Сверхпроводящие магнитные экраны

Способность сверхпроводящего экрана, в котором произошел переход в сверхпроводящее состояние, захватывать магнитное поле иногда используют для проведения измерений при фиксированных значениях поля. Нужно отметить, что эффект Мейснера, на котором основано применение сверхпроводников для магнитного экранирования, т.е. выталкивание магнитного потока из сверхпроводника, составляет всего 10-20% для свинца и ниобия обычной чистоты (99,9-99,99%). Поскольку объем сверхпроводящего материала экрана очень мал по сравнению с объемом экранируемой полости, то изменение поля при его захвате может составлять менее 1%. После того как экран перешел в сверхпроводящее состояние, все другие способы поддержания и регулировки магнитного поля, такие как использование ферромагнитных экранов, катушек Гельмгольца или соленоидов, становятся излишними, а захваченное поле будет оставаться постоянным до тех пор, пока [c.169]

Другое явление, характерное для сверхпроводящего состояния,-это выталкивание магнитного потока, или эффект Мейснера. Он состоит в том, что на поверхности тела, находящегося во внешнем магнитном поле, при переходе в сверхпроводящее состояние возникают токи, магнитное поле которых в точности компенсирует поле в объеме тела. Известно, что обычно эффект Мейснера не бывает полным, поскольку часть потока все-таки захватывается внутри сверхпроводящего металла. Это обстоятельство связано с наличием в реальных металлах неоднородностей, на которых и происходит закрепление ( пиннинг ) захваченного потока, так что именно такое состояние оказывается энергетически более вьп-одным по сравнению с состоянием, когда поток полностью вытолкнут. Проблема захватывания потока является одной из самых серьезных при создании сверхпроводящих магнитных экранов. Заметим, что из-за эффекта Мейснера при сверхпроводящем переходе происходит существенное изменение магнитного поля в сверхпроводнике и его окрестности. [c.149]

Магнитные экраны становятся очень важной частью рассматриваемых в этой главе магнитометров в тех случаях, когда предполагается использовать прибор на пороге его чувствительности. Ферромагнитные экраны обычно ослабляют внешнее поле не более чем в 10" раз, в то время как с помощью сверхпроводящих экранов легко достичь уровня экранирования порядка 10 и более, причем последний не зависит от частоты в диапазоне от долей герца до гигагерц (10 Гц). [c.168]

Подробные исследования процесса вмораживания магнитного поля при сверхпроводящем переходе в свинцовых экранах цилиндрической формы проводились во ФТИНТе АН УССР [108]. Частичный захват потока объясняется тем, что в процессе перехода распространение сверхпроводящей фазы и выталкивание ею внешнего магнитного поля идет неравномерно, и фронт распространения, будучи сильно изрезанным, иногда окружает области нормальной фазы. Магнитный поток в этих областях и оказывается вмороженным. Исследования показали, что коэффициент ослабления постоянного магнитного поля А = внешн/ внутр после перевода, экрана в сверхпроводящее состояние тем выше, чем бездефектнее и химически чище материал экрана и чем медленнее происходит процесс охлаждения, который обязательно следует вести из одной точки экрана. Важно поддержание сравнительно высокого градиента температуры на фронте распространения сверхпроводящей фазы. Экспериментально были найдены параметры процесса для цилиндрических свинцовых экранов с характерными размерами диаметр 60 мм, длина 230 мм, толщина стенки 1,5 мм. Оптимальный градиент температуры 0,23 К/см и скорость движения фронта 1,1 см/с. Дно экрана должно иметь закругленную форму, что в десятки раз улучшает коэффициент ослабления внешнего поля по сравнению с экраном в виде стакана с плоским дном. Свинец показал себя наилучшим [c.72]

Система для измерения магнитной восприимчивости, работающая в Калифорнийском университете (Санта-Барбара), имеет вертикальный рабочий канал диаметром 7 мм и похожа на описанные в этом разделе аналогичные магнитометры. Отличие состоит в том, что прибор снабжен сверхпроводящим соленоидом на 2,5 Тл. Сверхпроводящий экран находится внутри соленоида и может захватывать достаточно сильное поле, обеспечивая тем самым его стабильность, необходимую для проведения измерений с высокой чувствительностью. Так, если требуется зарегистрировать индукцию 0,1 Тл с погрешностью 10 ° Тл, то измеряемое поле должно быть стабильно с точностью по крайней мере 10 . Обдувая образец потоком газообразного гелия нужной температуры, можно устанавливать любую температуру в интервале от 4 К до комнатной. Система контроля температуры состоит из теплообменника, в котором образуется газообразный гелий, электрического нагревателя, диодного термометра и электронной схемы, позволяющих регулировать температуру потока газа. Поскольку при этом образец находится при [c.189]

Рассмотрим теперь петлю магнитного гистерезиса (см. ниже) как характеристику магнитного материала, и в первую очередь зависимость формы петли от размера зерен. Нужно отметить трудоемкость получения петли гистерезиса с помощью сквид-магнитометра, поскольку для изменения намагничивающего поля в сквид-системе требуется отогреть и вновь охладить сверхпроводящий экран при новом значении поля. [c.198]

Сквид ) с трансформатором потока очень чувствителен к магнитному полю, поэтому при работе с ним важно устранить влияние магнитных шумов и помех. Приведенные выше пороги чувствительности для ПТ- и ВЧч кви-дов были измерены, так сказать, в тепличных (хотя и при гелиевой температуре) условиях приемные катушки сквидов были защищены от внешних воздействий сверхпроводящими экранами. Но если этими приборами нужно взглянуть на внешний мир , т.е. в нашем случае измерить поля живого организма, не находящегося внутри экрана при гелиевой температуре, то необходимо учитывать, что помимо полезного сигнала на сквид действует множество возмущений, которые много сильнее биомагнитных полей. [c.41]

Можно предложить способ уменьшения вмороженного поля, который еще не применялся для экранировки, но может оказаться подходящим именно для больших экранов. Он состоит в использовании явления течения магнитного потока под действием тока в сверхпроводнике, которое исследовалось на небольших образцах [112, 113].Если внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно тонкому слою сверхпроводника первого рода, например свинца, то оно вмораживается следующим образом магнитный поток концентрируется в небольших областях (как показано на рис. 18), где магнитное поле достигает критического и сверхпроводимость нарушается. Сверхпроводящий слой становится как бы изрешечен множеством нормальных областей, каждую из которых пронизывает поток порядка 100 0. Эти области обладают определенной подвижностью, и в силу этого даже замкнутый экран из сверхпроводника, но с вмороженным полем, не дает совершенной экранировки. Изменение внешнего поля немного перераспределяет поле, захваченное внутри экрана, так как при этом нормальные области передвигаются по экрану. Этот эффект вполне заметен, если перемещать постоянный магнит вне тонкостенного свинцового экрана, окружающего сквид-магнитометр. [c.74]

Для магнитных исследований мозга перспективно использование узкоспециального сверхпроводящего экрана меньшего размера в форме шлема. Уменьшенный прототип его уже испытывался [115]. Приемная петля сквид-магнитометра находится в узком пространстве между поверхностью головы и экраном - такая схема резко улучшает чувствительность к близким источникам поля (в коре мозга) и, наоборот, ослабляет влияние удаленных посторонних источников. В шлем можно разместить несколько магнитометров для многоточечной съемки. Правда, сравнительно неглубокий шлем, одеваемый на голову, не слишком эффективен для защиты от внешних помех в сравнении с замкнутым экраном или обычно используемыми экранами в виде длинной трубы. Возможность практической реализации такого шлема еще требует проверки. [c.75]

Особые свойства сверхпроводников могут пметь широкое практич. применение, напр, при создаиип сверхпроводящих обмоток для электромагнитов, конструировании магнитных экранов, элементов памяти счетных машин, высокочувствительных термометров, гальванометров и других измерительных приборов. [c.487]

В своей работе по исследованию зависимости спектра сверхтонкого расщепления железа в железо-палладиевом сплаве от температуры и внешнего поля Крейг и др. [20] детально описывают спектрометр для измерения резонансных эффектов на образцах, находящихся в поле сверхпроводящего магнита. Главные трудности, которые необходимо преодолеть при проведении таких измерений, следующие а) вывод мягких у-лучей из объема криостата в детектор, который должен быть защищен от магнитного поля соленоида соответствующим экраном, и б) введение допплеровского движения внутрь криостата без существенного искажения формы колебаний. Другое решение этой экспериментальной проблемы дали Де Ваард и Хеберле [21] во время своих измерений магнитного момента состояния с энергией 26,8 кэв и спином Описание спектрометра, пригодного для у-резонансных исследований на переходе с энергией 22,5 кэв в данное Алфименковым и др. [22], является одной из немногочисленных работ, содержащих подробную информацию о советской экспериментальной технике. [c.99]

Жесткие требования к магнитной чистоте могут быть ослаблены, если измеряются только переменные или периодические сигналы, характерные для многих биомагнитных и физических явлений. Тогда существенны лишь изменения полей, вызванные движением или вибрацией деталей, а эти изменения много меньше самих полей. Практика показывает, что сборку таких приборов можно вести в обычных лабораторных условиях, без специальных антимагнитных ухищрений. При этом, однако, недопустимо применение явно ферромагнитных материалов — их наличие обычно проверяют с помощью магнита. Также недопустимо расположение вблизи приемной петли магнитометра деталей из материала, сверхпроводящего при гелиевой температуре, например, оловянноч винцового припоя, так как сверхпроводнию выталкивают из себя и тем самым сильно искажают внешнее магнитное поле. Искажения переменных во времени магнитных полей могут давать и детали из хорошо электропроводящих материалов (меди, алюминия) из-за наведения в них индукционных токов. Хаотические тепловые токи в таких металлах вызывают и дополнительный магнитный шум. Оценка величины шумов будет приведена в гл. 3 при рассмотрении экранов из металлов с высокой электропроводностью. Применение небольших металлических деталей допустимо, но должно быть сведено к минимуму. Их следует изготовлять из немагнитных сплавов, предусматривая при этом возможность легкой замены, если при работе прибора выяснится, что та или иная конкретная деталь имеет магнитные примеси и вызывает шум. [c.43]

Хорошую изоляцию от магнитных помех дают сверхпроводящие экраны, однако создание таких экранов с большим теплым объемом — сложная техническая задача. Самый крупный из известных нам сейчас [107] представляет собой цилиндр с внутренним диаметром 40 см и длиной около двух метров. Окружающий этот теплый объем дьюар содержит слой свинца толщиной 0,25 мм и расходует 6 л жидкого гелия в день. К сожалению, тонкий слой сверхпроводника, охлажденный ниже температуры перехода во внешнем магнитном поле, содержит области нормальной фазы с вмороженным магнитным потоком. Это происходит потому, что эффект Мейсснера (выталкивание магнитного поля из сверхпроводника) оказывается неполным из-за большого размагничивающего фактора для слоя. Захваченное экраном постоянное магнитное поле неоднородно и потому порождает те же вибрационные проблемы, что и для ферромагнитных экранов. В работе [107] они преодолевались тем, что экран переводился в сверхпроводящее состояние в ферромагнитноэкранированной комнате в поле около 0,1 нТл ). Криогенные трудности при создании сверхпроводящего экрана с линейными размерами около 2 м, необходимого для биомагнитографии человека, преодолимы, но здесь главная проблема — избавиться от вмороженного неоднородного поля, а пути ее негромоздкого решения не очень ясны. Сверхпроводящие экраны малых размеров широко используются в эксперименте. Вмороженное в них поле уменьшают тем, что охлаждение проводят в объеме, защищенном наружным ферромагнитным экраном, но такой путь для сверхпроводящего экрана большого размера эквивалентен строительству еще большей ферромагнитноэкранированной комнаты. [c.72]

Существуют и другие способы уменьшения вмороженного поля. Если в процессе сверхпроводящего перехода во внешнем магнитном поле экран вращать с частотой около 1 Гц, то удается получить остаточное поле внутри экрана, в 100 раз меньшее внешнего [107]. Это объясняется, во-первых, тем, что снижается вероятность захвата магнитного потока на структурных дефектах сверхпроводника, так как поле на нем переодически меняет знак, а во-вторых, влиянием индукционных токов, наводимых в проводнике, движущемся в магнитном поле, причем поле этих токов направлено противоположно внешнему. [c.73]

Испытан также метод раздувающихся экранов [54, 110], при котором оболочка в сложенном состоянии переводится в сверхпроводящее состояние, а затем расправляется - захваченное поле уменьшается с увеличением объема. Проводя такой процесс последовательно до трех раз, можно получить остаточное поле в несколько пикотесла в цилиндрическом объеме диаметром 20 см и высотой до 30 см. Столь малые поля нужны для проведения экспериментов, в которых магнитное поле является мешающим фактором, например при работе со спутниковым гироскопом или в поисках магнитного монополя, о предполагаемом наблюдении которого, пока единичном, сообщалось Кабрерой [111]. Мешающим фактором магнитное [c.73]

На практике для подобных измерений, однако, предпочитают изготавливать специальные приборы, отличающиеся по конструкщш от биомагнитных. Так как линейные размеры образцов обычно не слишком велики, максимум 10 - 20 см, зону чувствительности магнитометра, имеющую комнатную температуру, можно выполнить в виде цилиндрического канала, который проходит сквозь гелиевый дьюар. Это увеличивает сцепление магнитного потока от образца с приемной петлей магнитометра, что повышает чувствительность, а кроме того, позволяет использовать сверхпроводящий экран для защиты от магнитных шумов и создания очень стабильного подмагничивающего поля на образце. Магнитометр с диаметром отверстия 64 мм, работающий с постоянной времени 1 с, может измерить магнитный момент до 10 Тл-м (Ю Гс-см ) [307]. Эти так называемые рок-магнитометры (по-английски г оск - скала) в большинстве своем применяются для изучения слабомагнитных горных пород, систематические обмеры которых могут оказать большую помощь геологам - хотя бы уже тем, что для измерений в неполевых условиях можно использовать образцы заметно меньших размеров. Такие измерения проводились и на образцах лунного грунта [308]. [c.175]

Многочисленные попытки обнаружить магнитный монополь не дали результата. Имея в виду саму природу монополя, представлялось естественным пытаться обнаружить его магнитными методами, в частности сквид-магнитометрами. Возобновление интереса к поискам магнитного монополя связано с предположениями А.Полякова (СССР) и Ж.т Хуфта (Голландия) о существовании так называемого сверхтяжелого монополя , обладающего массой 2-10 г, т.е. на много порядков большей, чем у обычных элементарных частиц, но имеющего такой же магнитный заряд, как и "монополь Дирака . Сверхтяжелый монополь слабо взаимодействует с веществом и может пролететь даже сквозь земной шар. Однако если магнитный монополь пролетит сквозь сверхпроводящее кольцо, в последнем наведется постоянный ток, соответствующий изменению магнитного потока в кольце на два кванта потока 2 po Это изменение может быть надежно зафиксировано сквидом. Такой эксперимент был проведен Б. Кабрерой (Стенфордский университет, США) [111], Постановка его сравнительно проста. Сквид-магнитометр с катушкой в четыре витка довольно большого размера (5 см в диаметре) помещался в сверхпроводящий экран с ничтожным остаточным полем (см. 3.2) для исключения любых магнитных помех. Прибор работал непрерывно в режиме ожидания пролета монополя, который должен изменить поток на восемь квантов потока (2<ро X 4 витка). Такое событие бьшо обнаружено после полу го да наблюдений. [c.180]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология