Сверхпроводниковый пленочный концентратор магнитного поля
advertisement
Сверхпроводниковый пленочный концентратор магнитного поля с наноразмерными ветвями Л.П. Ичкитидзе Н.А. Новиков Национальный исследовательский университет “МИЭТ” Москва 2012 Системы магнитоэнцефалографии Количество датчиков в массиве: 360 Стоимость датчика: ≈ 2000 € МЭГ система Elekta Neuromag Стоимость системы Neuromag: ≈ 3 000 000 € Расход охлаждающей жидкости: 12 литров/день Массив СКВИД-датчиков 2 Трансформаторы магнитного потока в датчиках слабых полей Увеличение чувствительности Расширение динамического диапазона Увеличение помехозащищенности Сверхпроводниковый трансформатор магнитного потока 3 Схематическое изображение пленочного трансформатора потока Пленочный трансформатор магнитного потока. Обозначения: 1 – сверхпроводящее кольцо, 2 – подложка, 3 – активная полоса, 4 – магниточувствительный элемент, 5 – изолятор, 6 – сверхпроводящие ветви, 7 – прорези 4 Магнитное поле на чувствительном элементе Bparal • • • • • x l lx 0 0 0 l 0 I s e ( y0 y ) e ( y0 y ) [ dxdy dxdy ] 2 2 2 2 8 h 2 h l ( y0 y ) ( x0 x) ( y0 y ) ( x0 x) 2 h 0 l и h полуширина и полутолщина пленки соответсвенно, μ0 постоянная магнитного поля, Is - экранирующий ток, λ лондоновская глубина проникновения поля в материал ТМП, (x0, y0) – точка действия экранирующего тока на чувствительный элемент. 5 Характерные параметры активной полосы Is = 10 мА; λ = 50-250 нм; ws = 7000 нм; h = 25-500 нм; hizol = 250-2500 нм; hMSE = 20 нм; wp = 20 нм. Is – экранирующий ток; λ – глубина проникновения поля; ws – ширина активной полосы; hizol - толщина изолирующего слоя; hMSE - толщина чувствительного элемента; wp - ширина прорези. 6 Распределение магнитного поля по ширине чувствительного элемента Узкая сверхпроводящая пленка: ws 2 h Широкая сверхпроводящая пленка: ws 2 h Зависимость величины магнитного поля от положения точки на чувствительном элементе для различных ширин активной полосы 7 Увеличение однородности магнитного поля в активной полосе Активная полоса без разбиения Активная полоса с разбиением Фактор роста эффективности концентрации магнитного поля B F , B0 K L где <B> - магнитное поле с разбиением, <B0> - магнитное поле без разбиения, KL фактор роста индуктивности. 8 Перераспределение магнитных полей при структурировании Зависимость величины магнитного поля от положения точки на чувствительном элементе для активной полосы без структурирования 9 и при структурировании 2, 4, и 8 прорезями Зависимость фактора роста от расположения прорезей Зависимость фактора роста эффективности от расположения прорезей в активной полосе в случае с двумя прорезями 10 Зависимость фактора роста от толщины изолятора Зависимость фактора роста эффективности от толщины изолирующего слоя в случае с двумя прорезями Зависимость фактора роста эффективности от глубины проникновения магнитного поля в случае с двумя прорезями 11 Зависимости фактора роста от количества прорезей Зависимость фактора роста эффективности от количества прорезей в активной полосе (для прорезей шириной 100 нм) Зависимость фактора роста эффективности от количества прорезей в активной полосе (для прорезей шириной 350 нм) 12 Чувствительность датчика Относительная магниточувствительность RB R0 S0 , R0 B (1) где RB – сопротивление чувствительного элемента во внешнем магнитном поле B, R0 – сопротивление чувствительного элемента при отсутствии внешнего магнитного поля. Относительная чувствительность после фрагментации SB S0 F . (2) Минимальное регистрируемое поле B U I R0 F S0 , (3) где U – минимальный регистрируемый сигнал на чувствительном элементе, I – измерительный ток, F – фактор роста эффективности.13 Заключение • Фрагментация активной полосы пленочного сверхпроводящего трансформатора на наноразмерные ветви и прорези повышает его фактор роста эффективности. • Существует оптимальное расположение прорезей в активной полосе и оптимальная взаимная ориентация трансформатора и чувствительного элемента, обеспечивающие максимум фактора роста эффективности. • Структурирование имеет больший эффект для низкотемпературных сверхпроводников с глубиной проникновения магнитного поля 50 нм. • Фактор роста эффективности достигает максимального значения 4,5 при простейшем структурировании на три ветви и две прорези. • Достигнуто максимальное значение фактора роста эффективности 45,1 при структурировании активной полосы 70 прорезями шириной 20 нм при глубине проникновения поля 50 нм. 14
