|
|
 |
|
|
|
Energetyka, Automatyka przemysłowa, Elektrotechnika
|
|
|
|
|
|
|
W artykule przedyskutowano zagadnienie wykorzystania nadprzewodników do pomiaru pól magnetycznych. Rozpatrzono działanie cienkowarstwowych, wysokotemperaturowych nadprzewodnikowych interferometrów kwantowych SQUID-ów, które znajdują coraz szersze zastosowanie, szczególnie w biomedycynie. Przedstawiono zakres pól magnetycznych występujących w przyrodzie i stosowalność do ich pomiaru SQUID-ów.
Prawidłowa praca współczesnych przyspieszających urządzeń stosowanych w fizyce jądrowej wymaga budowy elektromagnesów wytwarzających indukcję magnetyczną o odpowiednim natężeniu i kształcie. Przykładem takiego liniowego akceleratora, jest projekt Pol-FEL, budowy pierwszego w Polsce lasera na swobodnych elektronach. Występują w nim undulatory wytwarzające szybko zmienne przestrzennie pole magnetyczne, jak też odchylające elektromagnesy kwadrupolowe i dipolowe. W celu pomiarów rozkładów silnych pól magnetycznych stosuje się szereg metod, takich jak sond Halla, wirujących cewek, rozciągliwej lub wibrującej struny i inne. Z kolei w badaniach biomedycznych, które także są realizowane z pomocą akceleratorów zjonizowanych cząstek, w tym PolFEL-a, istotne są słabe pola magnetyczne, związane ze strukturami tkanek i organizmów biologicznych. Stąd też precyzyjny pomiar pól magnetycznych wymaga udoskonalania stosowanych metod. W niniejszym artykule przedstawimy metody pomiarów pól magnetycznych z wykorzystaniem czujników nadprzewodnikowych, które zasadniczo stosowane są w przypadku najniższych indukcji, charakterystycznych w badaniach biomedycznych, ale mogą tez być po wprowadzeniu odpowiedniego obwodu transformatorowego użyte w silnych polach magnetycznych.
Wzrost zainteresowania technologiami nadprzewodnikowymi notuje się szczególnie obecnie, wskutek odkrycia coraz to nowych materiałów nadprzewodnikowych o rekordowych temperaturach krytycznych. O ile dawniej nadprzewodnictwo było unikalnie występującym zjawiskiem w helowych temperaturach, to obecnie zachodzi już w temperaturze pokojowej osiągając Tc = 140C w mieszaninie H2S + CH4 pod olbrzymim ciśnieniem 267 GPa. Z kolei w 2018 r. stwierdzono występowanie nadprzewodnictwa w sposób naturalny w kosmosie, badając meteoryt australijski Mundrabilla. Zaobserwowano wówczas nadprzewodnictwo w 5 K w próbce z tego meteorytu, w której stwierdzono występowanie aluminium, indu i prawdopodobnie ołowiu. Poza czysto poznawczym walorem tych badan nadprzewodnictwo staje się coraz szerzej obiektem prac aplikacyjnych. Stąd też niniejszy artykuł poświęcony wykorzystaniu materiałów nadprzewodnikowych, do precyzyjnego pomiaru niskich pól magnetycznych. Unikalne właściwości tych materiałów umożliwiają bowiem najczulszy znany obecnie pomiar słabych pól magnetycznych. Szczególnie perspektywiczne pod tym względem są przyrządy oparte na złączach Josephsona, których najbardziej rozpoznawalnym przykładem są interferencyjne detektory kwantowe SQUID-y (Superconducting Quantum Interference Device). Analiza pracy SQUID-ów zostanie w artykule przedyskutowana w sposób poglądowy, co jak autor ma nadzieję przybliży Czytelnikowi tę problematykę, bez konieczności używania skomplikowanego aparatu matematycznego.
Rys. 1. Schemat konstrukcji warstwowego nadprzewodnikowego interferometru kwantowego SQUID-u
Ich podstawę konstrukcji stanowią dwa tunelowe złącza Josephsonowskie połączone równolegle. Jak pokazane to jest na rysunku 1 SQUID obejmuje zamkniętą powierzchnię, przez którą przechodzi mierzony tym urządzeniem strumień indukcji magnetycznej. Prąd płynący przez obydwa ramiona SQUID-u, w postaci par Coopera stanowiących elementarne nośniki prądu w nadprzewodnikach ulega więc rozpływowi i następnie powtórnemu złączeniu na wyjściu, przy uwzględnieniu interferencji między funkcjami falowymi par Coopera z poszczególnych gałęzi. Tak więc widoczna jest tutaj pewna analogia do dyfraktometrów optycznych, opartych na interferencji fal optycznych, prowadzącej do powstania prążków dyfrakcyjnych. Podstawową różnicą jest to, że interferencje w dyfraktometrze optycznym są czułe na światło o określonej długości fali, natomiast w SQUID-ach interferencje funkcji falowych nadprzewodników zależą od strumienia indukcji magnetycznej przechodzącej przez otwór SQUID-u oraz symetrii parowania elektronów: sferycznej typu s pokazanej na rys. 2 lub anizotropowej typu d. Oznacza to, że w przypadku dwóch równoległych złączy Josephsonowskich, pokazanych na rys. 1 i będących podstawowym elementem nadprzewodnikowych interferometrów kwantowych prąd I płynący przez SQUID jest opisany sinusoidalną zależnością od różnicy faz funkcji falowych par Coopera ΔΦ na okładkach złącza i jest proporcjonalny do wyrażenia na maksymalny prąd Josephsonowski Imax, zgodnie z zależnością I = Imax sinΔΦ.
Maksymalny prąd Imax płynący przez SQUID Imax =2I0cos(πΦ/Φο) jest właśnie funkcją strumienia indukcji magnetycznej Φ przechodzącego przez powierzchnię otworu interferometru, I0 jest stałą prądową. Strumień ten znormalizowany jest do jednostki kwantu strumienia indukcji magnetycznej o wartości Φ0 = 2,067⸱10-15 Wb. Wielkość kwantu strumienia Φ0 określa więc czułość tego unikalnego magnetometru, a w przypadku złączy Josephsonowskich typu π, o parowaniu typu d i anizotropowej symetrii funkcji falowej nadprzewodników pokazanej na rysunku 2, czułość ta może zostać nawet podwyższona.
Rys. 2. Porównanie symetrii sferycznej funkcji falowej nadprzewodników klasycznych o parowaniu typu s oraz anizotropowych, wysokotemperaturowych nadprzewodników z parowaniem typu d
Ostatnio odkrywane nadprzewodniki wysokotemperaturowe, charakteryzują się silną anizotropią, co spowodowane jest anizotropowym parowaniem elektronów typu d i prowadzi do występowania symetrii funkcji falowej nie typu izotropowego, sferycznego s, jak ma to miejsce w przypadku nadprzewodników klasycznych, ale anizotropowego. Wówczas występować może różnica faz funkcji falowych na obydwu okładkach złącza Josephsona o wielkość π, stąd nazwa takiego złącza typu π. O ile przyjmiemy na podstawie powyższych wzorów, że czułość SQUID-u jest na poziomie jednego kwantu strumienia Φ0, to przy powierzchni otworu złącza równej 10 cm2 otrzymamy czułość SQUID-u rzędu 2⸱10-12 T. I taka jest czułość SQUID-u wysokotemperaturowego, jak pokazuje to rysunek 3. Natomiast SQUID-y niskotemperaturowe, ze względu na niższe szumy termiczne mogą rejestrować znacznie mniejsze indukcje magnetyczne o wartości 10-14 T, co także przedstawia rys. 3.
SQUID-y wykorzystywane są w badaniach biomedycznych, gdyż umożliwiają najczulszy znany pomiar słabych pól magnetycznych przechodzących przez ich powierzchnię rzędu 10-14 T, podczas gdy pole magnetyczne serca ludzkiego wynosi 10-10 T, a mózgu 10-13 T. Jak słabe to są sygnały pokazuje porównanie z polem magnetycznym Ziemi, które jest kilka rzędów wielkości większe.
Powstały więc nowe specjalności medyczne badania pacjentów z pomocą magnetokardiografii, czyli pomiarów pola magnetycznego ludzkiego serca oraz magnetoencefalografii, pomiaru rozkładów pola magnetycznego mózgu ludzkiego. SQUID-y wykorzystywane też są coraz częściej w badaniach nieniszczących, szczególnie np. niewidocznych gołym okiem i tradycyjnymi metodami wewnętrznych pęknięć szyn, kół samolotów.
Rys. 3. Zależność od częstotliwości natężenia sygnałów magnetycznych pochodzących od obiektów biologicznych oraz przemysłowych – komunikacji miejskiej oraz charakterystyk SQUID-ów
ZAKOŃCZENIE
W artykule przedstawiono wykorzystanie materiałów nadprzewodnikowych w czujnikach słabych pól elektromagnetycznych. Omówiono w tym celu budowę i zasadę działania kwantowych nadprzewodnikowych detektorów interferencyjnych SQUID-ów, które umożliwiają uzyskanie czułości pomiaru indukcji magnetycznej do 10-14 T. Pokazano więc rozwój techniki pomiaru pola magnetycznego, w porównaniu do dawnej metody stosowania zwyklej, bifilarnej cewki miedzianej, użytecznej dla przybliżonego wyznaczania wartości indukcji magnetycznej. Wykorzystuje się wówczas znaczny wzrost magnetorezystancji miedzi w silnych polach.
Źródło: ELEKTRONIKA nr 4/2022
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
