«сквид-магнитометрия»
Скачать 189.32 Kb.
|
Подготовила: Анастасия Селиверстова У4-03 ОглавлениеВведение 2 Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников 2 Эффект Джозефсона 4 Магнитометр 5 Сверхпроводящий материал – соединение Nb3Sn 7 Получение переходов Джозефсона 8 Техническое воплощение 11 Применение Магнитометрии в археологии 14 Заключение 18 Список литературы 18 Введение Из всех многочисленных устройств сверхпроводниковой нелинейной электроники, базирующихся на эффекте Джозефсона, в настоящее время наиболее широко известны магнитометры на основе сверхпроводниковых квантовых интерферометров, так называемых СКВИДов. В данной работе рассмотрим принцип работы СКВИД-магнитометров и области применения этих высокотехнологичных устройств.
Явление сверхпроводимости состоит в том, что при некоторой температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление в некоторых материалах исчезает. Эта температура называется критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов. Сверхпроводимость материалов объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат. По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода. Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера). Напряженность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем. У сверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитного поля, где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии. Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать критический ток. Объясняется это тем, что поле, создаваемое током, превысит, вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.
Данный эффект заключается в протекании сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника, так называемый контакт Джозефсона. Электроны проводимости проходят через диэлектрик благодаря туннельному эффекту. Если ток через контакт Джозефсона не превышает определённого значения, называемого критическим током контакта, то падение напряжения на контакте отсутствует . Если же через контакт пропускать ток, бо́льший критического, то на контакте возникает падение напряжения V, и контакт излучает электромагнитные волны. Частота излучения v связана с напряжением на контакте соотношением v = 2eV/h, где е — заряд электрона, h — Планка постоянная. Возникновение излучения связано с тем, что объединённые в пары электроны, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт приобретают избыточную по отношению к основному состоянию сверхпроводника энергию 2eV. Единственная возможность для пары электронов вернуться в основное состояние — это излучить квант электромагнитной энергии hv = 2eV. Аналогичный эффект наблюдается и в том случае, когда сверхпроводники соединены тонкой перемычкой (мостиком или точечным контактом) или между ними находится тонкий слой металла в нормальном состоянии. Такие системы вместе с контактами Джозефсона называют слабосвязанными сверхпроводниками. На основе данного эффекта созданы сверхпроводящие интерферометры, содержащие две параллельно включённые слабые связи между сверхпроводниками. Особый, квантовый характер сверхпроводящего состояния приводит к интерференции сверхпроводящих токов, прошедших через слабые связи. При этом критический ток оказывается зависящим от внешнего магнитного поля, что позволяет использовать такое устройство для чрезвычайно точного измерения, до 8·10-7—8·10-8 a/м (10-8—10-9 э), магнитных полей. Имеются также возможности применения слабосвязанных сверхпроводников в качестве легко перестраивающихся в широком диапазоне частот маломощных генераторов, чувствительных детекторов, усилителей и др. приборов СВЧ- и далёкого ИК-диапазонов.  Рисунок . схемы экспериментов Схемы экспериментов, объясняющих эффект Джозефсона: а — падение напряжения на включенном в электрическую цепь сверхпроводнике равно нулю; б — при значительной толщине диэлектрика, разделяющего сверхпроводники, тока в цепи нет, вольтметр показывает эдс батареи; в — при малом зазоре между сверхпроводниками (Джозефсона эффект 10 Å существует ток сверхпроводимости (стационарный Д. э.); г — при наличии тока в цепи и напряжения на контакте Джозефсона в нём возникает электромагнитное излучение (нестационарный Д. э.).
Магнитометр - прибор на основе джозевсоновских переходов, применяющийся для измерения магнитного поля и градиента магнитного поля. В магнитометрах используются СКВИДы 2х типов: на постоянном токе и переменном. СКВИД на постоянном токе представляет собой два джозефсоновских перехода, включенных параллельно (рис.2). Рисунок СКВИД на постоянном токе  Включение осуществляется массивными сверхпроводниками, которые вместе с джозефсоновскими переходами а и b образуют замкнутый контур (кольцо). Внутрь этого кольца введена катушка, создающая магнитный поток. Работа СКВИДа на постоянном токе описывается двумя соотношениями Джозефсона:   Эти соотношения описывают соответственно стационарный и нестационарный эффект Джозефсона. Видно, что наиболее устойчиво сверхпроводящее состояние кольца по отношению к внешнему току будет в случаях, когда полный магнитный поток через интерферометр будет равен целому числу квантов потока Φ0. Наоборот, случай, когда полный поток равен полуцелому числу квантов потока, соответствует неустойчивому сверхпроводящему состоянию: достаточно приложить к интерферометру ничтожный ток, чтобы он перешел в резистивное состояние и чтобы вольтметр обнаружил напряжение на интерферометре. Работа СКВИДа на переменном токе основана на нестационарном эффекте Джозефсона и использует только один джозефсоновский контакт. Она менее чувствительна по сравнению со СКВИДом на постоянном токе, но дешевле и проще в производстве в малых количествах. Значительная часть фундаментальных измерений в биомагнетизме, включая даже измерение сверхмалых сигналов, были выполнены с использованием СКВИДов на переменном токе. 4. Сверхпроводящий материал – соединение Nb3Sn Соединение Nb3Sn имеет следующие параметры: Тк=18.2К, Нк2=18.5 МА/m (m0Нк=23Тл) при 4.2К. Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительные как к малым магнитным полям 10-17 Тл, так и к изменению больших магнитных полей »1Тл. Соединение Nb3Sn имеет такую решетку: атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и образуют со своими ближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг другу. Атомы ниобия в этих цепочках связаны дополнительными ковалентными связями. Цепочки ниобия в кристаллической структуре, для получения сверх проводящих свойств не должны быть нарушены, что может произойти при избытке атомов олова или при недостаточной степени порядка в кристаллической решетке. Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn приведена на рисунке:  Рис.7 Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn Соединение Nb3Sn хрупкое и изделия из него не могут быть получены обычным металлургическим путем (выплавкой с последующей деформацией). Массивные изделия из этого соединения: цилиндры, пластины и т.д. получают металлокерамическим методом (смешивая в соответствующих пропорциях порошки ниобия и олова, прессуя изделия нужной формы и нагревая их до температуры образования химического соединения Nb3Sn, обычно в интервале 960-1200O).
Как уже говорилось выше джозефсоновские туннельные переходы представляют собой две тонкие сверхпроводящие пленки разделенные барьерным слоем диэлектрика или полупроводника. Рассмотрим некоторые методы получения переходов с диэлектрическим барьером. На тщательно очищенную подложку в вакууме наносится первая пленка сверхпроводящего соединения толщиной в несколько тысяч ангстрем. Нанесение первой пленки осуществляется путем катодного распыления. Газовый разряд при низком давлении можно возбудить высокочастотным электрическим полем. Тогда в газовом промежутке, содержащим аргон, возникает тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом положительные ионы, разгоняются электрическим полем, ударяются о катод распыляя сплав. Вылетающие с катода атомы осаждаются на подложке. В такой системе были достигнуты скорости осаждения до 1А/сек. При смещении на катоде – мишени 500В. Для высокочастотного катодного распыления Nb3Sn необходим вакуум перед распылением 10-4 Па, температура подложки 900OС, чистота напускаемого аргона 99,999%, его давление менее 1Па. Для качества туннельного перехода большое значение имеет структура пленки. В напыленных пленках обычно сильно искажена кристаллическая решетка, и в них со временем происходят структурные изменения: течение дислокаций, деформация границ зерен, что может значительно ухудшить свойства туннельного перехода. Одним из способов устранения этих нежелательных явлений состоит во внесении в пленку примесей стабилизирующих их структуру. Так пленки образующие туннельный переход получались последовательным напылением In (49нм), Au (9нм), Nb3Sn (350нм) для нижнего электрода и Nb3Sn (300нм), Au(5нм), Nb3Sn(200нм) для верхнего электрода. После этого пленки выдерживались при температуре 75ОС в течении 2ч., что приводило к стабилизации свойств перехода. Следующим важным этапом получения туннельного перехода является образование барьерного слоя, как правило, это слой окисла на поверхности первой пленки. Свойства туннельного перехода и его срок службы определяется прежде всего качеством барьерного слоя. Этот слой должен быть плотным, тонким (»2нм), ровным, не иметь пор и не меняться со временем при температурном циклировании. Наиболее удачный метод приготовления туннельных барьеров состоит в окислении пленки в слабом ВЧ разряде в атмосфере кислорода. Подложка с пленочным электродом крепится к катоду разрядной камеры. Сначала поверхность пленки очищают от естественного окисления путем ВЧ катодного распыления в атмосфере аргона при давлении 0.5 Па в течении 1-5 мин. Сразу после этого аргон в камере заменяется кислородом или аргонокислородной смесью и зажигается разряд на частоте 13.56 МГц. За определенное время на пленке, находящейся в разряде, образовался слой окисла необходимой толщины. Для получения туннельных барьеров толщиной 2-5нм необходимо поддерживать разряд мощностью 0.003-0,1 Вт/мм2в течении 10-20 мин. Применяют туннельные переходы с барьером из полупроводника. В качестве материала барьера используется различные п/п: CdS, CdSe, Ge, InSb, CuAs и другие. Основной метод нанесения п/п барьера – распыление. Однако в напыленном слое п/п имеется много отверстий и пустот, наличие которых способствует появлению закороток в переходе. Для устранения этого недостатка после напыления барьера переход подвергается окислению. В результате закоротки действительно не возникают, но свойства барьера при это ухудшаются: уменьшается максимальная плотность тока, величина емкости увеличивается. Наилучшие туннельные переходы с полупроводниковым барьером, получаются, когда барьер представляет собой монокристалл. Такие переходы реализованы не созданием барьера на сверхпроводящей пленке, а наоборот, нанесением пленки на обе стороны тонкой монокристаллической п/п мембраны из Si. Известно, что скорость травления монокристаллического Si перпендикулярно плоскости (100) в 16 раз больше чем в направлении плоскости (111). В результате этого в пластине Si, поверхность которого параллельна (100), при травлении небольшого, незащищенного фоторезистом участка, образуются ямки. Боковые стенки ямки образуют плоскости (111) под углом 54.7О к поверхности. Таким образом, размер дна ямки w1, т.е. размер мембраны определяется соотношением  где w2– размер открытого незащищенного участка поверхности, t – глубина ямки. Чтобы получить мембрану нужной толщины, необходимо каким-либо образом автоматически остановить травление. Это достигается с помощью легирования бором обратной стороны кремниевой подложки на глубину равную необходимой толщине мембраны. Скорость травления быстро падает, когда достигается слой Si с концентрацией бора, равной n=4×1019см-3, и полностью останавливается при n=7×1019см-3 . Таким образом были получены мембраны толщиной 40-100 нм. Далее с двух сторон наносятся сверхпроводящие пленки, образующие переход. В случае последовательного напыления: сверхпроводящая пленка – барьер – сверхпроводящая пленка – последнюю пленку можно нанести методом катодного распыления. Готовые переходы защищают от влияния атмосферы слоем фоторезиста. Для получения воспроизводимых туннельных систем необходимо, чтобы между операциями пленка не подвергалась воздействию атмосферы т.к. адсорбция газов на поверхности пленок может вызвать неконтролируемое изменение характеристик перехода.
6.1Сканирующий СКВИД- микроскоп Рассмотрим сканирующий СКВИД- микроскоп на примере ССМ-77- СКВИД микроскопа. Этот микроскоп является единственным в России действующим макетом сканирующего СКВИД-микроскопа, относящегося к классу устройств, позволяющих получать изображения распределения магнитного поля над поверхностью исследуемого объекта с пространственным разрешением от единиц микрометров до нескольких миллиметров и чувствительностью от десятков наноТесла до долей пикоТесла. В сканирующем СКВИД-микроскопе образец перемещается в плоскости X-Y относительно СКВИДа, при этом СКВИД измеряет нормальную к поверхности образца компоненту магнитного поля Вz. Во время сканирования выходной сигнал СКВИДа регистрируется в зависимости от текущих координат и преобразуется с помощью компьютера в двумерное или трехмерное изображение распределения магнитного поля. Основной частью ССМ является криогенная штанга, которая охлаждается в криостате с жидким азотом внутри защитных магнитных экранов. В охлаждаемой части штанги размещены СКВИД и исследуемый образец. Образец крепится на подвижном координатном механизме, который приводится в движение шаговыми двигателями и перемещает образец в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Сигнал со СКВИДа, пропорциональный действующему магнитному потоку, регистрируется с помощью специализированной СКВИД электроники и записывается в персональный компьютер вместе с текущей координатой точки образца, над которой производится измерение. В качестве хладагента в ССМ-77 используется жидкий азот, заливаемый в простой стеклянный азотный криостат. Продолжительность работы ССМ-77 при однократной заливке криостата в нашем случае составляет 12 часов и определяется размером используемого криостата. ССМ-77 позволяет получать изображения распределения магнитного поля с пространственным разрешением 50 – 20 мкм. Он использовался для исследования свойств высокотемпературных сверхпроводящих тонких пленок и тонкопленочных структур, ультратонких пленок Ni. С его помощью были получены магнитные “портреты” Джорджа Вашингтона на однодолларовой купюре и банковского номера на сторублевой купюре, записаны изображения магнитной регистрирующей среды на фрагменте стандартной дискеты, визуализировано поведение ансамбля доменов в структурах с гигантским магнитным импедансом. ССМ-77 использовался для визуализации магнитной структуры в ГМИ элементах. Дальнейшее развитие сканирующих СКВИД-микроскопов связано с увеличением пространственного разрешения устройств до субмикронного масштаба, необходимого для изучения наноструктур. Разработка методов восстановления магнитной структуры образца по измеренным полям рассеяния позволит понять физические особенности магнитных явлений. Перспективным направлением является создание СКВИД-микроскопов для измерения образцов при комнатной температуре (ССМ-300), что позволит значительно расширить область их применения. 6.2 Лазерная СКВИД– микроскопия Лазерная СКИД– микроскопия – относительное новое направление в технологии СКВИД. Высокотехнологичная промышленность нуждается в высокочувствительных неразрушающих методах контроля качества продукции. Как результат, появился новый метод, позволяющий тестировать микросхемы и иные полупроводниковые устройства, - лазерная СКВИД- микроскопия. Техника неразрушающего контроля дефектов в кремниевых подложках и интегральных схемах с помощью СКВИДов сделала шаг вперед - на смену СКВИД- микроскопии пришла лазерная сквид-микроскопия, позволившая значительно расширить площадь сканирования и чувствительность метода, а также использовать его на производственной линейке в процессе изготовления микросхем. Основная идея метода - обнаружение слабых магнитных полей, генерируемых фототоком, индуцированным лазерным лучом: образец сканируется лазерным лучом, наведенный фототок генерирует магнитное поле, которое регистрируется СКВИДом. Главным преимуществом нового метода является возможность контролировать микросхемы без подключения к ним питания, что являлось общим недостатком всех предыдущих методов.
Археологические объекты с точки зрения физика - это физические тела с физическими свойствами. Магнитные свойства – одни из самых изменчивых среди других физических свойств природных и археологических объектов. Они отражают состояние и результат произошедших изменений с объектом, позволяют узнать не только его «историю» (по физическим свойствам), но и вести поиск скрытых объектов по физическим полям, создаваемым на поверхности нераскопанного объекта. В археологии решается обратная задача магнитометрии – определение объекта по известным аномалиям от него. Зарождение археологической отрасли разведочной геофизики связано с электроразведочными работами Р. Аткинсона на археологическом памятнике в 1946 г. В нашей стране первый опыт археологического применения геофизики относится к 1957 г., когда И.Т.Кругликова и А.К.Вейнберг использовали электроразведку для исследования античных сельских поселений Керченского полуострова. Исследовательская группа, организованная на базе лаборатории квантовой радиофизики НИИФ Физического факультета СПбГУ с 1974 г. проводит комплексные физико-археологические исследования памятников. Если рассматривать изменения, которые произошли с четвертичными отложениями в местах обитания человека – на поселениях, селищах, городищах, стоянках, могильниках, хозяйственных сооружениях, некрополях и других археологических памятниках, то воздействие человека можно свести к трём факторам:
К первому фактору относится строительная деятельность людей, когда жилые здания, гробницы, инженерные сооружения и хозяйственные постройки возводились из природных (горные породы, дерево, лёссовые кирпичи) или искусственных (кирпич, черепица и т.д.) материалов. Горные породы за время их захоронения на археологическом памятнике практически не претерпевали изменений, если только не попадали в зону сильного пожара. Магнитные исследования в археологии распадаются на три класса задач:
Принцип магниторазведки для поиска погребенных исторических памятников заключается в измерении естественного магнитного поля Земли с очень маленьким шагом и при минимальной высоте расположения датчика. При таких условиях съемки начинает работать очень чувствительный механизм: сказывается присутствие в погребенных объектах различного количества магнитных окислов железа. Железо является наиболее чутким индикатором практически любого вида человеческой деятельности. В природе в естественном состоянии железо присутствует в почвах и глинах в виде немагнитных гидроокислов. Повседневная деятельность людей приводит и приводила к превращениям немагнитных окислов железа в магнитные и сильномагнитные. Подобные превращения происходили в почве также и в результате другого экзогенного процесса (т.е. с испусканием энергии) - гниения органических остатков, которые естественным образом накапливаются в местах проживания людей. Существует и еще один природный механизм увеличения магнитной восприимчивости верхнего слоя почвы - итог многократных смен теплого сухого и влажного холодного времён года. Частички верхнего почвенного слоя с годами сносятся ветром и водой во все существующие природные и искусственные углубления (ямы, канавы, рвы, колодцы и т.п.), накапливаются там и вызывают, таким образом, повышенную намагниченность их заполнения. Это даёт возможность обнаружения занесенных почвой углублений. Метод магнитометрии в отличие от археологических исследований, является неразрушающим, что позволяет привлекать магнитометрию для создания кадастров археологических памятников и карт охранных историко-археологических зон. Сочетание результатов магнитометрических исследований всего археологического памятника с раскопками небольшой его части позволяет сохранить культурный слой для будущих более совершенных методов археологических исследований. Актуальность проведения магнитной разведки особенно возрастает при экстренных исследованиях территорий перед застройкой, там, где раскопки не запланированы или по каким-либо причинам затруднены или невозможны, а также в случаях, когда ни в рельефе местности, ни в растительности нет каких-либо признаков погребенных объектов или они находятся под угрозой исчезновения в силу природных и техногенных процессов. При невозможности проведения раскопок на всей территории в зоне строительства такая информация может оказаться единственным источником знаний о нераскопанной части памятника. Предпосылками применения геофизических методов являются контрастность свойств объектов и среды, соотношение размеров объекта и глубины его залегания и уровень сигнала от объекта по сравнению с уровнем помех. У археологической геофизики есть два основных преимущества: обычно эти исследования столь детальны, что передвижение по площади осуществляется очень быстро и не требует транспорта, а проверки геофизических аномалий могут быть выполнены с небольшими затратами из-за их малых глубин. Без магнитометрии трудоемкость археологических раскопок велика, так как часто напоминает поиск иголки в стоге сена. Поэтому археологи очень заинтересованы в использовании магнитной разведки, чтобы заменить сплошные раскопки выборочными. Для изучения археологических объектов магнитометрия может комплексироваться с многими геофизическими и близкими к ним методами дистанционных исследований: аэрофотосъемка, тепловая съемка, электроразведка, в том числе радарная съемка, гравиразведка, сейсморазведка и ядерно-физические методы. Особенностью изучения «культурного слоя» мощностью от десятков сантиметров до нескольких метров является наличие переработанных грунтов с резко неоднородными физическими свойствами, высокого уровня как природных, так и особенно техногенных помех, а также вещественных загрязнений, обусловленных засоренностью мусором. Кроме того, физические свойства искомых объектов довольно резко меняются. Если к этому добавить неоднородность рельефа, то перед нами стоит сложная задача. Но из-за малых глубин залегания искомых объектов выявленные аномалии нетрудно проверить, поэтому точность интерпретации должна быть высокой. Магнитометрия позволяет, не разрушая объект, не только найти его (в благоприятном случае), но и получить о нем информацию без раскопок и дополнительных исследований и повреждений, и изучить его магнитные свойства, которые зачастую являются «магнитной памятью объекта». В зависимости от окружающих условий и задач съемки, выбираются наиболее подходящие современные магнитометры. Заключение В заключении стоит отметить, что основное использование СКВИДа на уровне элементной базы — это измерение слабых магнитных полей. На это свойство СКВИДа опирается весь спектр его применений: магнитоэнцефалография, магнитогастрография, магнитный маркерный мониторинг, исследование сердца в медицине, ядерный магнитный резонанс в технике и в геофизической разведке. Также есть соображения в части применения СКВИДов в квантовом компьютере в качестве кубитов. Список литературы:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Схема упрощенная: нет емкостей (Это пт сквид). I постоянный ток смещения. Фе – внешний поток. R1 R2 – шунтирующие сопротивления через... |
