RU2003130C1

RU2003130C1 - Volumetric h f squid made from superconducting ceramics

Info

Publication number: RU2003130C1
Authority: RU
Inventors: Адольф Александрович Липовка; Владимир Ростиславович Ланге
Original assignee: Лиловка Адольф Александрович, Ланге Владимир Ростиславович
Priority date: 1991-04-29
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1993-11-15

Abstract

Использование радиотехника, измерение слабых магнитных попей Сущность изобретени сквид выполнен в виде открытого с одной стороны полого тела вращени , например, параболоида, разрезанного с одной стороны узкой щелью до вершины Контур квантовани образован на отверсти , расположенного на вершине тела части щели и слабого звена, сформированного в виде перемычки, наход щейс в узкой щели 2 илUsing radio engineering, measuring weak magnetic popeys SUMMARY OF THE INVENTION Squid is made in the form of a rotation body open on one side, for example, a paraboloid cut from one side with a narrow slit to the top. A quantization contour is formed on the hole located on top of the body of the slit part and the weak link formed in the form of a jumper located in a narrow slit 2 il

Description

Изобретение относитс к радиотехнике и может быть использовано дл измерений слабых магнитных полей в медицине, геофизике и научных исследовани х.The invention relates to radio engineering and can be used to measure weak magnetic fields in medicine, geophysics, and scientific research.

Сквид представл ет собой замкнутое кольцо из сверхпроводника, которое в одном или двух местах имеет слабое звено - так называемый джозефсоновский контакт, т.е. часть кольца, где сверхпроводимость существует , но может быть разрушена очень слабым током (10-100 мкА).Squid is a closed ring of superconductor, which in one or two places has a weak link - the so-called Josephson junction, i.e. the part of the ring where superconductivity exists, but can be destroyed by a very weak current (10-100 μA).

Известен класс низкотемпературных высокочастотных сквидов, работающих в области температур при охлаждении жидким гелием (4,2 К). Наиболее удачной дл объемных ВЧ сквидов вл етс двухдыроч- на конструкци Циммермана. Этот прибор изготавливаетс из целого куска ниоби в виде цилиндра и имеет два симметричных отверсти , соединенных узкой прорезью. Слабое звено образуетс с помощью ниоби- ёвого винта, вкрученного навстречу винту с плоским торцом, и замыкающего прорезь в центре конструкции. По своей конструкции циммермановский сквид имеет две петли, замкнутые на один контакт, причем петли расположены так, что при изменении однородного пол токи в них компенсируют друг друга в слабом звене. Поэтому сквид не реагирует на колебани однородного пол , а значит, лучше защищен от внешних магнитных шумов.A known class of low-temperature high-frequency squids operating in the temperature range when cooled with liquid helium (4.2 K). The most successful for volume RF squids is the two-hole Zimmermann design. This device is made of a whole piece of niobium in the form of a cylinder and has two symmetrical holes connected by a narrow slot. A weak link is formed with the help of a niobium screw screwed in towards the flat-end screw and closing the slot in the center of the structure. By its design, the Zimmerman squid has two loops closed to one contact; moreover, the loops are arranged so that, when the homogeneous flow changes, the flows in them cancel each other in the weak link. Therefore, the squid does not respond to fluctuations in the uniform field, which means it is better protected from external magnetic noise.

В одно из отверстий вставл етс катушка ВЧ контура, индуктивно св занна с контуром квантовани . Площадь поперечного сечени полости контура квантовани имеет небольшие размеры, поэтому дл приема сигнала с большой площади используетс антенна, св зь с которой осуществл етс посредством сигнальной катушки, вставленной во второе отверстие. Такое входное устройство называетс трансформатором магнитного потока.An RF loop coil inductively coupled to a quantization loop is inserted into one of the holes. The cross-sectional area of the cavity of the quantization loop is small, therefore, an antenna is used to receive a signal from a large area, and is connected to it by a signal coil inserted in the second hole. Such an input device is called a magnetic flux transformer.

Недостатком низкотемпературных сквидов вл етс необходимость охлаждать их до температуры жидкого гели , что вл етс дорогим и технически сложным условием эксплуатации.A disadvantage of low temperature squids is the need to cool them to the temperature of liquid gel, which is an expensive and technically difficult operating condition.

Указанный недостаток устранен с открытием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Высокотемпературные сквиды конструктивно выполн ютс по аналогии с низкотемпературными.The indicated drawback is eliminated with the discovery of high-temperature superconductivity (HTSC). High temperature squids are structurally carried out by analogy with low temperature.

В качестве прототипа выбрана одноды- рочна конструкци сквида. Тело сквида вы- полнено в виде цилиндра из высокотемпературной сверхпровод щей керамики и имеет одно аксиально расположенное на краю цилиндра отверстие. В тон- кой стенке между отверстием иAs a prototype, a single-hole squid design was selected. The body of the squid is made in the form of a cylinder of high-temperature superconducting ceramics and has one hole axially located on the edge of the cylinder. In a thin wall between the hole and

поверхностью цилиндра делаетс прорезь и в ней, обычно в середине образующей цилиндра , формируетс слабое звено. В такой конструкции слабое звено сильно подвержено вли нию температурных напр жений при циклах охлаждение - нагрев и быстро выходит из стро из-за того, что слабое звено находитс в контакте с массой сквида.a cut is made on the surface of the cylinder and a weak link is formed in it, usually in the middle of the cylinder generatrix. In this design, the weak link is highly susceptible to the influence of temperature stresses during cooling-heating cycles and quickly fails due to the weak link being in contact with the mass of squid.

0Вторым недостатком сквида как этойThe second disadvantage of a squid like this

конструкции, так и распространенной двух- дырочной конструкции Циммермана вл етс то, что чувствительность сквида к внешнему магнитному полю ограничена из5 за малой площади поперечного сечени контура квантовани . Преодолеть этот недостаток с помощью трансформатора магнитного потока невозможно из-за отсутстви микропроводов из высокотемпе0 ратурной сверхпровод щей керамики.The design and the common Zimmermann double-hole design is that the sensitivity of the squid to an external magnetic field is limited because of the small cross-sectional area of the quantization loop. It is impossible to overcome this drawback using a magnetic flux transformer due to the absence of microwires from high-temperature superconducting ceramics.

Целью насто щего изобретени вл етс повышение надежности и чувствительности к внешнему магнитному полю ВЧ ВТСП сквидов.An object of the present invention is to increase the reliability and sensitivity to the external magnetic field of HF HTSC squids.

5 Указанна цель достигаетс тем, что объемный ВЧ сквид из-ВТСП, имеющий контур квантовани со слабым звеном, выполнен в виде открытого с одной стороны полого тела вращени , например, параболо0 ида, конуса, стакана, разрезанного с одной стороны узкой щелью до вершины, а контур квантовани образован из отверсти наход щегос на вершине полого тела вращени , части щели и слабого звена,5 This goal is achieved in that a high-frequency RF squid from HTSC having a quantization circuit with a weak link is made in the form of a hollow body of revolution open on one side, for example, a paraboloid, a cone, a glass, cut from one side by a narrow gap to the top, and a quantization loop is formed from an aperture located at the apex of the hollow body of revolution, part of the gap and the weak link,

5 сформированного в виде перемычки, расположенной в узкой щели.5 formed in the form of a jumper located in a narrow gap.

Предлагаемое решение соответствует критерию существенные отличи , так как благодар новой совокупности признаковThe proposed solution meets the criterion of significant differences, since thanks to a new set of features

0 ВЧ сквид из ВТСП приобретает новое свойство - позвол ет принимать сигнал с большой площади раскрыва тела вращени и концентрировать его в контур квантовани . При этом достигаетс существенное повы5 шение надежности и чувствительности к внешнему магнитному полю ВЧ ВТСП сквидов и превращение их в сквид - концентраторы .0 An RF squid from HTSC acquires a new property - it allows receiving a signal from a large aperture area of a body of revolution and concentrating it in a quantization loop. In this case, a significant increase in the reliability and sensitivity to the external magnetic field of the HF HTSC squids and their conversion into squid concentrators is achieved.

Удалось обойти основное преп тствиеManaged to get around the main obstacle

0 при конструировании и создании чувствительных ВЧ сквидов из ВТСП - необходимость применени трансформатора магнитного потока, изготавливаемого из микропровода ВТСП. Технологические0 when designing and creating sensitive RF squids from HTSC, the need to use a magnetic flux transformer made from a HTSC microwire. Technological

5 трудности, возникающие при изготовлении трансформаторов магнитного потока из ВТСП микропроводов еще не преодолены. На фиг. 1 изображено предложенное устройство , общий вид; на фиг. 2 - предлагаемый объемный ВЧ сквид из ВТСП с примером намотки ВЧ катушки резонансного контура. Тело сквида 1 в приведенной конструкции имеет вид полого, раскрытого с одной стороны параболоида. Параболоид до центра разрезан узкой щелью 2, замкнутой слабым звеном 3, выполненным в виде перемычки вблизи отверсти 4 и помещен в соленоидб, который может быть намотан на каркас из радиопрозрачного материала. Соленоид вл етс ВЧ катушкой резонансного контура дл св зи с контуром квантовани . 5 difficulties arising in the manufacture of magnetic flux transformers from HTSC microwires have not yet been overcome. In FIG. 1 shows the proposed device, a General view; in FIG. 2 - the proposed volume RF squid from HTSC with an example of winding an RF coil of a resonant circuit. The body of squid 1 in the above construction has the form of a hollow, open on one side of the paraboloid. The paraboloid to the center is cut by a narrow slit 2, closed by a weak link 3, made in the form of a bridge near the hole 4 and placed in a solenoid, which can be wound on a frame made of radio-transparent material. A solenoid is an RF coil of a resonant circuit for coupling to a quantization circuit.

В зависимости от конкретного технического применени полое тело вращени сквида может быть в виде конуса, стакана, параболоида, полусферы.Depending on the specific technical application, the hollow body of rotation of the squid can be in the form of a cone, a cup, a paraboloid, a hemisphere.

Предлагаема конструкци ВЧ сквида из ВТСП позвол ет принимать сигнал с большой площади раскрыва и концентрировать его в контур квантовани . В результате по вл етс новый класс сквидов: сквид - концентраторы, в которых соединены функ- ции сквида и концентратора магнитного потока .The proposed design of an RF squid from HTSC allows a signal to be received from a large aperture area and concentrated into a quantization loop. As a result, a new class of squids appears: squid - concentrators in which the functions of a squid and a magnetic flux concentrator are connected.

Площадь поперечного сечени контура квантовани дл известных ВТСП ВЧ сквидов имеет типичные размеры 3 мм2 Приме- нение сквид - концентратора с диаметром основани (раскрыва полого тела) 13 мм позвол ет принимать сигнал с площади 140 мм и концентрировать его в контур квантовани . Следовательно, при таких размерах The cross-sectional area of the quantization loop for known HTSC RF squids has typical dimensions of 3 mm2. The use of a squid concentrator with a base diameter (hollow body opening) of 13 mm makes it possible to receive a signal from an area of 140 mm and concentrate it in the quantization loop. Therefore, with such dimensions

чувствительность ВЧ сквида к внешнему магнитному полю повышаетс минимум в 40 раз и становитс равной чувствительности низкотемпературных (работающих в жидком гелии) сквидов.the sensitivity of the RF squid to the external magnetic field increases by at least 40 times and becomes equal to the sensitivity of low-temperature (working in liquid helium) squid.

Были изготовлены действующие макеты объемного ВЧ сквида из иттриевой ВТСП керамики в соответствии с предлагаемым решением. Диаметр основани равн лс 13 мм, диаметр отверсти контура квантовани 0,5 мм, Толщина стенки полого тела сквида в форме параболоида вращени равна 1 мм. Ширина щели 0,2 мм. Размеры перемычки (слабого звена), расположенной вблизи отверсти , - 30 хЗО мкм.The current mock-ups of volume RF squid were made from yttrium HTSC ceramics in accordance with the proposed solution. The diameter of the base was 13 mm, the diameter of the hole of the quantization loop was 0.5 mm, and the wall thickness of the hollow body of the squid in the shape of a rotation paraboloid was 1 mm. Slit width 0.2 mm. The size of the jumper (weak link) located near the hole is 30 x3 microns.

Испытани этих макетов объемного ВЧ сквида показали высокую надежность и повышение чувствительности к внешнему маг- нитному полю по сравнению со стандартными ВТСП сквидами в 40 раз, т.е. показали чувствительность низкотемпературных (гелиевых) сквидов.Tests of these prototypes of bulk RF squid showed high reliability and increased sensitivity to an external magnetic field by 40 times compared to standard HTSC squids, i.e. showed the sensitivity of low-temperature (helium) squids.

Использование дл охлаждени в системах на основе сквидов жидкого азота вместо жидкого гели позвол ет снизить эксплуатационные расходы в 10000 раз.The use of liquid nitrogen instead of liquid gel for cooling in squid systems reduces operating costs by a factor of 10,000.

(56) Заварницкий В.Н., Заварицкий В.Н., Петров С.В. Письма в ЖЭТФ, 1987, 46, 469.(56) Zavarnitsky V.N., Zavaritsky V.N., Petrov S.V. Letters to JETP, 1987, 46, 469.

Claims

The claims

VOLUME HF SQUID FROM HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVE CERAMICS

having a quantization loop with a weak link, characterized in that, in order to increase the reliability and sensitivity to an external magnetic field, the squid is made in the form of an open with one side

35

They include a hollow body of revolution, for example, a paraboloid cut from one side by a narrow gap to the apex, and a quantization contour is formed from a hole located at the apex of the body, part of the gap, and a weak link formed in the form of a 4Q jumper located in the narrow gap.