Пороговый датчик магнитного поля

 

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам опислник изовикткни,.

К ПАТЕНТУ (21) 4892306/21 (22) 1712.90 (46) 30.12.93 Бюл No 4?-48 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (72) Голиков А.П„Берг МЭ. (73) Голиков Александр Павлович; Берг Марк Эммануилович (54) ПОРОГОВЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ (57) Использование: область магнитометрии, а именно пороговые датчики, выдающие сигнал при

-равенстве значения магнитного поля наперед заданной величине, являющейся конструктивным признаком датчика. Сущность изобретения: пороговый датчик магнитного поля состоит из подложки .1, на которую последовательно нанесены первый слой 2 сверхпроводника, разделительный слой 3 изолятора и второй слой 4 сверхпроводника. Толщина разделительного слоя 3 периодически изменяется вдогь выделенного направления Х в плоскости этого слоя 3, Слои 2 — 4 образуют контакт

Джозефсона. Период Л пространственного изменения толщины разделительного слоя рассчитан (В) RU (1Ц 2ОО5309 С1 (51) 5 G01R33 035 Н 011 39 22 заранее как функция порогового значения магнитного поля, при котором срабатывает датчик Посредством электрических выводов 5 датчик включен в электрическую цепь, содержащую источник б постоянного тока, регулятор 7 и измеритель 8 тока

Контакт Джозефсона предварительно ориентируют относительно контролируемого магнитного поля Н таким образом, чтобы вектор поля Н был компланарен подложке 1 и перпендикулярен направлению X.

Рабочую температуру контакта устанавливают ниже известной критической температуры туннельного эффекта Регулятором 7 устанавливают величину тока через контакт Джозефсона меньшей, чем известный критический ток датчика При равенстве величины внешнего поля Н расчетному пороговому значению контакт Джозефсона находится в сверхпроводящем состоянии, при отличии — в реэистивном состоянии, при этом ток в цепи имеет различные значения Измеряют прибором 8 величину тока в цепи и по изменению этого тока судят о срабатывании порогового датчика магнитного поля, т.е. о достижении внешним полем заданного порогового значения. 1 ип.

2005309 риодического в пространстве магнитного поля (2). Этот датчик содержит контакт Джозефсона, последовательно с которым соединены измеритель постоянного тока, источник постоянного тока и регулятор тока, 35 выполненный в виде переменного резистора, а также дополнительное устройство для создания переменного в пространстве магнитного поля, содержащее второй измеритель постоянного тока, второй источник 40 постоянного тока, второй переменный резистор и контакты, а также диэлектрический немагнитный элемент с расположенным на его поверхности расходящимся пучком проводников, включенных параллельно и при- 45 соединенных к контактам, последовательно соединенным с измерителем постоянного тока, источником постоянного тока и переменным резистором. Такой датчик позволяет определить величину магнитных полей в 50 широком динамическом диапазоне, По технической сущности это устройство наиболее близко к предлагаемому изобретению и выбрано за прототип.

Недостатком прототипа следует считать сложность его конструкции за счет устройства для формирования периодического в пространстве магнитного поля.

Изобретение относится к магнитометрии, а именно к датчикам магнитного поля, в частности к пороговым датчикам, выдающим сигнал на равенстве величины магнитного поля наперед заданному значению, являющемуся конструктивным признаком датчика.

Известны датчики магнитного поля, использующие зависимость тока сверхпроводящего контакта Джозефсона от напряженности внешнего магнитного поля f1), Такие датчики содержат два сверхпроводника, разделенных изолятором и снабженных электрическими выводами, соединенными с источником тока и измерителем тока, При изменении внешнего магнитного поля изменяется величина тока, протекающего через контакт Джоэефсона. Измерив величину тока, можно определить величину магнитного поля. Недостатком такого устройства является ог.раниченный динамический диапазон измеряемой величины, что обусловлено падением выходного сигнала такого устройства с увеличением магнитного поля.

Известен также датчик магнитного поля, в котором обеспечено расширение динамического диапазона измеряемых магнитных полей за счет наложения на контакт Джозефсона дополнительного пе5

Целью изобретения является упрощен>ле конструкции датчика магнитного поля, Цель достигается за счет того, что в известном устройстве, содержащем контакт

Джозефсона, выполненный в виде двух параллельных слоев сверхпроводника, снабженных электрическими выводами, и расположенного между ними разделительного слоя, а также измеритель постоянного тока, источник постоянного тока и регулятор тока, последовательно соединенные с электрическими выводами, разделительный слой выполнен с периодической вариацией толщины вдоль одной из пространственных координат, параллельных этому разделительному слою, при этом период указанной вариации есть функция порогового значения магнитного поля срабатывания датчика, Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить его соответствие критерию "новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа и обеспечивающие достижение положительного эффекта, а именно упрощение конструкции, не были выявлены, и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия", Пример реализации предложенного порогового датчика магнитного поля схематично изображен на чертеже.

Пороговый датчик магнитного поля состоит из подложки 1, на которую последовательно нанесены, например, напылением, первый слой 2 сверхпроводника, разделительный слой 3 изолятора и второй слой 4 сверхпроводника, Толщина разделительного слоя 3 периодически изменяется вдоль координаты Х в плоскости этого слоя 3, что достигается, например, применением соответствующей штриховой маски при напылении изолятора. Слои 2, 3, 4 образуют контакт

Джозефсона. Период A пространственного изменения толщины разделительного слоя рассчитан заранее как функция порогового значения магнитного поля, при котором срабатывает датчик. Посредством электрических выводов 5 датчик включен в электрическу1о цепь, содержащую источник

6 постоянного тока, регулятор 7 и измеритель 8 тока, Предложенное устройство работает следующим образом. Предварительно ориентируют контакт Джозефсона относительно контролируемого магнитного поля Н таким образом, чтобы вектор паля Н был компланарен подложке 1 и перпендикуля2005309

30

j(x) = j

2еН

35 (5) рен направлению толщины разделительного слоя 3. Устанавливают рабочую температуру контакта Джоэефсона ниже известной критической температуры туннельного эффекта, Затем пропускают через контакт

Джоэефсона постоянный ток от источника 6, устанавливая регулятором 7 величину тока меньшей, чем известный критический ток датчика. При равенстве величины внешнего поля Н расчетному пороговому значению контакт Джозефсона находится в сверхпроводящем состоянии, при отличии — в резистивном состоянии, при этом ток в цепи имеет различные значения. Измеряют прибором 8 величину тока в цепи и по изменению этого тока судят о срабатывании порогового датчика магнитного поля, то есть о достижении внешним полем заданного порогового значения.

Техническая сущность изобретения за, ключается в периодическом воздействии на структуру токовых вихрей в контакте Джозефсона, Как известно (1), в контакте Джозефсона, помещенном в магнитное поле Н, если зазор d между сверхпроводниками не изменяется в пространстве, плотность тока

j(x) периодически изменяется вдоль координаты Х, перпендикулярной в плоскости контакта вектору магнитного поля, что описывается системой уравнений: где j< — параметр; е — заряд электрона. и. — постоянная Планка;

С вЂ” скорость света;

rp(x} — вспомогательная функция, описывающая слабую связь между сверхпроводниками. . В заявляемом техническом решении предлагается периодически изменять толщину d зазора между сверхпроводниками:

d = с)о+ di cos — — (2)

2тгос где Л вЂ” период, заданный при изготовлении контакта Джоэефсона; бо, d +d< — минимальная и максимальная толщины зазора соответственно.

В этом случае выражение.для плотности тока j(x) имеет вид:

55 — - n)x+@,} (3)

hc где ho 2 б Н ln

2ебоН ро — параметр, В случае d> = О, n = 0 получается известный из литературы результат j(x) = л

j

Полный ток через контакт Джозефсона равен интегралу от (3) по Х. Если все слагаемые в (3) являются осциллирующими, то полный ток при достаточно больших Н быстро падает, что наблюдается в известных джозефсоновских датчиках магнитного поля с постоянным d.

В предложенном датчике при выполнении условия:

Л = A = п —, где п — целое, (4) и с о - соответствующий член ряда (3) становится неосциллирующим и, будучи проинтегрированным по длине разделительного слоя, дает всплеск тока сверхпроводимости, амплитуда которого, то есть критический ток контакта, приближенно равна

Таким образом, датчик магнитного поля, рассчитанный на порог срабатывания Н = Й и изготовленный с периодом Л1 =Л1 вариации толщины разделительного слоя, где Л1 и Н связаны соотношением (4), находится в несверхпроводящем, резистивном состоянии (критический ток сверхпроводимости мал) при магнитных полях Н = Й, а при выполнении условия Н = A, то есть при достижении полем Н заданного значения Й, дает всплеск тока сверхпроводимости, который может быть зарегистрирован измерительным прибором.

В прототипе также осуществляется периодическое воздействие на контакт Джозефсона путем дополнительного наложения на него наряду с постоянным магнитным полем периодического магнитного поля с известным периодом. Заявляемое техническое решение выгодно отличается от прототипа более простой конструкцией, так как в. нем отсутствует

2005309

Составитель А. Голиков

Редактор Т. Лошкарева Техред М.Моргентал Корректор О. Кравцова

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3432

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 сложная система формирования периодической компоненты магнитного поля.

Таким образом достигается цель изобретения — упрощение конструкции пороговаго датчика магнитного поля, Формула изобретения

ПОРОГОВЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО

ПОЛЯ, содержащий контакт Джозефсона, выполненный в виде двух параллельных слоев сверхпроводника, снабженных электрическими выводами, и расположенного между ними разделительного слоя, а также измеритель постоянного тока, источник постоянного тока и регулятор тока, последовательно соединенные с электрическими (56) 1, Кулик И. О, и Янсон И, К. Эффект

Джозефсона в сверхпроводящих туннельных структурах. М„1970.

2. Авторское свидетельство СССР

5 N. 1365922, кл. Н 01 1 39/22, 1986. выводами, отличающийся тем, что, с целью

10 упрощения конструкции порогового датчика, разделительный слой выполнен с периодической вариацией толщины вдоль одной из пространственных координат. параллельных этому разделительному слою, 15 при этом период указанной вариации есть функция порогового значения магнитного поля срабатывания датчика.