Микроквантовые измерительные преобразователи на основе эффекта Джозефсона

Метод свободной ядерной индукции

Лекция №12. Микроквантовые измерительные преобразователи на основе ядерно-магнитного резонанса

Ядерный магнитный резонанс связан с резонансом магнитного момента ядра М. Если поместить его в магнитное поле B_X под углом ψ, он будет совершать прецессию. Эта прецессия приведет к тому, что перпендикулярно B_X появится вектор переменного направления с частотой прецессии B_~.

- гиромагнитное отношение

М – магнитный момент;

Р – механический момент.

γ = 2,67513*10^-8 [Тл ^-1*с^-1] для протона

Если известно γ, то можно измерить B_X с точностью частотомера.

Ампулы с протонами (водой) помещают в систему катушек и магнита. Если подавать в катушку переменное поле с частотой прецессии ω, то получим резонанс. Энергия резко поглощается на раскачку магнитного момента, напряжение на контуре резко упадет (явление ядерного поглощения).

Момент резонанса определяется по поглощению энергии.

За период модуляции Т_м условия резонанса появятся дважды, т.е. имеем 2 резонансных сигнала.

На преобразователь воздействуют сильным постоянным поляризационным магнитным полем. Поляризационное поле действует дольше, чем переключатель П, находящийся в положении I, тогда совпадает по направлению с B_n. Затем поле быстро выключается, тогда будет прецессировать с частотой и непрерывным уменьшением угла θ.

При этом в катушке будет наводиться ЭДС

где В_Я – ядерная индукция;

S – сечение катушки.

- амплитуда ЭДС

Е_m мала, чтобы отличить ее от шумов ставят узкополосный усилитель.

Погрешность измерения индукции складывается из погрешности измеренной частоты, определения гиромагнитного отношения, установления резонанса. Погрешность установления резонанса зависит от неоднородности устанавливаемого поля. Это влияет на расширение полосы резонанса.

Берется сверхпроводниковый материал в виде тора. Внутри тора практически очень трудно изменять магнитное поле, но все-таки можно осуществить изменение на микроскопическую величину, измеряемую в Вб.

Поле изменяется скачком величина этого кванта измеряется в Вб.

Если этот тор разделить на 2 половинки и изолировать друг от друга непроводящим диэлектриком (пленкой окисла), то состояние сверхпроводимости останется и падение напряжения на диэлектрике будет нулевым до какой-то величины критического тока через этот диэлектрик.

При I_к появляется U≠0, в области диэлектрика наблюдается электромагнитное излучение, частота которого прямо пропорциональна этому излучению.

Внутри диэлектрика на электроны действует поле, которое приводит их в движение. Они возвращаются в исходное состояние, излучая излишнюю энергию.

Нестационарное явление Джозефсона

Через этот диэлектрик пропускаем ток, подходим к критическому значению тока I_к и начинаем менять магнитный поток перпендикулярно плоскости. Датчики такого типа называются СКВИДами. Можно собрать прибор на методе сравнения.

Магнитометр с использованием СКВИДа

Superconductive Interference Device

Источник постоянного тока ИПТ задает падение напряжения. Катушка компенсации запитывается двумя токами: с генератора и интегратора. Тор помещен в переменное поле, которое изменяется и усиливается, а затем подается в обратную связь.

Можно застабилизовать рабочую точку кольцом, I_к будет пропорционален изменению магнитного потока. Можно измерять индукцию 10^-18 ÷ 10^-12 Тл.