Криогенные магнитометры

Наивысшим порогом чувствительности (10^-7 нТл) обладают криогенные магнитометры – сверхпроводящие квантовые интерференционные приборы (СКВИД). Действие СКВИД основано на физическом явлении, которое было открыто в 1962 г. английским физиком Б.Джозефсоном и названо в его честь. Эффект Джозефсона – это протекание сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (контакт Джозефсона). Электроны проводимости проходят через диэлектрик, изготовленный посредством напыления пленок и окисления металла на толщину зазора 10 А^о (Ангстрем, 1 А^о = 10^{-8 см), который образует туннельный эффект.}

Туннельный эффект в сверхпроводнике наблюдается в зазоре между двумя сверхпроводниками индукционного тока, вызванного туннельным проникновением через зазор куперовских пар электронов. Куперовскими парами в сверхпроводнике называются те электроны, которые связаны попарно, их называют еще носителями сверхпроводимости. Величина сверхпроводящего тока, идущего через туннельный переход, зависит от величины критического тока, разности фаз куперовских пар по обе стороны контакта, заряда электрона и электрического напряжения на контакте. Величина критического тока сильно зависит от внешнего магнитного поля.

Если ток через контакт Джозефсона не превышает определенного значения тока, называемого критическим током контакта, то падение напряжения на контакте отсутствует. Если же через контакт пропускать ток, больше критического, то на контакте падает напряжение U и контакт излучает электромагнитные волны. Частота излучения связана с напряжением на контакте соотношением

,

где е – заряд электрона, – постоянная Планка.

Возникновение излучения связано с тем, что объединенные в куперовские пары электроны, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт приобретают избыточную, по сравнению энергией в основном состоянии сверхпроводника, энергию 2 е U. Единственная возможность для пары электронов вернуться назад в основное состояние – это излучить квант электромагнитной энергии.

Схематическое представление принципа электромагнитного излучения на контактах Джозефсона дает рис. 3.21. В качестве датчика криогенного магнитометра используется либо сверхпроводящий полый цилиндр, либо свехпроводящее кольцо, либо сверхпроводящий трансформатор потока. При помещении такого устройства во внешнее поле возникает индукционный ток, который будет полностью компенсировать поток внешнего магнитного поля. Измеряя этот ток, можно определить внешнее магнитное поле В.

U

А

Рис. 3.25. Схематическое представление принципа электромагнитного излучения на контактах Джозефсона

Высокоточные СКВИДы в настоящее время востребованы в медицинской диагностике, прежде всего, в магнитокардиографии и магнитоэнцефалографии. В геофизических исследованиях они используются для изучения изменений магнитных свойств горных пород, обусловленных фильтрационным и сейсмомагнитным эффектами, для измерения магнитных вариаций и изучения полей гидродинамических источников. Были попытки применения этих приборов для производства аэромагнитной съемки.