КОМПАРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1994 года по МПК G01R17/20 H01L39/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в прецизионных устройствах, предназначенных для измерения отношения постоянных токов, а также для эталонов напряжения и тока.

Известен компаратор постоянного тока [1], в котором многовитковые обмотки сравнения заключены в соединенный внахлестку тороидальный экран, выполненный из мягкого сверхпроводящего материала (свинца), а используемый в качестве нуль-индикатора магнитного потока СКВИД помещен в центре тороида. В месте перекрытия стенок экран изолирован и напоминает змею, проглатывающую свой хвост. Для вывода концов обмоток сравнения используется свинцовая трубка.

Однако такая конструкция не обеспечивает достаточно плотного и равномерного прилегания слоев экрана друг к другу и, следовательно, снижает точность компарирования. Для повышения точности используют трех- и четырехкратное перекрытие слоев, что увеличивает габариты компаратора и делает его неприменимым в устройствах с криостатом ограниченных размеров.

Известен также компаратор постоянного тока [2], который по совокупности существенных признаков принят за прототип. В этом компараторе сверхпроводящий экран выполнен в виде двух составных тороидов прямоугольного сечения, изготовленных из твердого сверхпроводящего материала, например ниобия. Тороиды имеют радиальные щели и размещены один внутри другого с угловым смещением радиальных щелей. На участке углового сдвига радиальных щелей установлена сверхпроводящая стенка, соединяющая по периметру радиального сечения соответствующие поверхности внешнего и внутреннего тороидов экрана. Обмотки сравнения компаратора намотаны на катушку, размещенную во внутреннем тороиде экрана.

К недостаткам компаратора, выбранного в качестве прототипа, относится "функциональное" построение устройства: экран (функция точного компарирования) - трансформатор магнитного потока (согласование) - квантовый интерферометр (датчик). Выполнение разными узлами устройства функций точного компарирования и датчика требует использования согласующего трансформатора магнитного потока и не позволяет реализовать предельные значения чувствительности и точности прибора в целом.

Действительно согласно [3] максимальная чувствительность по магнитному потоку ограничивается шумами и определяется выражением
ΔΦ = · _ , где L_s и L - индуктивности вторичной катушки трансформатора потока и тела ВЧ-сквида; N_p - число витков приемной катушки; К_s - коэффициент связи между вторичной катушкой трансформатора потока и сквидом; <δФ_T²>^1/2 - полный шумовой поток сквида. Для характерных значений параметров конструкции прототипа: N_p≈5...10, L_s ≈10^-7....10^-6 Г, К_s ≈ 10^-1, L ≈ 10^-9...10^-10 имеют
ΔФ≈ (10²...10³)< δФ_т² >^1/2
При использовании сквидов циммермановского типа это составляет величину (3...10)˙10^-5 Ф_о/ или (1...10)˙10^-12А/ .

Предлагаемый компаратор позволяет устранить указанный недостаток.

Целью изобретения является повышение точности компарирования.

Цель достигается тем, что в компараторе постоянного тока, содержащем сверхпроводящий тороидальный экран прямоугольного сечения со сквозной радиальной щелью, обмотки сравнения, размещенные в экране, и нуль-индикатор с квантовым интерферометром, корпус экрана выполнен из материала, не обладающего свойством сверхпроводимости, внутренняя и наружная поверхности экрана покрыты сверхпроводящими слоями, рассеченными по всему периметру прямоугольного тороида двумя несверхпроводящими элементами, сформированными на внутренней и наружной поверхностях тороидального экрана справа и слева от сквозной радиальной щели, которая заполнена сверхпроводящим материалом, соединяющим внешний и внутренний слои экрана, а в качестве кольца квантового интерферометра использован внешний сверхпроводящий слой, замкнутый джозефсоновским элементом, размещенным со стороны центрального отверстия тороидального экрана.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа конструкцией сверхпроводящего экрана, каркас которого впервые выполнен из несверхпроводящего материала, стенки покрыты слоем сверхпроводящего материала, рассекаемого по толщине элементами из несверхпроводящего материала. Также впервые в предлагаемом компараторе внешний сверхпроводящий слой экрана одновременно использован и в качестве кольца (индуктивности L) квантового интерферометра. Поэтому N_p ≈ 1, L_s ≈ L, K ≈ 1, а величина ΔФ определяется исключительно шумами. Это позволяет повысить чувствительность на 2-3 порядка. Таким образом, заявляемый компаратор соответствует критерию "новизна".

При изучении других технических решений в заданной области техники признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не были выявлены, поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан предлагаемый компаратор постоянного тока, продольное сечение; на фиг.2 - его поперечное сечение; на фиг.3 приведена схема, поясняющая принцип действия компаратора.

Компаратор состоит из корпуса 1 со сверхпроводящими слоями 2...5, обмоток 6 сравнения, намотанных на каркас 7, размещенный в корпусе 1 экрана, и нуль-индикатора 8. Корпус 1 экрана выполнен из материала, не обладающего свойством сверхпроводимости, например латуни, и имеет форму пустотелого составного тороида прямоугольного сечения. Корпус 1 выполнен со сквозной радиальной щелью. Внутренняя и наружная стенки корпуса 1 тороидального экрана покрыты слоями 2...5 сверхпроводящего материала, например, ПОС-60. В собранном виде слои 2. . .5 образуют две сплошные сверхпроводящие поверхности (внутреннюю 3, 4 и наружную 2, 5), каждая из которых, однако, не является замкнутой. Как внутренняя 3, 4, так и наружная 2, 5 поверхности сверхпроводящих слоев вдоль всего периметра радиального прямоугольного сечения экрана по толщине сверхпроводящего слоя 2...5 рассечены несверхпроводящими элементами (перемычками) 9, 10. Каждый из этих элементов фактически представляет собой либо узкую замкнутую по периметру полоску несверхпроводящего корпуса экрана, не покрытую сверхпроводящим слоем 2...5, либо узкую замкнутую полоску несверхпроводящего материала, нанесенную на стенки корпуса экрана между краями каждого сплошного сверхпроводящего слоя 2...5. В первом случае несверхпроводящий элемент 9, 10 имеет форму замкнутой по периметру выемки, глубина которой равна толщине сформированного сверхпроводящего слоя 2...5, а основанием является корпус 1 экрана из несверхпроводящего материала. Во втором случае выемка отсутствует.

Сформированные таким образом несверхпроводящие элементы 9, 10 внутреннего 3, 4 и наружного 2, 5 сверхпроводящих слоев сдвинуты относительно друг друга и размещены по разные стороны от сквозной щели 11 (справа и слева от нее). Сквозная щель корпуса экрана заполнена сверхпроводящим материалом, например, ПОС-60 и соединяет внутренний 3, 4 и наружный 2, 5 сверхпроводящие слои экрана. Взаимное расположение сверхпроводящих 2...5 и несверхпроводящих 9, 10 элементов позволяет реализовать топологию (а следовательно, и все преимущества) экрана типа змеи, проглатывающей свой хвост. Наружный сверхпроводящий слой 5, замкнутый джозефсоновским элементом 12, образует кольцо квантового интерферометра нуль-индикатора 8. Сигнальная обмотка 13 индикатора 8 введена непосредственно в центральное отверстие тороидального экрана.

В экспериментальном образце компаратора постоянного тока каркас тороидального экрана изготовлен из латуни марки ЛС-59. Диаметр каркаса экрана 18 мм, высота 20 мм, толщина стенок 0,2 мм, диаметр центрального отверстия 2 мм. Ширина сквозной радиальной щели 0,4 мм, толщина слоя сверхпроводящего покрытия 0,1-0,2 мм, в качестве материала покрытия для сверхпроводящего слоя использовали ПОС-60. Ширина несверхпроводящих элементов 0,5-0,7 мм, угловой сдвиг между ними 5-10^о. В качестве несверхпроводящего элемента использовали участки латунного экрана, не покрытые ПОС-60. Сквозная щель компаратора заполнялась ПОС-60. Обмотки сравнения намотаны ниобиевым проводом диаметром 0,07 мм по 30 и 1000 витков каждая. Кольцо квантового интерферометра замыкалось джозефсоновским переходом мостикового типа с критическим током 5.. .10 мкА.

Принцип действия предлагаемого компаратора понятен из эквивалентной схемы, приведенной на фиг.3, где L₁ - индуктивность обмоток сравнения, L₂ - индуктивность внешней поверхности внутреннего сверхпроводящего слоя, L₃ - индуктивность наружной поверхности внешнего сверхпроводящего слоя, L - джозефсоновский элемент. Индуктивности внутренних поверхностей внешнего и наружного слоев на фиг.3 не показаны.

Ток i, наведенный обмотками компаратора L₁ на внутреннем слое L₂экрана, сделав один оборот, переходит по перемычке на слой L₃ и индуцирует магнитный поток
Φ = L₃i-L₃i_сsin +Φ_ext , (1) где i_с - критический ток элемента I; Ф_ехt - внешний магнитный поток. В уравнении (1) учтено, что ток через переход определяется стационарным эффектом Джозефсона [3], т.е. выражением
i_сsin .

Эта величина определяет состояние сквида, образованного индуктивностью наружной поверхности внешнего сверхпроводящего слоя L₃ и джозефсоновским элементом I.

Поскольку Ф есть функция i, то состояние сквида определяется значением силы тока, что и позволяет использовать предлагаемое устройство в качестве компаратора.

Благодаря использованию оригинальной конструкции, состоящей из несверхпроводящей основы и двух сверхпроводящих слоев, нанесенных на несверхпроводящую основу, удалось объединить функции кольца интерферометра и экрана и сформировать на несверхпроводящей основе джозефсоновский элемент, например, SNS или мостикового типа. Это позволило на 2-3 порядка повысить чувствительность предложенного компаратора.

Применение: в измерительной технике, в устройствах, предназначенных для прецизионных измерений отношения постоянных токов в условиях низких температур. Сущность: цель изобретения - повышение точности компарирования. Компаратор содержит сверхпроводящий тороидальный экран прямоугольного сечения со сквозной радиальной щелью, обмотки сравнения, размещенные в экране, и нуль-индикатор с квантовым интерферометром. Новым в компараторе является выполнение корпуса экрана из несверхпроводящего материала с покрытием внутренней и внешней поверхностей корпуса экрана сверхпроводящими слоями, рассеченными по всему периметру прямоугольного сечения тороида двумя несверхпроводящими элементами, сформированными на внутренней и внешней поверхностях тороидального экрана справа и слева от сквозной радиальной щели, которая заполнена сверхпроводящим материалом, соединяющим внешний и внутренний слои экрана. В качестве квантового интерферометра используется внешний сверхпроводящий слой экрана, замкнутый джозефсоновским элементом, размещенным со стороны центрального отверстия тороидального экрана. 3 ил.

КОМПАРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий сверхпроводящий тороидальный экран прямоугольного сечения со сквозной радиальной щелью, обмотки сравнения, размещенные в экране, и нуль-индикатор с квантовым интерферометром, отличающийся тем, что, с целью повышения точности компарирования, корпус экрана выполнен из несверхпроводящего материала, внутренняя поверхность и наружная поверхность корпуса экрана покрыты сверхпроводящими слоями, рассеченными по всему периметру прямоугольного сечения тороида двумя несверхпроводящими элементами, сформированными на внутренней и наружной поверхностях тороидального экрана справа и слева от сквозной радиальной щели, которая заполнена сверхпроводящим материалом, соединяющим внешний и внутренний сверхпроводящие слои экрана, а в качестве кольца квантового интерферометра использован внешний сверхпроводящий слой, замкнутый джозефсоновским элементом, размещенным со стороны центрального отверстия тороидального экрана.