Сверхпроводниковый пленочный концентратор магнитного поля

реклама
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

lx
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
Скачать