Сверхпроводниковый пленочный Сверхпроводниковый пленочный концентратор магнитного поля концентратор магнитного поля

с наноразмерными ветвямис наноразмерными ветвями

Л.П. Ичкитидзе Н.А. Новиков

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Москва 2012

Системы магнитоэнцефалографии

МЭГ система Elekta Neuromag

Массив СКВИД-датчиков

Стоимость системы Neuromag:

≈ 3 000 000 €

Количество датчиков в массиве:

360

Стоимость датчика: ≈ 2000 €

Расход охлаждающей жидкости:

12 литров/день

2

Трансформаторы магнитного потока в датчиках слабых полей

Расширение динамического диапазона

Увеличение помехозащищенности

Увеличение чувствительности

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 – прорези4

Магнитное поле на чувствительном элементе

• 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.

0 0 00 0 0

2 2 2 20 0 0 02 2 0

( ) ( )[ ]8 ( ) ( ) ( ) ( )

x l l xl

sparal

h l h

I e y y e y yB dxdy dxdyh y y x x y y x x

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

Зависимость величины магнитного поля от положения точки на чувствительном элементе для различных ширин активной полосы

2

swh

2

swh

Узкая сверхпроводящая пленка:

Широкая сверхпроводящая пленка:

7

Увеличение однородности магнитного поля в активной полосе

Фактор роста эффективности концентрации магнитного поля

где <B> - магнитное поле с разбиением, <B0> - магнитное поле без разбиения, KL фактор роста индуктивности.

Активная полоса без разбиения

Активная полоса с разбиением

0

,L

BFB K

8

Перераспределение магнитных полей при структурировании

Зависимость величины магнитного поля от положения точки на чувствительном элементе для активной полосы без структурирования

и при структурировании 2, 4, и 8 прорезями9

Зависимость фактора роста от расположения прорезей

Зависимость фактора роста эффективности от расположения прорезейв 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

0 0

,UBI R F S

где U – минимальный регистрируемый сигнал на чувствительном элементе, I – измерительный ток, F – фактор роста эффективности.

где RB – сопротивление чувствительного элемента во внешнем магнитном поле B, R0 – сопротивление чувствительного элемента при отсутствии внешнего магнитного поля.

0 .BS S F

00

0

,BR RS

R B

Относительная магниточувствительность

Относительная чувствительность после фрагментации

Минимальное регистрируемое поле

(1)

(2)

(3)

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, обеспе-чивающие 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