Сверхпроводниковый пленочный трансформатор магнитного потока



Сверхпроводниковый пленочный трансформатор магнитного потока
Сверхпроводниковый пленочный трансформатор магнитного потока

 


Владельцы патента RU 2455732:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) (RU)

Изобретение относится к области криоэлектроники, в частности к области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках. Сущность изобретения: в сверхпроводниковом пленочном трансформаторе магнитного потока, содержащем диэлектрическую подложку, сверхпроводниковое квадратообразное кольцо с узкой активной полосой, изолирующую пленку, помещенную между активной полосой трансформатора магнитного потока и магниточувствительным элементом, активная полоса сформирована с помощью прорезей в виде параллельных ветвей. Техническим результатом изобретения является повышение фактора умножения трансформатора магнитного потока. 2 ил.

 

Изобретение относится к области криоэлектроники, в частности к области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках.

Известен датчик магнитного поля (ДМП), содержащий диэлектрическую подложку, сверхпроводниковые пленочные трансформаторы магнитного потока (ТМП), между которыми заключен магниточувствительный элемент (МЧЭ) из пленки высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) материала на основе системы Bi-2223 [1]. Характерным для ДМП является то, что все его элементы имеют планарное исполнение и друг друга не пересекают. Недостатком данного ДМП является то, что используемый ТМП имеет небольшое значение фактора умножения F<10, ограничивая, тем самым, полезные показатели МЧЭ (пороговая чувствительность по магнитному полю δВ>1 нТл; пороговая чувствительность по магнитному потоку δϕ>1ϕ0, ϕ0 ≈ 2·1015 Вб - квант магнитного потока).

Наиболее близким техническим решением является конструкция ДМП (прототип) со сверхпроводниковым пленочным ТМП, предложенная в [2]. В ДМП, содержащем диэлектрическую подложку, МЧЭ с гигантским магнитосопротивлением (ГМС), изолирующую пленку, помещенную между МЧЭ и активной полосой сверхпроводникового пленочного ТМП, достигается существенное понижение δB≤1 пТ. Такое улучшение реализуется за счет высоких значений F>100.

Физический механизм работы прототипа основан на концентрации магнитного потока с помощью ТМП на МЧЭ. Концентрация магнитного поля, т.е. усиление ТМП, позволяет увеличить относительную магниточувствительность S0=(RB-R0)/(R0·B), где RB - сопротивление МЧЭ во внешнем магнитном поле, т.е. В≠0, R0 - сопротивление МЧЭ в отсутствие внешнего магнитного поля, т.е. В=0, что уменьшает значения δВ и δϕ. Согласно прототипу ДМП состоит из диэлектрической подложки, магниточувствительного элемента с гигантским магнитосопротивлением (ГМС, GMR) и изолирующей пленки, помещенной между активной полосой ТМП и МЧЭ. ТМП представляет собой квадратообразное кольцо, имеющее длину D стороны квадрата с шириной ws в узкой части кольца, т.е. с шириной ws активной полосы ТМП. Для конфигураций, когда в качестве МЧЭ используется элемент с ГМС шириной wGMR, которая по величине приблизительно совпадает с ws, изменение внешнего магнитного поля на ΔВ отражается на МЧЭ под действием ТМП как изменение на ΔBGMR. Отношение ΔBGMR/ΔВ=F является фактором умножения (концентрации) магнитного поля, достигнутого за счет действия ТМП. Можно ожидать, что величина F~D/wGMR увеличивает S0 на ~F·S0, и, тем самым, достигается улучшение положительных показателей (уменьшение δB) ДМП. Имеется в виду, что

δB ~ δU/(I·R0·F·S0), (1)

где δU - минимальный регистрируемый сигнал на МЧЭ, I - измерительный ток в МЧЭ. Видно, что высокое значение величины F приводит к улучшению показателей. ДМП, т.е. уменьшению δB.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности сверхпроводникового пленочного ТМП.

Поставленная задача решается тем, что известный сверхпроводниковый пленочный ТМП, содержащий диэлектрическую подложку, сверхпроводниковое квадратообразное кольцо со суженной активной полосой, изолирующую пленку, помещенную между активной полосой ТМП и магниточувствительным элементом, модифицируется следующим образом - активная полоса ТМП разбивается с помощью прорезей на многочисленные параллельные ветви.

Техническим результатом решения задачи является повышение эффективности сверхпроводникового пленочного ТМП, т.е. повышение его фактора умножения. Оно достигается за счет того, что разбиение активной полосы ТМП на узкие (наноразмерной ширины) параллельные ветви приводит к более однородному распределению сверхпроводящего тока в них и увеличивает концентрацию магнитного поля на МЧЭ. Следовательно, повышается величина F и понижается δB согласно (1).

На фиг.1,а показан схематический вид ТМП: 1 - сверхпроводящее кольцо ТМП, 2 - диалектрическая подложка, 3 - активная полоса ТМП, 4 - изолирующая пленка, 5 - МЧЭ, 6 - выводы к контактным площадкам. На фиг.1,б и в показаны иллюстративные рисунки активной полосы ТМП без разбиения (б, прототип) и с разбиением на параллельные ветви с помощью прорезей (в, предложенное изобретение).

На фиг.2 приведены зависимости максимального значения роста фактора умножения Fm от лондоновской глубины λ проникновения магнитного поля в сверхпроводящем материале при различных значениях минимальной ширины прорезей wp, которые соответствуют случаям оптимального разбиения на параллельные ветви активной полосы ТМП для различных конфигураций.

Для технической реализации предложенного изобретения проводится поиск максимального значения роста фактора умножения Fm при варьировании ширин прорезей и ветвей, их количества и топологического расположения, а также характерных параметров сверхпроводящего материала ТМП. При поиске оптимального разбиения на параллельные ветви активной полосы ТМП, приводящего к максимальному значению Fm для заданной конфигурации, рассчитываются магнитные поля на МЧЭ, создаваемые сверхпроводящими токами в ветвях, принимая во внимание неоднородное их распределение. При этом учитывается только один компонент магнитного поля, оказывающий наиболее существенное воздействие на МЧЭ.

Пример. Сверхпроводниковый пленочный ТМП имеет параметры: плотность критического тока 106 А/см2, λ=50 нм, ws=7000 нм, толщина 150 нм, минимальная ширина прорезей в активной ТМП полосе wp=175 нм [3]. Тогда максимальное значение Fm≈50 достигается при оптимальных размерах и топологических расположениях прорезей и ветвей по следующей последовательности: 1050-175-175-175-175-175-175-175-175-175-175-175-l75-175-175-175-175-175-175-175-175-175-175-175-175-175-350-175-1050. Здесь жирным курсивным шрифтом показаны ширины прорезей в нм, а прописными - ширины сверхпроводящих ветвей в нм. Иллюстративный вид активной полосы ТМП с чередованием ветвей и прорезей представлен на фиг.1,в.

Согласно фиг.2 величина Fm принимает большее значение, т.е. эффективность ТМП становится выше, когда сверхпроводящий материал характеризуется более низким значением λ и уменьшается wp. С другой стороны, высокое значение фактора умножения непосредственно отражается на полезных характеристиках ДМП - значительно уменьшается порог чувствительности, что следует из (1), где следует поставить вместо F его максимальное значение Fm·F.

Пример сравнения пороговой чувствительности с прототипом. Для ДМП с ТМП из сверхпроводниковой пленки системы Y-123 и с МЧЭ из материала с ГМС при рабочей температуре 77 К (температура кипения жидкого азота) в полосе 1 Гц реализуется δB~1 пТл [2, 3]. В то время как в идентичных условиях с учетом использования данного предложения (λ≈250 нм, wp=175 нм и Fm~20) достигается δВ~50 ϕТл, что сравнимо с параметром δB для наиболее магниточувствительных ВТСП СКВИДов (Superconducting Quantum Interference Device).

Видно, что с повышением эффективности ТМП улучшаются положительные показатели датчика магнитного поля - понижается его пороговая магниточувствительность.

Таким образом, в предложенном техническом решении достигнута поставленная задача - повышение эффективности сверхпроводникового пленочного трансформатора магнитного потока в датчиках магнитного поля.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2289870.

2. Международный патент WO 2004/068158 - прототип.

3. Pannetier M., Fermon С., Le Goff G., Simola J., Kerr E. Science, 304, 1648-1650 (2004).

Сверхпроводниковый пленочный трансформатор магнитного потока, содержащий диэлектрическую подложку, сверхпроводниковое квадратообразное кольцо с узкой активной полосой, изолирующую пленку, помещенную между активной полосой трансформатора магнитного потока и магниточувствительным элементом, отличающийся тем, что активная полоса сформирована с помощью прорезей в виде параллельных ветвей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, к криоэлектронике и может быть использовано для защиты электрических машин от токовых перегрузок. .

Изобретение относится к электротехнике. .

Изобретение относится к области высокочастотной техники, в частности к устройствам для коммутации сигналов сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

Изобретение относится к устройствам для регистрации отдельных фотонов видимого и инфракрасного диапазонов. .

Изобретение относится к области способов изменения количества энергии в магнитных катушках и к области устройств для их реализации. .

Изобретение относится к области криоэлектроники, в частности к области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках. .

Изобретение относится к области криоэлектроники, в частности к области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках. .

Изобретение относится к магнитометрии и может быть использовано при создании объемов с магнитным вакуумом, т.е. .

Изобретение относится к области сверхпроводящей электротехники и может быть использовано для коммутации электрических цепей постоянного тока

Изобретение относится к области сверхпроводящей электротехники, в частности к сверхпроводящим выключателям (СПВ) постоянного тока многократного действия, и может быть использовано, например, для коммутации тока сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии и сверхпроводящих магнитных систем, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, линий электропередачи и сверхпроводящих кабелей

Изобретение относится к области сверхпроводниковой электротехники и может быть использовано для коммутации тока сверхпроводящих магнитных систем и сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи

Изобретение относится к электротехнике, в частности к сверхпроводящим размыкателям постоянного тока многократного действия

Изобретение относится к электротехнике, к средствам для использования эффекта сверхпроводимости, и может быть использовано в установках для активации высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Технический результат состоит в повышении технологичности и качества процесса намагничивания. После замыкания клемм 1, 2 переключателя к ВТСП 9 подается транспортный ток от внешнего источника постоянного тока. Транспортный ток, протекая через ВТСП 9, взаимодействует с квантованными нитями магнитного потока 7 и создает силу Лоренца, которая перемещает квантованные нити магнитного потока 7 в направлении, перпендикулярном направлению течения транспортного тока. После размыкания клемм 1, 2 переключателя магнитный поток в ВТСП 9 остается захваченным центрами пиннинга. Запасаемая в ВТСП 9 электромагнитная энергия и возникающие в режиме вязкостного движения квантованных нитей магнитного потока 7 потери компенсируются внешним источником постоянного тока. Таким образом, в процессе активации происходит преобразование тепловой энергии в электрическую, ответственную за движение квантованных нитей магнитного потока 7, и в электромагнитную, ответственную за наличие положительной остаточной намагниченности ВТСП 9. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относиться к области измерения параметров слабых потоков излучения и касается способа измерения параметров однофотонных источников излучения. Параметры источника излучения измеряются с помощью однофотонного сверхпроводникового детектора. Для осуществления способа измеряют среднее число отсчетов и количество темновых срабатываний детектора. Количество зарегистрированных фотонов определяют как разность среднего числа отсчетов и количества темновых срабатываний. Мощность излучения определяют как произведение количества зарегистрированных фотонов на энергию фотона, деленное на квантовую эффективность приемника излучения. Технический результат заключается в увеличении точности измерений и обеспечении возможности измерения малых величин мощности излучения. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Сверхпроводящий выключатель может быть использован для коммутации электрических цепей постоянного тока, в системах вывода энергии из индуктивных сверхпроводящих накопителей, для защиты крупных магнитных сверхпроводящих систем, работающих в режиме «замороженного» магнитного поля, сверхпроводящих обмоток электрических машин и в качестве токоограничителей в экспериментальных сверхпроводящих линиях электропередачи. Сверхпроводящий выключатель содержит отключающий элемент (1), выполненный в виде двух последовательно соединенных секций (2, 3) из сверхпроводников, к выводам которых подключены выводы двух последовательно соединенных и заряженных разнополярно конденсаторов (4, 5), к точке соединения конденсаторов (4, 5) подключен один из выводов замыкающего прибора (6), а также управляющую обмотку (7), которая расположена снаружи совмещенных секций (2, 3) отключающего элемента (1) и включена между точкой соединения секций (2, 3) и вторым выводом замыкающего прибора (6). Технический результат заключается в увеличении быстродействия СПВ путем повышения величины магнитного поля в области сверхпроводника отключающего элемента в интервале времени процесса управления. 1 ил.
Наверх