Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
СКАЧОК УПЛОТНЕНИЯ, CM. Уплотнения скачок. СКВИД [от англ. Superconducting Quantum Interference Device — сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство; сверхпроводящий квантовый интерферометр (магнитометр)] — высокочувствит. устройство для преобразования магн. потока в электрнч. сигнал пост, нли перем, тона, действие к-рого основано на явлеинн квантования магн. потока в сверхпроводящем кольце с вилючёнными в него контактами Джо-зефсона (КД; см. Джозефсона эффект). В результате интерференции сверхпроводящих токов, прн изменении магн. потоиа Ф через кольцо С. выходной сигнал осциллирует с периодом Фпі равным кванту магн. потока Ф0 = h!2e— 2,068« 10-1“ Вб, что связано с фазовой когерентностью сверхпроводящих электронов на мак-роскопич. расстояниях. Скачок фазы волновой ф-цнн сверхпроводящих электронов на КД ср определяется полным магн. потоиом через иольцо (ф—2яФ/Ф0), а сверхпроводящий ток через КД равен IcSincp = = /с8Іп2лФ/Ф0, где Ic — иритич. ток КД. Прн токе I > Ic на КД появляется напряжение V = Ф0(дсрjdt).
По числу КД в кольце С. н по способу формирования выходного сигнала различают двухконтаитные С. пост, тока (ПТ-С.) н одноионтактные С. с ВЧ-накачкой (ВЧ-C.). В ПТ-С. через КД пропускается пост, ток, больший критнч. значення Ic, н намеряется пост, напряжение на контакте У(ФХ), где Фж — измеряемый внеш. магн. потои. В ВЧ~С. высокочастотный ток /вч в кольце С. возбуждается резонансным контуром, причём отклик С. Vm(<6x) снимается с этого же ионтура.
Первым ПТ-С. можно считать устройство, в к-ром Ж. Mepcepo [1] с сотрудниками впервые в 1964 наблюдали квантовую интерференцию сверхпроводящих токов [1]. В 1967 Дж. Циммерман [2] и А. Силвер [2], изучая на перем, токе интерференц. эффекты в сверхпроводящем кольце с точечным КД [2], положили начало ВЧ-С.
Блок-схема ПТ-С. приведена на рис. 1. Еслн через симметричную конструкцию ПТ-С. (токн через КД равны) пропустить через кольцо С. пост, ток I0 > 2/с, то на параллельно включённых КД возникает пост, напряжение V, осциллирующее при изменении измеряемого внеш. маги, потоиа Фх, через кольцо С., прн этом мак с. значення У(ФХ) достигаются прн Фх — Ф0(л 4-+ 1/2), а минимальные — при Фх = лФ0, п — целое число.
Рис. 1. Схема ПТ-сквида: ИТ — источник постоянного тока: СУ — согласующее устройство; ГМ — генератор модуляции; У — усилитель; СД — синхронный детектор; ФНЧ — фильтр низких частот.
СКВИД
сквид
Макс. размах осцилляций F(O) наблюдается при оптим. значении параметра LIc/Ф0 = 1, где L — индуктивность кольца. Коэф. преобразования для оптимизированных ПТ-С. равен
dVld<S>xxR/2L,
где R — сопротивление шунтироваииых КД. Шунтирование туннельных КД применяется для создания без-гнстерезисной вольтампернон характеристики контакта. Современные тонко планочные планарные ПТ-С., изготовленные методами фото- и электронной литографии, имеют коэф. преобразования до 1 мВ/Ф0-
У сил енне н регистрация сигнала С. производятся электронными устройствами, находящимися при комнатной темп-ре. Для ослабления влияния H Ч-шумов вида 1// (см. Флуктуации электрические) используется модуляц. метод обработки сигнала С.: в отд. катушку модуляцнн (Lm иа рнс. і) вводится перем, ток частотой 100—200 кГц, создающий через кольцо С. поток с амплитудой ~ Ф0/4. Перем, напряжение на С. усиливается, синхронно детектируется и фильтруется. Согласование низкого импеданса С. с высоким импедансом усилителя осуществляется согласующим устройством типа последоват. контура нли резонансного трансформатора. Для измерений в большом диапазоне Д ф* > Ф0 используется глубокая отрицат. обратная связь по магн. потоку. Напряжение через сопротивление обратной связи Roc подаётся в катушку модуляции. В результате измеряемый поток компенсируется, а напряжение на резисторе Йос служит выходным сигналом прибора, линейно связанным с измеряемы» потоком в диапазоне ±100—1000 Ф0.
Блок-схема типичного ВЧ-С., работающего на фпк-сиров, частоте радиочастотного диапазона 10—400 МГц, приведена на рис. 2. С кольцом С. связана катушка резонансного колебат. контура LkCk, возбуждаемого генератором тока ВЧ. Резонансный контур согласует низкий импеданс С. с высоким входным сопротивлением усилителя ВЧ. В зависимости от параметра
Рис. 2. Схема ВЧ-сквида: ГВЧ — генератор высокой частоты; УВЧ — усилитель высокой частоты; ГНЧ — генератор модуляции низкой частоты; СД —синхронный детектор, ФНЧ— фильтр низких частот.
I — 2л?/с/Ф0 различают безгистерезисный (/ < 1) и гистерезисный (I > 1) режимы работы ВЧ-С. В первом случае кольцо С. представляет собой параметрич. индуктивность, осциллирующую с изменением виеш. потока Фж. Изменение индуктивности регистрируется по сдвигу резонансной частоты контура LkCk. Безгисте-резнсный режим работы ВЧ-С. редко используется в практич. устройствах нз-за жёстких ограничений на параметры С., стабильность амплитуды и частоты сигнала ВЧ-накачкн.
Если / > 1, воздействие маги, потока иакачки с амплитудой, достаточной для возбуждения в кольце с КД тока /вч > /Сі приводит к характерным гистере-зисным потерям энергии в колебат. контуре, уровень к-рых осциллирует в зависимости от внеш. потока Ф^. с периодом Ф0- Соответствующее изменение добротности контура Q регистрируется по изменению напряжения Fb4(Фж) иа иём. Коэф. преобразования маги, потока в напряжение для ВЧ-С. в гистерезисиом режиме равен:
