CS215517B1 - Čidlo supravodivého kvantového magnetometru - Google Patents

Abstract

Těla čidla je ze supravodivého materiálu, v němž je dutina tvaru U, jejíž ramena a jejich spojka jsou propojeny rovinnou štěrbinou v rovině symetrie dutiny tvaru U. Kolmo na rovinnou štěrbinu je upraven v těle čidla otvor s vloženým supravodivým spínačem·. Cela těla čidla jsou zapuštěna. Do prvního ramene dutiny tvaru U je částečně vložena budicí cívka, do druhého ramene, do spojky ramen a do zbývající části prvního ramene je vložena signálová cívka. Supravodivý spínač je zhotoven z tyčinky, pokryté tenkou vrstvou supravodivou, uprostřed níž je upraven vlastní supravodivý můstek. Jeho rozměry: řádově 0,1 až 3,0 mikrometry. Supravodivá vrstva na nosné části supravodivého spínače je v supravodivém kontaktu s tělem čidla.

Description

Vynález se týká čidla supravodivého kvantového magnetometru, které je vytvořeno supravodivou indukční smyčkou elektricky uzavřenou supravodivým klíčem.

K měření velmi malých hodnot magnetických indukcí, řádově 10^-11 T a méně, se používá supravodivého kvantového magnetometru, pro jehož čidlo se užívá supravodivé indukčnosti, zapojené do série se supravodivým spínačem, označovaným v odborné literatuře jako tak zvaný slabý přechod. Zařízení pro vytvoření tohoto tzv. slabého přechodu jsou buď typu supravodivý můstek nebo typu hrotový kontakt. Čidla konstruovaná s hrotovým kontaktem, jichž je většina, mají mezinárodní označení SQUID. Největšího rozšíření dosáhlo* symetrické provedení čidla, vytvořeného dvěma paralelně zapojenými indukčnostmi se společným hrotovým kontaktem. Spolehlivost takového zařízení je dána spolehlivostí hrotového kontaktu, který je vůbec nejchoulostivějším prvkem magnetometru. Ostří hrotu mívá poloměr jeden mikrometr, takže jeho výroba je dosti pracná, seřizování kontaktu vyžaduje značnou trpělivost a při hromadné výrobě není nastavení kontaktů dostatečně reprodukovatelné. Vlivem jemnosti hrotu dochází u čistě kovového kontaktu k jeho poškození při otřesech, vibracích a náhlých tepelných změnách. Vlastní kontakt je vytvořen mezi čistě kovovou plochou jednoho šroubu a hrotem druhého šroubu. Tepelné cykly vyvolávají nepříznivé dilatace materiálu a manipulace s čidlem při pokojové teplotě zvyšuje škodlivý vliv atmosféry na kontakty.

V poslední době se významnou měrou zvýšila stabilita kontaktu čidla po zavedení nového způsobu úpravy kontaktu. Podle tohoto způsobu se na kontaktu s ploškou vytvoří vrstvička kysličníku, do kterého se hrot při seřizování čidla zapíchne. Vrstva kysličníku pak chrání kontakt před poškozením. Takto seřízená čidla vydrží pracovat bezporuchově i několik let.

Dosud známé konstrukce dvouděrových čidel, to znamená čidel, která jsou vytvořena dvěma paralelně zapojenými smyčkami, mají hlavní nevýhodu, která spočívá v poměrně velké indukčnosti, přičemž navíc nejsou — přes největší snahu — zcela dokonale odstíněna proti vlivu vnějšího rušivého pole. Tak zvaná toroidní čidla, která představují čidla s jednou indukční smyčkou a která tvoří vlastní konstrukční skupinu, jsou z výrobních důvodů vytvořena ze dvou demontovatelných částí. Toroidní čidla mají sice dobré vlastní stínící účinky, ale přístup k vazebním cívkám není možný bez demontáže těchto dvou dílů a tudíž bez porušení nastavení hrotového kontaktu, tvořícího slabý přechod. Tato skutečnost je značnou nevýhodou tohoto druhu jinak dobrého čidla, které má malou indukčnost ve srovnání s dvouděrovým čidlem' a tedy i větší citlivost.

Příkladem a ukázkou provedení čidla 'SQUID kvantového magnetometru je čidlo podle čs. autorského osvědčení čís. 179 578, které je vytvořeno ze střední části tvaru kruhové destičky, ze dvou postranních válcových částí, přilehlých z obou stran ke střední válcové části a ze zařízení pro dokonalé mechanické a supravodivé spojení všech tří částí. Přitom střední část tvaru kruhové destičky je vytvořena z elektrického izolantu, například ze slídy, skla, keramiky nebo kovu, který je při provozní teplotě čidla v rozsahu od 4 K d0' .20 K nesupravodivý, například ze zlata nebo z mědi. Symetricky ke středu destičky jsou provedeny dva indukční otvory, to znamená indukční smyčky. Jedna strana střední části, tj. rovinná plocha kruhové destičky, je opatřena tenkou vrstvou, která je supravodivá při provozní teplotě čidla a která je zhotovena například z niobu nebo olova. Průřez supravodivé vrstvy mezi indukčními otvory je zúžen nebo zeslaben a tvoří můstek, supravodivý při provozní teplotě čidla. Případně je napříč tohoto supravodivého můstku upraven proužek z kovu, který je při provozní teplotě čidla nesupravodivý a který je zhotoven například ze zlata nebo z mědi. Každá z obou postranních částí čidla je zhotovena z kovu supravodivého při provozní teplotě čidla, například z niobu nebo z olova.

Zařízení pro dokonalé mechanické a supravodivé spojení všech částí čidla je vytvořeno pouzdrem z trubky, zhotovené z kovu supravodivého při provozní teplotě čidla, například z niobu nebo z olova, do níž jsou všechny části čidla zalisovány.

Nedostatky a nevýhody známých konstrukcí čidla odstraňuje čidlo supravodivého kvantového magnetometru podle vynálezu, které je vytvořeno supravodivou indukční smyčkou elektricky uzavřenou supravodivým klíčem. Podstatou vynálezu je tělo čidla ze supravodivého materiálu, v němž je upravena dutina ve tvaru U, jejíž první rovnoběžné rameno je po celé délce propojeno s druhým rovnoběžným ramenem rovinnou štěrbinou, proloženou rovinnou symetrie dutiny tvaru U, a spojovací dutinou, taktéž propojenou po své celé délce s rovinnou štěrbinou. Mezí prvním rovnoběžným ramenem dutiny U a jejím druhým rovnoběžným ramenem je v těle čidla upraven první otvor a druhý, souosý otvor, v nichž je vložen supravodivý spínač. První čelo těla čidla na straně ústí rovnoběžných ramen dutiny tvaru U a právě tak druhé čelo na protilehlé straně těla čidla jsou zapuštěna, dutina v těle čidla nad druhým čelem a nad spojovací dutinou rovnoběžných ramen dutiny tvaru U je opatřena závitem pro šroubovací zátku s drážkou pro šroubovák. Do prvního rovnoběžného ramene dutiny tvaru U je částečně vložena budicí cívka a do druhého rovnoběžného ramene dutiny tvaru U, do spojovací dutiny a do zbývající volné části prvního rovnoběžného ramene dutiny tvaru U je vložena signálová cívka.

Podle vynálezu je v první alternativě supravodivý spínač vytvořen jednak šroubem s hrotem a drážkou na jeho protilehlém čele, jednak šroubem s plochým čelem a drážkou na protilehlém čele, přičemž šroub s hrotem je zašroubován do druhého otvoru se závitem v těle čidla a šroub s plochým čelem je zašroubován do prvního otvoru se závitem v těle čidla.

Podle vynálezu sestává ve druhé alternativě supravodivý spínač z nosné části například tvaru tyčinky, pokryté supravodivou tenkou vrstvou, uprostřed jejíž délky je upraven můstek, jehož šířka, tloušťka a délka jsou v rozsahu řádově 0,1 až 3,0 mikrometry, přičemž supravodivý spínač je vložen do souosých otvorů v těle čidla, jejichž průřez odpovídá průřezu supravodivého spínače, takže supravodivá tenká vrstva na nosné části supravodivého spínače je v supravodivém kontaktu s tělem čidla.

Čidlo podle vynálezu má více výhod. Především má menší indukčnost nežli symetrické dvouděrové čidlo a proto má také vyšší citlivost, dokonalejší stínění vůči vnějšímu rušivému poli a ve srovnání s toroidním čidlem má snadný přístup k budicí i k signálové cívce, aniž by se porušilo seřízení kontaktu. Tato výhoda a vlastnost čidla podle vynálezu je zvláště důležitá s ohledem na nastavení přizpůsobení čidla na různé typy gradiometrů.

Podstata vynálezu je v dalším vysvětlena na příkladu jeho provedení pomocí připojených výkresů, na nichž je znázorněno: na obr. 1 — sestava úplného čidla se supravodivým spínačem ve formě hrotového kontaktu, na obr. 2 — sestava úplného čidla se supravodivým spínačem ve formě tyčinky s můstkem, na obr. 3 — podrobné provedení supravodivého spínače podle vynálezu.

Na obr. 1 je tělo 1 čidla vytvořeno ze supravodivého kovu, je ve tvaru válce, jehož obě čela, tj. první čelo 15 a druhé čelo 16 jsou zapuštěna. V rovině procházející osou válce jsou upravena dvě rovnoběžná ramena 2, 4 válcové dutiny, která spolu se spojovací dutinou 3, ležící v téže rovině, ale kolmo k nim, tvoří výslednou dutinu tvaru U, přičemž mezi oběma rovnoběžnými rameny 2, 4, tj. prvním ramenem 2 a druhým ramenem 4 této dutiny tvaru U je vytvořena rovinná štěrbina 5, jež souvisí také se spojovací dutinou 3. Mezi prvním čelem 15 a druhým čelem 16 těla 1 čidla je upraven otvor, rozdělený štěrbinou na dva souosé otvory 6, 7. Osa těchto otvorů je kolmá na rovinu, v níž leží dutina tvaru U. Do otvorů opatřených závitem jsou zašroubovány dva šrouby a to: šroub 13 s hrotem a šroub 14 s plochým čelem. Tyto dva šrouby 13, 14 tvoří supravodivý spínač provedený hrotovým kontaktem. Šroubovací zátka 9 s drážkou 10 pro šroubovák je zašroubována do závitu 8 v těle 1 čidla na straně druhého čela 16 a je nutná z techologických důvodů, aby bylo možno vyfrézovat dutinu 3, spojující první rovnoběžné rameno 1 a druhé rovnoběžné rameno 4 dutiny tvaru U. Do dutiny tvaru U jsou vloženy dvě cívky: první, budicí cívka 11 je částečně vložena do prvního ramene 2 dutiny tvaru U, druhá, signálová cívka 12 je vložena do zbytku prvního rovnoběžného ramene 2, do spojovací dutiny 3 a do druhého rovnoběžného ramene 4 dutiny tvaru U. Vložení signálové cívky 12 je usnadněno po vyšroubování šroubovací zátky 9.

Na obr. 2 je znázorněno opět tělo 1 čidla, které je vcelku provedeno stejně jako znázorněno na obr. 1, ale souosé otvory 17, 18, jejichž osa je kolmá na rovinu, v níž leží dutina tvaru U, mají průřez odpovídající průřezu supravodivého; spínače 22 podle obr. 3. Úprava a umístění budicí cívky 11 a signálové cívky 12 jsou stejné jako popsáno· a znázorněno na obr. 1.

Na obr. 3 je supravodivý spínač 22 vytvořen ve tvaru tyčinky, jejíž nosná část 19, tedy substrát, například keramika, většinou korund, je pokryta supravodivou vrstvou 20. Tyčinka má například obdélníkový průřez, případně dle potřeby kruhový průřez. Uprostřed délky supravodivé vrstvy 20 je upraven můstek 21, jehož šířka, tloušťka a délka jsou v rozsahu řádově 0,1 až 3,0' mikrometry.

Činnost čidla podle vynálezu lze objasnit takto: vynález řeší náhradu symetrického dvouděrového čidla s hrotovým kontaktem, realizujícím supravodivý spínač a odborně označovaným stručně slabý přechod, symetrickým, dokonaleji stíněným čidlem kvantového magnetomeru se supravodivým spínačem ve formě supravodivého můstku nebo případně hrotového kontaktu. Pomocí supravodivého spínače se může přes rovnoběžná ramena 2, 4 po kvantech uzavírat měřený magnetický tok. Supravodivý můstek 21 se vždy na okamžik přeskokem dostává do nesupravodivého stavu a to tehdy, když hodnota měnícího se měřeného magnetického toku, zavedeného do prvního rovnoběžného ramene 2 dutiny tvaru U budicí cívkou 11, překročí hodnotu celistvého násobku kvanta magnetického toku. Tyto krátkodobé odporové, to znamená nesupravodivé stavy, během nichž se měřený magnetický tok může vždy uzavřít přes obě rovnoběžná ramena 2, 4 dutiny tvaru U kolem supravodivého spínače, lze potom registrovat například ze změny činitele jakosti rezonančního obvodu, jehož součástí je budicí cívka 11 induktivně vázaná s prvním rovnoběžným ramenem 2 dutiny tvaru U.

Čidlo supravodivého kvantového magnetometru podle vynálezu lze použít ve všech oblastech, kde se supravodivý kvantový magnetometr používá. Je to například v lékařství při měření magnetického pole srdce, svalů, oka, plic, topografie mozku atd., v geologii při lokalizaci železnorudných ložisek, ve fyzice při termometrii, při měření jaderné magnetické rezonance, detekce částic, měření susceptibility atd., v měřicí technice při měření napětí úrovně ΙΟ^-12 V, při měření velmi malých odporů a indukčností a vůbec všech veličin, které lze převést na magnetické pole a podobně.

U supravodivého spínače provedeného podle vynálezu podle obr. 3, tedy vytvořeného nosnou částí 19 ve tvaru tyčinky pokryté tenkou supravodivou vrstvou, uprostřed jejíž délky je upraven supravodivý můstek 21, může být jeho kritický proud nastaven anodickou oxidací tenké supravodivé vrstvy 20.

Claims (3)

1. Čidlo supravodivého kvantového magnetometru, které je vytvořeno supravodivou indukční smyčkou elektricky uzavřenou supravodivým klíčem·, vyznačené tím, že je zhotoveno z těla (lj čidla ze supravodivého materiálu, v němž je upravena dutina ve tvaru U, jciíž první rovnoběžné rameno (2) je po celé délce propojeno s druhým rovnoběžným ramenem (4) rovinnou štěrbinou (5j, proloženou rovinou symetrie dutiny tvaru U a spojovací dutinou (3), taktéž propojenou po své celé délce s rovinnou štěrbinou (5), přičemž mezi prvním rovnoběžným ramenem (2j dutiny tvaru U a jejím druhým rovnoběžným ramenem (4) je v těle (1) čidla upraven první otvor a druhý, souosý otvor, v nichž je vložen supravodivý spínač, přičemž první čelo (15) těla (1) čidla na straně ústi rovnoběžných ramen (2, 4] dutiny tvaru U a právě tak druhé čelo (16) na protilehlé straně těla (1) čidla jsou zapuštěna, dutina v těle (1) čidla nad druhým čelem (16) a nad spojovací dutinou (3) rovnoběžných ramen (2, 4] dutiny tvaru U je opatřena závitem (8) pro· šroubovací zátku (9) s drážkou (10) pro šroubovák, a dále do prvního rovnoběžného ramene (2) dutiny tvaru U je částečně vložena budicí

YNÁLEZU cívka (11) a do druhého rovnoběžného ramene (4) dutiny tvaru U, do· spojovací dutiny (3) a do zbývající volné části prvního rovnoběžného· ramene (2) dutiny tvaru U je vložena signálová cívka (12).

2. Čidlo podle bodu 1, vyznačené tím, že supravodivý spínač je vytvořen šroubem (13) s hrotem· a drážkou na protilehlém čele a šroubem (14) s plochým čelem a drážkou na protilehlém čele, přičemž šroub (1,3) s hrotem je zašroubován do druhého otvoru (7) se závitem a šroub (14) s plochým čelem je zašroubován do prvního otvoru (6) se závitem.

3. Čidlo podle bodu 1, vyznačené tím, že supravodivý spínač sestává z nosné části (19) například tvaru tyčinky, pokryté supravodivou tenkou vrstvou (,20), uprostřed jejíž délky je upraven můstek (21), jehož šířka, tloušťka a délka jsou v rozsahu řádově 0,1 až 3,0 mikrometry, přičemž supravodivý spínač je vložen do souosých otvorů (17, 18) v těle (1) čidla, jejichž průřez odpovídá průřezu supravodivého spínače, takže supravodivá tenká vrstva (20) na nosné části (19) supravodivého spínače je v supravodivém kontaktu s tělem (1) čidla.