СКВИДы

СКВИД — прибор, название которого представляет собой сокращение длинного наименования «сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство» на английском языке. «Сердце» СКВИДа представляет собой сверхпроводящее кольцо с четырьмя выводами, которые служат для подачи тока и съема напряжения. В кольце есть одно или два слабых звена. Кольцо с одним слабым звеном и кольцо с двумя слабыми звеньями — два разных вида СКВИДа, различающиеся по устройству и режиму работы. Для их работы существенны два явления — стационарный эффект Джозефсона и явление сохранения и квантования магнитного потока в сверхпроводящем кольце. Дело в том, что на СКВИД подается магнитное поле — внешнее или специально создаваемое в устройстве. Если бы кольцо не содержало слабых звеньев, то оно бы жестко сохраняло величину Φ магнитного потока, протекающего через него, причем эта величина кратна кванту потока Φ0, т.е. Φ = nΦ0, где n — целое число. Сверхпроводящее кольцо со слабым звеном ведет себя в поле следующим образом. Если увеличивать внешний поток, то магнитный поток Φ через кольцо тоже немного увеличивается (см. рис.) — сверхпроводящий ток кольца не может полностью экранировать внешнее поле. Затем настает момент, когда этот сверхпроводящий ток превышает критический ток слабого звена, оно переходит в нормальное состояние, один квант потока проникает внутрь кольца (на рисунке это момент скачка), экранирующий ток резко падает, слабое звено вновь переходит в сверхпроводящее состояние, и кольцо снова начинает сопротивляться дальнейшему нарастанию внешнего магнитного поля.

Так увеличивается магнитный поток через сверхпроводящее кольцо со слабым звеном при увеличении внешнего магнитного поля. Внешним мы называем поток, который проходил бы через кольцо, если бы сверхпроводимости не было

При другом возможном в СКВИДах режиме на внешние контакты подается постоянный ток и со СКВИДа можно снимать отличное от нуля напряжение, которое, однако, зависит еще и от магнитного поля, в котором находится СКВИД. Эта зависимость позволяет на основе СКВИДов создавать сверхточные измерители напряженности магнитного поля. При этом СКВИД измеряет не абсолютное значение напряженности поля, а его отличие от эталонного, или разницу значений в двух близких точках, или изменение напряженности поля во времени. Большое поле, конечно, разрушит Сквид, поэтому чаще всего Сквид помещают в экранирующий сверхпроводящий «стакан». (Это название должно указывать только на форму экрана, а не на реальные размеры устройства, которое, скорее, напоминает тонкую палочку. Размеры самих СКВИДов — порядка десятков и сотен микрон.) Измеряемые изменения магнитного поля передаются к СКВИДу посредством специальных приемных витков и катушек. Основанные на СКВИДах датчики магнитного поля широко применяются в геофизике для измерения колебаний магнитного поля Земли и в некоторых других областях. С использованием СКВИДов созданы пиковольтметры, измерители магнитной восприимчивости и другие точные приборы. С помощью СКВИДов в медицинских исследованиях ведутся записи магнитных сигналов от органов человеческого тела — в дополнение к электрическим исследованиям (электрокардиограммы или электроэнцефалограммы). Для съемки магнитных сигналов не нужен непосредственный контакт с телом. Более того, возможна регистрация сигналов, гораздо более слабых или исходящих от небольших участков тела. За годы экспериментов научились получать магнитограммы практически от всех органов человеческого тела, причем удается регистрировать сигналы с напряженностью 5•10–7 Э, и это не предел! Напомним, что напряженность магнитного поля Земли в миллион раз больше. Таким способом удается получить магнитограмму плода беременной женщины. Это существенно, поскольку раннее обнаружение отклонений в ритме сердца и назначение лечения могут уменьшить возникающее повреждение мозга ребенка и устранить его умственную отсталость. А электрокардиограмму плода на фоне электрической активности органов матери получить очень трудно или вообще невозможно. С физической точки зрения этот метод уже разработан, однако распространенным диагностическим методом не стал прежде всего потому, что не всегда надежна расшифровка магнитограммы. На основе СКВИДов и контактов Джозефсона созданы и иные измерительные приборы — чувствительные вольтметры, низкотемпературные термометры (для диапазона температур 10–6–10+1 К), детекторы электромагнитного излучения и многие другие. С помощью эффекта Джозефсона в 1970-е гг. был установлен новый, более точный эталон вольта, удалось также приблизительно в 10 раз уточнить значения некоторых фундаментальных физических постоянных. Магнитный контроль с применением СКВИДов, как показывают эксперименты, может регистрировать возникновение пластической деформации, предшествующей образованию трещин.