Сверхпроводниковый пленочный концентратор магнитного поля с 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: 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 – прорези 4

Магнитное поле на чувствительном элементе l и h полуширина и полутолщина пленки соответсвенно, μ 0 постоянная магнитного поля, I s - экранирующий ток, λ лондоновская глубина проникновения поля в материал ТМП, ( x 0, y 0 ) – точка действия экранирующего тока на чувствительный элемент. 5

Характерные параметры активной полосы I s = 10 мА; λ = нм; w s = 7000 нм; h = нм; h izol = нм; h MSE = 20 нм; w p = 20 нм. I s – экранирующий ток; λ – глубина проникновения поля; w s – ширина активной полосы; h izol - толщина изолирующего слоя; h MSE - толщина чувствительного элемента; w p - 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 Узкая сверхпроводящая пленка: Широкая сверхпроводящая пленка: 7

Увеличение однородности магнитного поля в активной полосе Фактор роста эффективности концентрации магнитного поля где - магнитное поле с разбиением, - магнитное поле без разбиения, K L фактор роста индуктивности. Активная полоса без разбиения Активная полоса с разбиением 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 прорезями 9

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 где U – минимальный регистрируемый сигнал на чувствительном элементе, I – измерительный ток, F – фактор роста эффективности. где R B – сопротивление чувствительного элемента во внешнем магнитном поле B, R 0 – сопротивление чувствительного элемента при отсутствии внешнего магнитного поля. 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