие) состояния
показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ.
Высокотемпературные сверхпроводники, как правило, имеют зернистую
текстуру, они состоят из зерен – кристаллитов, соединенных между собой. Области соединения являются сильнодефектными, поэтому различают свойства
внутригранульные и межгранульные. Например, внутригранульный критический тип много больше межгранульного. В данном разделе мы рассматриваем
структуру гранулы или монокристалла. Как уже было отмечено, иттриевые,
висмутовые, таллиевые и ртутные ВТСП соединения принадлежат к слоистым
металлооксидам. В то же время соединения на основе висмута, таллия имеют
плоскости атомов меди и кислорода, а соединения на основе иттрия содержат
как плоскости, так и цепочки Cu – O. Роли цепочек и плоскостей в ВТСП мате-
5
риалах посвящены многочисленные работы. В настоящее время считается, что
плоскости играют определяющую роль в сверхпроводимости, а цепочки служат
и емкостью для электронов. Они могут быть или заполненными, или пустыми,
в зависимости от содержания кислорода и легирующих примесей. Если число
атомов кислорода в элементной ячейке изменяется, изменяется температура перехода или сверхпроводимость вовсе теряется. Кислородные вакансии находятся в основном в пределах одной цепочки. Например, в соединении YBa2Cu3O7-
при 1 существуют упорядоченные массивы цепочек, имеющих недостаток
кислорода, при =1 цепочки отсутствуют.
Рис. 1.1. Кристаллическая структура YBa2Cu3O6,5+, δ ≈ 0,5;
● – Ba, ▲ – Y, • – Cu, ○ – O
Структура фазы (Y-123) показана на рис. 1.1. Ее можно представить в виде
последовательности слоев, расположенных перпендикулярно оси С:
… (CuO )(BaO)(CuO2)(Y)( CuO2)(BaO)( CuO ) …
где  – вакансия атома кислорода.
6
Особенностью данной структуры является относительная легкость изменения ее кислородной стехиометрии, при этом состав медного слоя (Z=0) изменяется от CuO2 (=-0,5) до (CuO ) (=0,5).
При  = -0,5 элементарная ячейка тетрагональная и состав YBa2Cu3O6 обладает полупроводниковыми свойствами. Однако при   -0,2 структура становится ромбической (ab) вследствие заселения атомами кислорода позиций в
плоскости (x,y,o) и обладает сверхпроводниковыми свойствами. При этом с
возрастанием  происходит увеличение TС.
Введение дополнительных катионов в ВТСП может преследовать три цели.
Во-первых, это поиск новых сверхпроводников или увеличение температуры
перехода уже существующих, во-вторых, – усиление фазообразования и, наконец, в-третьих, – дополнительные катионы могут вводиться с целью увеличения
пиннинга магнитных вихрей, как на включениях получающихся несверхпроводящих фаз, так и на дефектах структуры образующихся при этом.
Отсутствие теоретического объяснения явления высокотемпературной
сверхпроводимости не останавливает поисков практических применений этих
материалов. Уже сейчас ряд кампаний поставляют на мировой рынок кабели из
высокотемпературных сверхпроводников длиной в несколько километров. Их
изготавливают, наполняя трубку из серебра или другого хорошего металла порошком высокотемпературного сверхпроводника, а затем прокатывая и отжигая
ее. Сейчас в США и во Франции уже функционирует ряд опытных линий передач электроэнергии по подземному кабелю из высокотемпературного сверхпроводника. Созданы также первые моторы и генераторы на базе высокотемпературных сверхпроводников.
7
1. Сверхпроводящие магнитные экраны
1.1.
Эффект Мейсснера
В 1933 г. В. Мейсснер и Р. Оксенфельд, изучая распределение магнитного
потока вокруг оловянных и свинцовых образцов, охлажденных в магнитном
поле до температуры их сверхпроводящих переходов, обнаружили, что магнитный поток выталкивается из образца при Т<ТС. Таким образом, сверхпроводник
ведет себя, как идеальный диамагнетик, где магнитная индукция B  0. Это же
явление было зарегистрировано и для других сверхпроводников. Явление, заключающееся в том, что внутри сверхпроводника магнитная индукция равна
нулю, получило название эффекта Мейсснера-Оксенфельда.
Рассмотрим подробнее данный эффект. Поместим сверхпроводник в однородное магнитное поле при температуре больше критической. Индукция магнитного поля внутри сверхпроводника пропорциональна напряженности внешнего поля H:
B   0 H ,
(1.1)
где μ – магнитная проницаемость материала;
μ0 – магнитная постоянная.
Поскольку материал не является ферромагнетиком (μ ≈ 1), поле внутри
сверхпроводника практически не искажается (рис. 1.2, а).
а)
б)
Рис. 1.2. Сверхпроводник в магнитном поле H: а) Т>ТС, б) Т<ТС
Теперь охладим сверхпроводник до температуры Т<ТС. Если поле H недостаточно сильное, будет наблюдаться эффект Мейсснера: внутри сверхпровод-
8
ника установится состояние с B=0 (рис. 1.2, б). Это значит, что на поверхности
сверхпроводника появились циркулирующие сверхпроводящие токи j, которые
в объеме создают встречное магнитное поле индукции –B. Такое состояние является термодинамически равновесным, т.е. оно устанавливается при любой
последовательности операций охлаждения и включения магнитного поля и
остается стабильным, пока не изменяются поле или температура.
Поверхностный характер сверхпроводящих токов обусловлен вторым уравнением Максвелла:
rot B=j.
(1.2)
Поскольку поле B в условиях эффекта Мейсснера в образце отсутствует, rot
B также обращается в нуль. Из (1.2) следует, что в этом объеме отсутствуют и
токи j. Однако магнитное поле не может быть вытолкнуто из всего объема
сверхпроводника до самой поверхности, т.к. это привело бы к скачку магнитного поля от 0 до величины B и существованию бесконечно больших поверхностных токов. Следовательно, магнитное поле проникает в приповерхностный
слой сверхпроводника на некоторую глубину

– глубину проникновения. В
этом же слое текут и сверхпроводящие токи. Для оценки глубины проникновения используют следующее выражение:
B(x)=B(0)exp(-x/  ),
(1.3)
где B(0) – индукция магнитного поля вне сверхпроводника;
B(x) – индукция магнитного поля внутри сверхпроводника;
x – текущая координата.
Теория сверхпроводимости дает оценку для глубины проникновения:

где
m
e 2 nS  0
,
(1.4)
m – масса электрона.
Решение уравнения (1.6) в виде графика приведено на рис. 1.3.
9
Рис. 1.3. Распределение магнитного поля вне (N) и внутри (S) сверхпроводника
Оценка величины  для большинства сверхпроводников имеет порядок 105
–10-6 см.
В случае протекания высокочастотного тока по проводнику наблюдается
скин-эффект: выталкивание тока на приповерхностный слой. Эффект вызван
взаимодействием (отталкиванием) токов. На первый взгляд, между скинэффектом и эффектом Мейсснера имеется аналогия. Нужно заметить, что аналогия имеет место чисто формальная, поскольку сверхпроводящие токи – постоянные. Механизм эффекта Мейсснера имеет иную природу – квантовую и
будет обсуждаться ниже.
Эффект Мейсснера позволяет сверхпроводнику в неоднородном магнитном
поле левитировать, т.е. висеть без опоры и подвеса сколь угодно долго. Это явление лежит в основе “магнитной подушки”, движения, например, железнодорожного вагона над опорной плоскостью. В этом случае трение практически
отсутствует. Экспериментальная ветка железной дороги на магнитной подушке
испытывается в Японии.
При рассмотрении эффекта Мейсснера выше уже была сделана оговорка о
недостаточно сильном магнитном поле. Имелось в виду сохранение сверхпроводящего состояния, поскольку существует критическое поле НС, превышение
которого приводит к нарушению сверхпроводимости. Взаимодействие нормальных или сверхпроводящих электронов с магнитным полем определяет
энергию системы. Если в слабом поле Н<НС энергетически выгодным является
сверхпроводящее состояние, то в сильном поле Н>НС таким состоянием стано-
10
вится нормальное. Так появляется третий критический параметр сверхпроводника – критическая напряженность НС. Критическая напряженность поля НС(Т)
уменьшается с ростом температуры, т.е. тепловой и магнитный факторы усиливают друг друга:
НС(Т)=НС(0)[1-(Т/ТС)2],
где
(1.5)
НС(0) – критическая напряженность при нулевой температуре.
Рис. 1.4. Область нормального N и сверхпроводящего S состояния
Выталкивание магнитного потока из сверхпроводника, которое обсуждалось выше, имеет место в том случае, если сверхпроводниковый образец является односвязанным (сплошным). Если же образец имеет полость, например,
сверхпроводниковое кольцо, картина изменится. При охлаждении в магнитном
поле до Т<ТС поток будет вытолкнут из сверхпроводника, однако он останется в
полости. Ранее было установлено, что выталкивание магнитного поля происходит за счет возникающих сверхпроводящих токов j, создающих противополе.
Поскольку магнитный поток в полости существует, очевидно, существуют его
создающие токи j2,направленные встречно токам j1 (рис. 1.5).
11
Рис. 1.5. Выталкивание магнитного поля
Поскольку сопротивление в сверхпроводнике отсутствует, токи будут незатухающими. Если выключить внешнее магнитное поле, магнитный поток внутри кольца станет поддерживаться незатухающими токами.
Ф. Лондон предположил, что захваченный магнитный поток Ф должен
быть равен целому числу квантов потока Ф0, то есть:
Ф  Ф0 n 
h
n,
q
(1.6)
где n – целое число;
q – заряд;
h – постоянная Планка.
Впоследствии это предположение было экспериментально подтверждено,
однако заряд q оказался равен удвоенному заряду электрона:
Ф0 
h
 2,07 *10 15 Вб .
2e
(1.7)
Этот факт говорит о том, что частицы, состоящие из двух электронов есть
не что иное, как куперовские пары. Вероятно, что величина n в (1.6) связана с
квантовым числом куперовских пар. Как уже отмечалось, поведение сверхпроводящего конденсата (куперовских пар) жестко коррелировано и при переходе
в следующее состояние, с иным квантовым числом, все пары должны перейти в
это состояние.
Квантование магнитного потока в кольце представляет собой пример макроскопического квантового эффекта.
Такое кольцо можно рассматривать как систему, имеющую n возможных
стационарных состояний, и использовать в соответствующих условиях.
12
1.2.
Экранирование магнитного поля
Экранирование магнитного поля может применяться для защиты от утечки
информации по техническим каналам для борьбы с промышленным шпионажем, а также при измерениях магнитного поля, например, для экранирования
сверхпроводниковых датчиков магнитного поля, рассмотренных ниже. Измерения магнитного поля проводятся для исследования магнитных полей Земли в
физических экспериментах, в медицине. Точные магнитные измерения затрудняет или делают невозможными магнитные помехи, создаваемые вариациями
магнитного поля Земли, а также помехи искусственного происхождения, вызванные деятельностью человека (электрическая сеть, транспорт, индустриальное оборудование). Так, например, уровень помех с частотой сети в обычных
лабораторных условиях может превышать исследуемые поля в 1000 и более
раз. Помехи от электрофицированного транспорта имеют импульсный характер
и составляют по величине десятки нанотесл на расстоянии в сотни метров. В
условиях малых городов и поселков, в глубине крупных кварталов города
начинают доминировать естественные вариации ГМП. Максимум спектра вариаций ГМП обычно приходится на область больших периодов – порядка суток
(30 – 50 нТл в зависимости от геомагнитной широты расположения населенного пункта) с резким уменьшением в области коротких периодов (50 – 100 пТл,
период 1 с). Во время сильных магнитных бурь, которые происходят сравнительно редко в средних широтах, и во время магнитных возмущении, что является типичным явлением в высоких широтах, спектр геомагнитных вариации
смещается в область коротких периодов.
Способы борьбы с магнитными помехами могут быть разными: применение
дифференциальных схем измерения, использование катушечных систем и магнитных экранов. Применение дифференциальных схем измерения оправдано в
том случае, когда источники помех находятся на расстоянии, которое существенно (не менее чем на два порядка) превышает расстояние между датчиками. Следует отметить необходимость предварительного измерения уровня маг-
13
нитных помех в месте измерения, снятия топологии МП, соблюдения правил
магнитной гигиены (не производить накопления ферромагнитных материалов,
приборов, электрических двигателей и машин) на месте или вблизи последующей установки магниточувствительных датчиков. При измерениях следует
помнить, что смещение магниточувствительного датчика в пространстве при
наличии неоднородного МП ведет к созданию дополнительных магнитных помех. Для повышения точности измерений необходимо экранировать помехи.
Применение сверхпроводящих экранов обеспечивает экранирование постоянных и изменяющихся магнитных полей.
Основными характеристиками СП экранов являются коэффициент экранирования S, коэффициент ослабления К, абсолютная dHi/dt и относительная 1/Hi
dHi/dt стабильности остаточного поля, абсолютная однородность остаточного
поля – ∆Hi [1].
Коэффициент экранирования характеризует степень ослабления внешнего
поля, проникающего в экранируемый объем через открытые концы и отверстия
СП экрана, и равен отношению изменения напряженности внешнего поля ∆He и
изменению напряженности внутреннего поля, измеренному в центре экранируемого объема:
S = ∆He/∆Hi.
(1.8)
Различают коэффициенты экранирования продольного (вдоль оси экрана)
S││ и поперечного S │ поля.
S││ = ∆He││ / ∆Hi││; S │ = ∆He │ / ∆Hi │ .
(1.9)
Коэффициент ослабления К экрана связан с выталкиванием поля из полости
экрана при его переходе в сверхпроводящее состояние и захватом части магнитного потока в виде замороженных магнитных полей в полости экрана. Коэффициент равен отношению напряженности постоянного остаточного поля Hi
в центре экранируемого объема:
K = He/Hi.
(1.10)
Для продольной и поперечной компонент поля можно записать:
14
K││ = He││/ Hi││; K │ = He │ / Hi │ .
(1.11)
Абсолютная однородность остаточного магнитного поля ∆Hi (градиент поля) характеризует пространственное изменение напряженности поля на единицу длины:
∆Hi = (Hi2 – Hi1 ) / L,
(1.12)
где L – расстояние между точками l и 2 поля.
Относительная однородность остаточного поля равна отношению абсолютной однородности поля к среднему значению напряженности остаточного поля
Hi:
δHi =ΔHi /Hi.
(1.13)
Абсолютная стабильность остаточного поля характеризует максимальное
изменение напряженности поля за единицу времени dHi/dt, а относительная
стабильность поля равна отношению абсолютной стабильности к среднему значению напряженности остаточного поля 1/Hi dHi /dt.
Существование эффекта Мейсснера и бесконечной проводимости дают возможность использовать сверхпроводники для экранирования изменяющихся
магнитных полей: изменение внешнего магнитного поля He < Hec приводит к
появлению незатухающих токов. Эти токи будут циркулировать таким образом,
что создадут магнитный поток, плотность которого в каждый момент времени
повсюду внутри сверхпроводника или сверхпроводникового экрана точно равна
по величине и противоположна по знаку плотности потока внешнего поля. Общее изменение магнитного потока в экранируемом объеме будет равно нулю.
Сверхпроводящий ток течет в поверхностном слое. Используя второе уравнение Максвелла, можно записать выражение для плотности тока:
j = He (0) exp (-z / λL),
где λL – лондоновская глубина проникновения;
z – расстояние от поверхности;
He (0) – напряженность поля на поверхности.
(1.14)
15
Из выражения (1.45) следует, что при z >> λL He → 0, то есть полностью закрытый СП экран со стенкой, толщина которой значительно больше лондоновской глубины, обеспечивает чрезвычайно высокое экранирование магнитного
поля. Если учесть, что для НТСП материалов λL ≈ 10-6–10-5 м, а для ВТСП материалов λL ≈ (2–3)·10-6 м, можно говорить об абсолютном экранировании поля
стенками экрана толщиной в доли миллиметра: внешние магнитные поля могут
проникать в экранируемую область только через входные отверстия.
Чаще всего применяются экраны в виде полого цилиндра, полого цилиндра
с дном и в виде сферы с круглым отверстием. Опуская промежуточные выкладки, приведем выражение, описывающее зависимость напряженности магнитного поля внутри экрана от величины, ориентации внешнего поля и координат для
изменяющихся магнитных полей.
Для полого цилиндра с открытыми концами можно записать:
H i ( z )  H e exp  k (l  z ) / d   1  exp( 2kz / d ) ,
(1.15)
где l=L/2, L – длина цилиндра;
k – коэффициент, зависящий от угла между осью экрана и напряженностью
He;
z – текущая координата, совпадающая с осью экрана, в центре z=0;
d – диаметр экрана.
Для полого цилиндра с дном можно записать:
H iII  0,4H e exp 7,57( L  l ) / d ,
(1.16)
H i   0,7 H e exp  3,69( L  l ) / d  .
(1.17)
Для сферического экрана с дном коэффициенты экранирования поля зависят
от диаметра, диаметра отверстия и координаты достаточно сложным образом.
Экранирование постоянных магнитных полей основано на тех же эффектах.
В большинстве случаев постоянным полем является поле Земли (50·10-6 Тл). В
этом случае экранируемое поле мало, но присутствует повсеместно. Если в материале экрана имеются неоднородности (дефекты, механические напряжения,
16
примеси и т.д.), то при охлаждении на сверхпроводимость в поле Земли в стенках экрана могут оказаться “замороженные” магнитные потоки. Замороженный
поток определяет остаточное магнитное поле, особенно это относится к керамическим ВТСП материалам.
Вопрос о том, как и в какой мере различные физические факторы (внешнее
поле, частота материала, дефекты примеси, поверхностные деформации, форма
дна) вызывают в сверхпроводниковом экране отклонения от идеальных свойств
очень сложен и в общем виде еще не решен. Существуют эмпирические кривые, построенные на основе экспериментальных исследованиях, которыми и
можно воспользоваться при проектировании криоэлектронных устройств
Как низкотемпературные, так и высокотемпературные экраны различной
формы выполняются в объемном или пленочном варианте. В случае применения ВТСП материалов необходимо помнить об их сложной структуре и возможности образования “слабых” участков, где может проникнуть или быть замороженным магнитный поток.
1.2.1. Сверхпроводниковые экраны
Известны магнитные экраны, изготовленные из высокотемпературных
сверхпроводниковых материалов, представляющие полые фигуры (цилиндры,
сферы, стаканы), использующие эффект Мейснера – выталкивание магнитного
поля из сверхпроводника 2. При изготовлении таких экранов существуют технологические сложности, связанные с большими размерами экранов. Для производства экранов больших габаритов используется конструкция, в которой
экран является составным, состоящим из фрагментов, например, из колец. Данный принцип используется в работе сверхпроводникового экрана магнитного
поля, который содержит чередующиеся плоские сверхпроводниковые и проводниковые шайбы, собранные в цилиндр. Первые обеспечивают вытеснение
магнитного поля вследствие эффекта Мейснера, вторые обеспечивают теплоотвод, жесткость цилиндра и экранирование переменных полей вследствие индуктивного наведения в них электродвижущей силы и создания экранирующего
17
магнитного поля 1]. Такой экран может быть собран с учетом размеров экранируемого объекта. Однако этот экран защищает только от полей, направленных параллельно его оси. Постоянные магнитные поля, индукция которых перпендикулярна оси цилиндра, будут проникать в слабые участки экрана – зазоры
между сверхпроводниковыми шайбами. Составные экраны могут иметь практически неограниченные объемы, в то время как объём цельного экрана существенно ограничен технологией изготовления.
18
2. Переход Джозефсона
2.1.
Эффект Джозефсона
В 1962 г. Б. Джозефсон в результате вычислений пришел к выводу, что туннельный ток пар IS не только возможен, но и сопоставим по величине с одночастичным током. Максимальное значение IS можно определить из выражения:
Im=πΔ/(2eRN),
(2.1)
где RN – сопротивление туннельного контакта в нормальном состоянии.
Из вычислений следовало, что постоянный ток IS должен протекать в отсутствие разности потенциалов на контакте, причем этот ток определяется разностью фаз волновых функций сверхпроводящих конденсатов в одном и другом
сверхпроводнике. Джозефсон предсказал и другие свойства структуры, которые
впоследствии были обнаружены экспериментально. Рассмотрим процессы, протекающие в структуре СДС, если диэлектрический зазор составляет порядка 1
нм (рис. 2.1, а).
а)
б)
Рис. 2.1. Эффект Джозефсона: а – стационарный, б – нестационарный
Подадим на СДС структуру разность потенциалов, через нее потечет ток,
падение напряжения на структуре (сопротивление) будет равно нулю. Структура ведет себя, как сплошной сверхпроводящий образец. Ток протекает и по диэлектрическому зазору беспрепятственно. Это явление получило название стационарного эффекта Джозефсона.
19
При увеличении тока наступает такой момент, когда на структуре возникает
постоянная разность потенциалов и одновременно из зазора исходит электромагнитное излучение высокой частоты (см. рис. 2.1, б). Очевидно, кроме постоянного появляется переменный ток высокой частоты. Это явление называют
нестационарным эффектом Джозефсона [3].
2.2.
Элемент Джозефсона
Элемент Джозефсона, представляет собой два сверхпроводника, имеющие
так называемую слабую электрическую связь. На практике такую связь получают в виде: 1) разделения двух сверхпроводников слоем диэлектрика – SISструктура, 2) слоем металла – SNS-структура 3) слоем полупроводника – SPSструктура и 4) структуры типа мостик, представляющей собой узкую сверхпроводящую перемычку (мостик) ограниченной длины между двумя массивными
сверхпроводящими электродами. На рис. 2.2 приведены различные типы структур элемента Джозефсона.
Рис. 2.2. Различные типы структур, в которых может происходить эффект Джозефсона:
а) Туннельный переход; б – ж) слабые связи: сэндвич (б), мостик на эффекте близости (в),
мостик с ионной имплантацией (г), мостик Дайема (9), мостик переменной толщины (е), то-
20
чечный контакт (ж). В кружке схематически показана структура проводящих участков точечного контакта. Обозначения: S, S' – сверхпроводники, N – нормальный материал, SE –
полупроводник, I – изолятор
В туннельных переходах (а) два сверхпроводящих электрода разделены
очень тонким (~2∙10-7 см) слоем диэлектрика, чтобы обеспечить заметную вероятность туннелирования электронов через образующийся таким образом потенциальный барьер. В отличие от этого в структурах с непосредственной проводимостью – слабых связях (б – ж) – расстояние между электродами значительно
больше. Так, если между сверхпроводниками поместить слой нормального металла, то мы получим структуру типа ”сэндвич S–N–S” (б), которая осуществляет слабую связь лишь при толщине прослойки, составляющей несколько
“длин затухания” ξΝ (~10-5 см). Действительно, в силу хорошо известного эффекта близости куперовские пары проникают в глубь нормального металла на
глубину порядка ξΝ. Связь будет слабой, если области наведенной сверхпроводимости в прослойке перекрываются лишь незначительно, т. е. при толщинах
порядка нескольких ξΝ. Если материал прослойки является сверхпроводящим
(S–S'–S-сэндвич), то слабость связи может быть обеспечена лишь за счет малости плотности критического тока jC материала S' по сравнению с материалом S.
Близкая к сэндвичам ситуация создается в “мостиках на эффекте близости”
(в) и мостиках, созданных ионной имплантацией (г). В обоих случаях в узкой
(~10-3 см) полоске из тонкой (~10-5 см) сверхпроводящей пленки создается короткий (от 10-4 до 10-3 см) участок с пониженным значением jC. В первом случае
он образуется за счет эффекта близости с подслоем из нормального металла, а
во втором – за счет имплантации ионов.
Совершенно другой способ создания слабой связи реализуется в двух других типах мостиков – постоянной толщины (“мостиках Дайема”) (д) и мостиках
переменной толщины (е). Здесь малость jC достигается за счет того, что ширина
(в первом случае) или ширина и толщина (во втором случае) перемычки мостика много меньше, чем у его “берегов”– электродов. Типичная толщина пленки
21
берегов опять ~10-5 см, а толщина перемычки может составлять несколько единиц 10-6 см. Длину мостиков стараются делать как можно меньше – до нескольких единиц 10-5 см.
Более сложна геометрия в слабых связях типа точечных контактов (ж) и в
других сходных структурах – “каплях Кларка”, микропроколах и т. п. В них в
разделяющем электроды окисном слое (обычно толщиной порядка 10 -6 см) образуются “микрозакоротки”. Обычно типичный размер закоротки порядка 10-6
см и много меньше размеров площади механического контакта электродов. Таким образом, слабость связи здесь также достигается за счет сильной концентрации тока [4].
Рассмотрим элемент Джозефсона, представляющий собой два сверхпроводника, разделенные очень тонким слоем диэлектрика (1 – 2 нм). При наличии такого тонкого диэлектрика в элементе будет наблюдаться туннельный эффект
Рис. 2.3. Включение элемента Джозефсона в цепь
При включении элемента Джозефсона в цепь, как показано на рис. 2.3. В
соответствии с выводами Джозефсона, при US = 0 и U0 ≠ 0 в цепи будет существовать постоянный ток, направление которого определяется полярностью
напряжения U0.
При напряжении US ≠ 0 на контакте должен появиться высокочастотный переменный ток, частота которого определяется выражением
νJ = 2eUS/h.
Ток контакта в данном случае определяется выражением
(2.4)
22
IS = IS max sin(φ2 – φ1),
(2.5)
где φ1, φ2 – фазы систем куперовских пар в сверхпроводниках.
Третьим важным эффектом является периодическая зависимость тока IS max
от величины магнитного потока ФB, пронизывающего диэлектрик:
IS max(В) = IS max(0)∙sin(πФВ/Ф0)/(πФВ/Ф0),
(2.6)
где В – магнитная индукция;
Ф0 = h/(2e) – квант магнитного потока (рис. 2.4).
Рис 2.4. Зависимость тока через элемент Джозефсона от магнитного потока
Данные свойства переходов Джозефсона используются для создания различных измерительных приборов и вычислительных устройств. В частности, на
их основе изготавливают интегральные схемы, содержащие как логические
элементы, так и ячейки памяти.
На практике также используется контур из нескольких джозефсоновских
переходов, включенных параллельно, так называемый сверхпроводящий квантовый интерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого для управления током, зависит от площади контура и может быть
очень мала. Поэтому СКВИДы применяют там, где нужна большая чувствительность.
23
2.3.
Методы получения перехода Джозефсона
Джозефсоновские туннельные переходы представляют собой две тонкие
сверхпроводящие пленки, разделенные барьерным слоем диэлектрика, полупроводника или металла (соответственно S-D-S, S-P-S, S-N-S). Их возможно
получить различными методами, следовательно, открывается большой выбор
возможных конструкций и технологий.
2.3.1. Получение щели разрушением сверхпроводящей пленки
Механический
Возможно “выцарапывание” перехода Джозефсона в ВТСП пленке алмазным зондом микроскопа
Ионное распыление
Создание джозефсоновского перехода методом ионного распыления. Процесс описан в [5] и состоит в том, что в сплошной пленке высокотемпературного сверхпроводника методом ионного распыления создается щель (рис. 1.10).
Рис. 2.5
Второй вариант данной технологии описан в [6, 7 , 8]. В данном случае
“слабая связь” получается созданием щели в слое проводника, проходящего над
сверхпроводящей пленкой. Данная технология показана на рис. 2.6
24
а)
б)
Рис. 2.6. Процесс получения барьера в сверхпроводнике: а – вид спереди, б – вид сбоку
Электронное распыление
Процесс показан в [4] и приведен на рис. 2.7
25
Рис. 2.7
2.3.2. Использование нескольких пленок
Органическая пленка между двумя пленками сверхпроводника
Переход может быть создан плазменным методом в вакууме, газ – ацетилен,
напыляется углеводород, диэлектрик с толщиной 5 нм между двумя пленками –
верхней и нижней – формируется диэлектрический слой (переход Джозефсона).
Необходимо проверить, возможен ли джозефсоновский переход при такой
толщине либо можно ли уменьшить толщину диэлектрического слоя при отсутствии коротких замыканий между сверхпроводящими пленками. Также необходимо удостовериться, что органическая пленка не будет загрязнять сверхпроводящую.
Неорганическая пленка
Нанесение на сверхпроводящую пленку несверхпроводящую неорганическую, затем сверху еще одну сверхпроводящую.
Необходимо подобрать материал несверхпроводящей пленки, чтобы: 1.
обеспечивалась требуемая тонкость при отсутствии коротких замыканий между
сверхпроводящими пленками; 2. не происходило нарушения сверхпроводимости в результате диффузии примесей из пленки (напр., пленка из Ag)
Необходимо подобрать технологию, обеспечивающую отжиг и насыщение
кислородом обеих ВТСП пленок, либо использовать материал несверхпроводящей пленки, не препятствующий диффузии кислорода (Ag). Также необхо-
26
димо подобрать конструкцию Джозефсоновского перехода для данной слоистой структуры
Создание щели путем нарушения сверхпроводимости
Ионная имплантация
Получение тонкого диэлектрического слоя путем нарушения сверхпроводимости внедрением примесей, подавляющих ее.
Схожий метод получения описывается в [9]. Он приведен на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Техпроцесс получения перехода Джозефсона в BSCCO путем внедрения ионов
кремния
Необходимо подобрать материал примеси, который не будет диффундировать в сверхпроводник после окончания процесса получения щели, напр., внедрение легирующей примеси, которая не растворяется и не может диффундировать в данном материале сверхпроводника
27
Нарушение структуры пленки
Подавление сверхпроводимости путем нарушения структуры кристаллической решетки, например, пучком электронов, ионов, лазерным лучом или каким-то другим способом.
Активация диффузии в нужном месте
Необходимо найти примесь, которая подавляет сверхпроводимость, но при
данной температуре в сверхпроводник не диффундирует. Распылить такую
примесь над сверхпроводником (лучше, если она имеет газообразное состояние
– например, углекислый газ – углерод ведь подавляет сверхпроводимость?). В
нужном месте обеспечить необходимый нагрев, активирующий диффузию
примеси. Нагрев можно осуществить: 1. лазерным лучом; 2. электронным пучком; 3. пучком ионов.
Например, данный процесс можно провести одновременно с отжигом в атмосфере кислорода (+ примесь).
Встают вопросы, возможно ли обеспечить стабильность полученного перехода и возможно ли провести этот процесс с необходимой точностью?
2.3.3. Создание сверхпроводника
Пленка изначально не сверхпроводящая. Сверхпроводящие области в виде
“островов” создаются только там, где они нужны, путем, например, внедрения
ионов, недостающих для того, чтобы обеспечить сверхпроводимость. Пример
подобного техпроцесса для диборида магния приведен в [10] и на рис. 2.9.
28
Рис. 2.9. Острова сверхпроводящего диборида магния, полученные имплантацией ионов бора
в магний
Второй вариант – проводить отжиг в атмосфере кислорода при температуре,
немного ниже требуемой и создавать локальное повышение температуры лазерным лучом, электронным пучком либо пучком ионов. Встают вопросы, возможно ли получить структуру с необходимой точностью и возможно ли добиться стабильности полученной структуры?
2.3.4. Создание щели путем работы с кристаллической решеткой подложки
Нанесение ВТСП пленки на “бикристаллическую” подложку, которая представляет собой искусственно выращенную пластину из двух сросшихся между
собой диэлектрических кристаллов, угол разориентации которых подбирается
заранее. Кристаллографическая ориентация растущей пленки подстраивается
под ориентацию подложки, так что полученная ВТСП пленка имеет межгранульную границу. Получается система – два сверхпроводящих кристалла, разделенных тонкой несверхпроводящей подложкой – переход Джозефсона.
Видимо, не подходит для возможной технологии получения ВТСП пленки
вследствие невозможности создать структуру подложки с разориентацией, повторяющей конфигурацию требуемого устройства. Впрочем, если требуется создать множество переходов Джозефсона на одном уровне, например, в интегральной микросхеме, данная технология может использоваться (рис. 2.10).
29
Рис. 2.10. Устройство на основе перехода Джозефсона. 1 – подложка, 2 – линия, вдоль которой меняется угол разориентации подложки, 3 – повторяющаяся структура, частью которой
является переход Джозефсона
30
3. Корпус-экран магнитного поля для микросхемы и способ его изготовления
Существуют экраны магнитного поля, представляющие собой сверхпроводниковые или ферромагнитные полости (сферы, цилиндры, стаканы), внутри которых размещаются экранируемые устройства. Известны следующие способы
изготовления таких экранов: прессование с последующим спеканием сверхпроводника (ВТСП) или ферромагнитного порошка, нанесение ВТСП или ферромагнитного покрытия на изолирующую подложку – полость и его вжигание.
Существуют корпуса интегральных схем, содержаще ферромагнитное пленочное покрытие верхней и боковых сторон и ферромагнитосодержащее основание, образующее магнитный экран [11]. Недостатком такого корпуса является
то, что ферромагнитные экраны обладают высокими собственными магнитными шумами, сильными остаточными магнитными полями в экранируемом объекте. Известен способ изготовления устройства, когда ферромагнитную пленку
наносят на изолирующую крышку корпуса методом напыления или намазывания, основание корпуса изготавливают путем прессования или литья смеси
нейтральной и ферромагнитной компонент. Недостатком такого способа является его сложность (различные технологии для основания и крышки корпуса), а
также наличие стыка между крышкой и основанием корпуса, через который могут проникать магнитные поля.
Использование в качестве экрана ВТСП пленочного покрытия корпуса позволит повысить качество магнитного экрана: обеспечить снижение шумов и
остаточных магнитных полей. При переходе в сверхпроводящее состояние в
ВТСП покрытии возникает эффект Мейсснера: магнитное поле выталкивается
из материала покрытия. Причиной эффекта являются сверхтоки, которые возникают в сверхпроводнике и текут в его приповерхностном слое толщиной ~λ.
На базе данного эффекта известны различные экраны, как низко-, так и высокотемпературные. Для ВТСП материалов характерна малая длина когерентности
(ξ0=10-10–10-9 м) в сравнении с низкотемпературными сверхпроводниками
31
(ξ0=10-6 м). Это приводит к тому, что потенциальный барьер шириной более ξ0
оказывается непрозрачным для сверхтока. Такой барьер возникает при контакте
ВТСП покрытий основания и крышки корпуса при его сборке. Этот барьер будет препятствовать прохождения сверхпроводникового тока и создает участки,
сквозь которые может проникнуть магнитное поле внутрь экрана. Для достижения технического результата потенциальный барьер должен быть уменьшен
или ликвидирован. Результат достигается также тем, что после сборки к горизонтальным плоскостям крышки и основания корпуса прикладывают давление
P, равное пределу текучести материала покрытия σT и разность потенциалов
UПП. Давление P позволяет деформировать часть выступов пленки и обеспечить
контакт. Напряжение UПП обеспечивает ток, с помощью которого разогревают
зону контакта до подплавления материала ВТСП TПП. В это же время Δt происходит электродиффузионное заращивание дефектной зоны в контактной области (Δt – время формовки контакта). Оно заканчивается, когда падение напряжения на контакте приближается к падению напряжения на аналогичном участке ВТСП пленки U0. Тогда ток отключают. Впоследствии корпус герметизируют, например заливкой. Условия формовки контакта крышка корпуса – основание выбирают из следующих соображений. Известно, что при протекании тока
через контакт, удельное сопротивление перехода которого больше удельного
сопротивления материала, перегрев θ на контакте определяется следующей
формулой [12, с. 103]
U2

,
8k
(3.1)
где θ – температура перегрева, θ=T-T0;
U – напряжение на контакте;
 k – среднее значение электро- и теплопроводности материала контакта;
T0 – температура материала вне зоны контакта.
Температуру в контакте необходимо увеличить до температуры подплавления TПП, меньшей температуры плавления TПЛ. TПП≈0,8 TПЛ.
32
Для достижения подплавления (3.1) можно переписать в виде
Т ПП
2
U ПП

 Т0 .
8k
(3.2)
Таким образом, используя (3.2) можно найти UПП для ВТСП материала с параметрами  k


U ПП  8 k TПП  Т 0 
1/ 2
.
(3.3)
Среднее значение  k можно найти по известной формуле
1
k 
TПП  Т 0
T ПП
  (T )k (T )dT .
(3.4)
Т0
Известно, что с ростом температуры сопротивление растет. Для сопротивления стягивания контакта можно записать


2
2


 (T )   0 1  T  ,
(3.5)
где α – температурный коэффициент сопротивления (определяют по таблицам
или результатам измерений).
Теплопроводность материала k также является функцией температуры. В
частности, можно использовать выражение
k (T )  AT  BT 3 ,
(3.6)
где A и B – коэффициенты зависящие от состава и структуры материала (определяют по таблицам или результатам измерений).
Используя выражения (3.4)-(3.6), можно определить напряжение, необходимое для формовки контакта. Время формовки контакта можно оценить по результату – удельному сопротивлению контакта ρК. Если оно становится сравнимым с удельным сопротивлением аналогичного участка ВТСП покрытия ρ0,
формовку заканчивают. Этот момент определяют, сравнивая падение напряжения на контакте UК и вне его U0. Для этого к поверхности ВТСП покрытия под-
33
ключаются контакты вдоль линии тока. Кроме того, условия перегрева в этом
случае уменьшаются до нуля (ρК ≈ ρ0).
Именно такой способ позволяет уменьшить или ликвидировать барьер между крышкой и основанием корпуса и достичь результата.
Использование корпуса позволяет получить:
 уменьшение остаточных магнитных полей;
 повышение коэффициента ослабления экрана;
 снижение собственных магнитных шумов;
 повышение технологичности способа изготовления;
 режимы обработки выбираются с учетом характеристики ВТСП материала.
На рис. 3.1 представлен разрез корпуса экрана, на рис. 3.2 – увеличенный
разрез области контакта до формовки. На рис. 3.3 показана схема формовки
контакта, на рис. 3.4 – увеличенный разрез области контакта после формовки.
Корпус-экран содержит основание корпуса 1 с выводами 2, на котором
установлено экранируемое устройство, например, микросхема 3. Он также содержит крышку корпуса 4 (рис. 3.1). Материал корпуса – керамика ВК-98
(Al2O3). Реализация корпуса может быть выполнена следующим образом. На
основание и крышку корпуса нанести ВТСП покрытие Y-123 5 с окнами 6 для
выводов корпуса, после чего крышку и основание корпуса соединить. Зона контакта 7 представлена на рис. 3.2. К основанию и крышке корпуса приложить
давление 9 и разность потенциалов от источника 10 (рис. 3.2, 3.3). Графики работы схемы проиллюстрированы на рис. 3.5 и рис. 3.6. При включении разности потенциалов на корпусе температура контакта повысится от T0 до TПП в интервале t2–t1 в зоне контакта произойдет формовка, подплавление и диффузионное заращивание материала контакта. После окончания процесса формовки
корпус загерметизируют с помощью заливки эпоксидной смолой. Для проведения оценки магнитного поля внутрь корпуса-экрана непосредственно перед
сборкой можно поместить датчик Холла, а после заливки корпус поместить в
34
магнитное поле, затем измерить коэффициент ослабления внешнего магнитного
поля.
Рис. 3.1.
Рис. 3.2
Рис. 3.3
Рис. 3.4
5
Рис. 3.5
Рис. 3.6
35
4. Измерения
4.1.
Измерение температуры
Для измерения низких температур, использующихся в экспериментах (температура жидкого азота 77К=-196ºС) можно использовать термометры сопротивления (платиновый – для прецизионных измерений, медный, угольный) и
термопары.
4.2.
Создание магнитного поля
Источниками магнитного поля могут служить постоянные магниты (в т.ч.
неодимовые) или катушки индуктивности
4.2.1. Постоянные магниты
Их недостатком является то, что для изменения магнитного поля необходимо изменять конструкцию (то есть вручную добавлять или убирать магниты),
что в условиях температур жидкого азота может быть затруднительно
4.2.2. Катушки индуктивности
Помещаем внутрь магнитного экрана или другого прибора, распределение
магнитного поля которого нужно измерить, катушку индуктивности, которая
будет работать генератором магнитного поля. Подключаем к катушке 220 В 50
Гц сети (например, через токоограничивающий резистор). Измеряем магнитное
поле датчиками, расположенными вокруг исследуемого прибора.
Изменяем напряжение на катушке ЛАТРом или переменным резистором при этом можно снять изменение магнитного поля вне экрана.
Примечание: для питания катушки можно также использовать генератор
синусоидальных колебаний. В этом случае можно будет исследовать зависимость магнитного поля не только от уровня напряжения на катушке, но и от частоты импульсов (найти эффективность экранирования при разных частотах).
36
4.3.
Измерение магнитного поля
Для измерения магнитного поля можно использовать различные типы датчиков.
4.3.1. Датчики Холла
Недостаток датчика Холла – достаточно высокая стоимость прибора, работающего при низких температурах, вследствие чего невозможно закупить нужное количество датчиков для измерения магнитного поля в точках вокруг прибора и исследования картины магнитного поля.
Возможно использование одного датчика Холла с изменением его положения в пространстве для измерения интенсивности магнитного поля во всех
нужных точках, но в условиях низких температур это может быть достаточно
сложно.
4.3.2. Катушки индуктивности
Катушки индуктивности достаточно дешевы и имеется возможность использовать готовые или намотать достаточное число катушек для получения
картины магнитного поля вокруг исследуемого прибора.
Недостаток катушек индуктивности – измерение только переменного магнитного поля.
4.3.3. SMD катушки индуктивности
Преимущество SMD катушек – повышение разрешающей способности измерений вследствие их малого размера, что может повысить точность измерения магнитного поля. Также возможно использование сборок из большого количества катушек индуктивности на одной плате.
SMD катушки индуктивности и дроссели можно найти на материнских платах компьютера в районе USB порта. Они выглядят как конденсаторы, но
надпись рядом с ними начинается с L.
37
4.3.3.1.
Эксперименты на SMD катушках индуктивности с ис-
пользованием неодимового магнита
Катушка индуктивности подключалась к осциллографу и измерялась максимальная амплитуда напряжения на ней.
SMD катушка индуктивности сравнительно большого размера: при отсутствии магнита – амплитуда 7 мВ, в момент поднесения неодимового магнита к
катушке – амплитуда 14-15 мВ
SMD катушка индуктивности маленького размера (как стандартный SMD
конденсатор): при отсутствии магнита – амплитуда 3 мВ, в момент поднесения
неодимового магнита – амплитуда 6 мВ
Таким образом, для оптимального измерения напряжения на таких катушках с источником магнитного поля подобного уровня с использованием АЦП
Arduino (во всем диапазоне 0…5 В) необходимо обеспечить усиление в
5000/15=300 раз. Либо, при измерении непосредственно АЦП, необходима точность измерения не менее 1 мВ.
4.3.4. Вращающаяся катушка индуктивности
Может быть использована для измерения постоянного напряжения. Недостатком является сложная механическая конструкция и необходимость обеспечения одинаковой скорости вращения катушек для одинаковой их чувствительности к магнитному полю. Вариант не планируется использовать.
4.3.5. Калибровка
Измерение напряжения с датчиков дает только качественные, но не количественные показатели магнитного поля. Для пересчета данного напряжения в
индукцию магнитного поля B необходимо найти коэффициент зависимости
напряжения от индукции магнитного поля U=k·B. Для этого нужно измерить
напряжение при заранее известной индукции магнитного поля, например, используя в качестве источника магнитного поля катушки, параметры которой
38
(количество витков, диаметр) известны и по этим параметрам проведен расчет
индукции генерируемого ею магнитного поля.
4.4.
Автоматизация
4.4.1. Контроллер
В качестве устройства управления и сбора данных при экспериментах планируется использовать контроллер Arduino Mega. Он достаточно дешев, при
этом имеет большое количество цифровых каналов ввода-вывода (54 , 14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ) и аналоговых каналов ввода
(16).
На аналоговых входах стоит АЦП, базовый диапазон измерения которого
0…+5 В (может меняться, см. п.п. Повышение точности при измерении АЦП).
Разрешение АЦП – 10 бит, то есть может измерять 1024 различных значения
напряжения в диапазоне [13].
Тактовая частота контроллера – 16 МГц, но частота измерений при использовании одновременно всех аналоговых каналов, скорее всего, будет меньше.
Для определения максимально частоты опроса необходимы дополнительные
эксперименты.
При необходимости повышения количества каналов (если измерений в 16
точках окажется недостаточно для определения картины магнитного поля) есть
возможность увеличить количество используемых контроллеров Arduino Mega.
Например, при использовании трех контроллеров, связанных друг с другом
(для связи используется Serial порт, также известный как UART).
Измеренные контроллером значения передаются в компьютер по USB порту. Имеется возможность записывать данные в виде таблицы в Excel, используя
программу PLX-DAQ. На этих табличных данных планируется построить визуализацию магнитного поля и модель магнитного поля.
39
Программирование контроллера Arduino Mega достаточно просто и осуществляется на Си-подобном языке Wiring в среде Arduino IDE, которая является бесплатной.
4.4.2. Схема измерения
Канал: катушка индуктивности (на материнской плате – SMD дроссели),
операционный усилитель, опционально компаратор, который отсекает напряжение ниже некоего уровня – помехи, например, LM393, аналоговый вход Arduino
Контроллер Arduino Mega имеет 16 аналоговых входов, так что может быть
до 16 таких каналов, измеряющих уровень магнитного поля в 16 точках.
Примечание 1: может быть измерено только переменное магнитное поле
Примечание 2: маленькие размеры катушки индуктивности требуются для
того, чтобы измерять уровень магнитного поля именно в этой точке (повысить
“разрешающую способность”)
4.4.3. Измерение максимального значения
Снятие сигнала с катушек индуктивности может выполняться в момент
максимальной амплитуды напряжения на генераторе (максимального магнитного поля). Для обеспечения такой возможности необходимо предусмотреть
схему слежения за входными импульсами либо отслеживать напряжение программно, например, брать самую большую амплитуду за каждую 1/50 секунды
(в случае использования для питания сетевого напряжения). Потребуется не
менее 10 измерений за 1/50=2 мс. Также можно программно убирать сигналы
низкого уровня – эмулировать компаратор.
4.5.
Точность измерений напряжения
Сигнал, поступивший с датчика Холла, катушки индуктивности, элемента
Джозефсона, является уровнем напряжения, меняющимся (как правило) во
времени. Требуется измерить его с достаточной скоростью и точностью. Точные требования будут сформулированы в процессе расчетов и экспериментов.
40
Первоначальные требования: точность измерения 1 мВ и менее, частота измерений 1 кГц и более (1000 измерений в секунду и более).
4.5.1. Использование операционного усилителя (ОУ)
Возможно усиление измеренного напряжения в нужное количество раз схемой, использующей ОУ. Пример подобной схемы приведен ниже
Рис. 4.1. Схема подключения операционного усилителя к микроконтроллеру
Для того, чтобы не было необходимости в создании дополнительного источника питания, необходимо использовать ОУ, работающий от питания, даваемого Arduino: +5 В и 0 В, например, ОУ из приведенной выше схемы LM358.
Потребуется усилитель на каждый канал. Есть микросхемы, которые имеют
4 ОУ в одном корпусе. Для 16 каналов потребуется схема с использованием 4
таких микросхем.
4.5.2. Повышение точности при измерении АЦП
Можно попробовать избежать установки усилителя за счет повышения чувствительности регистрирующего прибора (при использовании усилителя увеличивается сложность и стоимость схема, а также усилитель будет усиливать и
шум)
4.5.2.1.
Вариант 1
Использовать АЦП с большей разрядностью (например, имеющийся в Arduino АЦП имеет шаг измерения напряжения при использовании настроек по
умолчаниию 5/1024≈5 мВ (то есть на выходе будет 5, 10, 15 мВ и т.д.) что недо-
41
статочно для измерений магнитного поля SMD катушек (см. эксперименты с
катушками))
Если взять АЦП с разрядностью 14, измеряющий в диапазоне 0…5 В, то
шаг будет 5/214=5/16384≈0,3 мВ, что было бы достаточно для необходимых измерений
К сожалению, подобные АЦП имеют высокую стоимость.
4.5.2.2.
Вариант 2
Уменьшить диапазон измерения, используя опорное напряжение на входе
AREF или внутреннее напряжение контроллера.
Контроллер Arduino Mega имеет внутренний источник напряжения
(INTERNAL1V1) 1,1 В (см. его описание его команды analogReference). При
использовании данного источника шаг напряжения, измеряемого АЦП, будет
1,1/1024≈1,1 мВ
При использовании внешнего источника напряжения (EXTERNAL), можно
подключить к AREF еще меньшее напряжение, повысив чувствительность
АЦП. Создать нужное напряжение можно, например, используя делитель
напряжения на постоянном и переменном резисторе, устанавливая нужное
напряжение перед измерением, используя вольтметр. Используя опорное
напряжение 0,1 В, получим шаг напряжение 0,1/1024≈0,1 мВ, что достаточно
для проведения нужных измерений.
42
Заключение
В результате измерений планируется получить картину магнитного поля (в
том числе трехмерную и/или динамическую), измерить температура перехода в
сверхпроводящее состояние Tкр, критическое магнитное поле, разрушающее
сверхпроводимость Hкр, параметры элементов Джозефсона.
Целью исследований будет являться создание системы высококачественных
магнитных экранов для различных целей, обладающих оптимальными характеристиками и стоимостью. Задачи:
1. Разработать модель магнитного поля в данных экранах с учетом их геометрических характеристик и критических параметров.
2. На основе анализа данной модели дать практические рекомендации по созданию эффективных магнитных экранов.
3. Провести экспериментальное исследование магнитного поля в реальных
экранирующих системах магнитных экранов.
4. Разработка технологий повышения качества магнитных экранов.
5. Разработка новых оригинальных устройств для криоэлектроники с использованием магнитных экранов.
43
Список литературы
1. Бондаренко С.И., Шеремет В.И. Применение сверхпроводимости в магнитных
измерениях – Л.: Энергоатомиздат, 1982. – 132 с.
2. U.S.Pat. №4942379A, 17.07.1990.
3. Д. Н. Лаигенберг, Д. Док. Скалапиио и Б. Н. Тейлор. Эффекты Джозефсона.
Успехи физических наук, февраль 1967, Том 91, вып. 2, с. 318-330
4. К. К. Лихарев. Сверхпроводящие слабые связи: стационарные процессы. Успехи
физических наук, февраль 1979 г., Том 127, вып. 2, с. 185-220
5. Fabrication of YBaCuO Junctions by the Irradiation of Focused Ion Beam. H. Shiga,
Y. Soutome, and Y. Okabe. September 15, 1998
6. Masked ion damage and implantation for device fabrication. M.G. Blamirea, D.-J.
Kang et al. Vacuum 69 (2003), p. 11–15
7. Irradiation damage technology for manufacturable Josephson junctions. D.-J. Kang ,
N.H. Peng et al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 188 (2002),
p.183-188
8. SNS junction arrays for standards and other applications. Mark Blamire. Presentations
made at the European Research Conference (EURESCO) on "Future Perspectives of Superconducting Josephson Devices”: Euroconference on Physics and Application of Multi-Junction Superconducting Josephson Devices, Acquafredda di Maratea, Italy, 1-6 July
2000.
9. Bi-Sr-Ca-Cu-O intrinsic Josephson junctions fabricated by inhibitory ion implantation. K. Nakajima, N. Yamada, et al. IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 9, NO. 2, JUNE 1999. p. 4515-4518
10. Microwave absorption (MMMA) – a contacless method to study superconductors
and magnetic nanostructures. Jan Stankowski
11. Патент 7183617 В2, США, 27.01.2007
12. Хольм Р. Электрические контакты. – М.: Изд. иностр. литературы, 1961.-464 с.
13. Arduino Mega 2560 http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560