Способ измерения температуры сверхпроводящего перехода тонких плоских пленок и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК H01L39/00 

Изобретение относится к сверхпроводимости, а именно к измерению .температуры сгки чр . Ю1 о перехода тонких плоских плепс.ч,-.

1499419

Цель изобретения - повышение точности измерения те1.тературы сисрх- проподящего перехода тонких плоских пленок и упрощение устройства для измерения температуры сверхпроводящего перехода за счет исключения моста переменного тока.

На фиг 1 показана структурная схема установки для измерения тем- |л пературы сверхпроводящего перехода тонких плоских пленок; на фиг. 2 - измерительная часть устройства. Способ измерения температуры сверхпроводящего перехода реализован следующим образом. На пленку 1 воздействуют переменным неоднородным магнитным полем, создаваемым катушкой 2 индуктивности, соединенной с генератором 3. Проникшее через плен- 20 ку 1 магнитное поле создает в катуш- .ке 4 ивдуктивности ЭДС индукции, которая усиливается усилителем 5, детектируется детектором 6 и регистрируется графопостроителем 7 по коор- 25 динате Y. Изме11ение температуры об- Г paaiifa 1 осуществляется нагревателем 8, питаемым от регулируемого источника 9 тока. Измерение температуры

мь;м источником 9 токл, и термометр 10, соединенный с источником стаi билкзированного тока и входом X графопостроителя 7, размещены внутри медного блока 12, на котором-укреплен образец 1 . Измерительная часть устройства помещена в криостат 13 с жидким гелием.

Устройство работает следующим образом.

С генератора 3 в катуинсу 2 индуктивности подается переменньй ток, который создает переменное магнитное поле. Проникшее через пленку 1 переменное магнитное noine создает в катушке 4 индуктивности ЭДС индукции, которая усиливается усилителем 5, детектируется детектором 6 и регистрируется графопостроителем 7 по координате Y. Пленка 1 охлаждается в криостате 13 с жидким гелием. Изменение температуры осуществляется нагревателем 8, питаемым от регулируемого источника 9 тока. Измерение температуры образца 1 осуществляется термометром 10, который питает от ис точника 11 стабилизированного тока. Сигнал с термометра 10 регистрируетосуществляется термометром 1 О, который 30 графопостроителем 7 по координа35

питается от источника il стабилизиро-: ванного тЬка. Сигнал с термометра 10 подается на вход X графопостроителя 7. Нагреватель 8 и термометр 10 размещены внутри медного блока 12 в непосредственной близости от пленки 1, имеющей хороший тепловой контакт с медным блоком 12. Измерительная часть устройства помещена в криостат 13 с жидким гелием, который40 служит для охлаждения образца. Частота, переменного магнитного поля составляет Гц. Амплитуда напря- . жения на KaTyjUKe 2 индуктивности подбирается так, чтобы амплитуда напря- дс женности создаваемого катушкой 2 , индуктивности магнитного поля составляла Э. На фиг. 2 указаны также характерные размеры измерительной части устройства.,

Устройство содержит пленку 1, расположенную между катушкой 2 индуктивности, соединенной с генератором 3 .и катунжой 4 индуктивности, соединенной с усилителем 5, выход которого соединен с входом детектора 6. Выход детектора 6 соединен со входом Y графопостроителя 7. Нагреватель- 8, соединенный с регулируе50

55

те X. В результате перечисленных, опе ра191й на графопостроителе 7 получают зависимость ЭДС индукции в катушке 4 индуктивности от температуры.

I .

Малость диаметра и длины катушки

индуктивности, являющейся источником магнитного поля, и малость расстояни от нее до пленки приводит к тому, чт магнитное поле, в котором находится исследуемая пленка, является неодно- родным. Характерный масштаб неоднородности магнитного поля is области расположе11Ия .пленки равен расстоянию от катушки индуктивности, являющейся источником магнитного ПОЛЯ, до плен- ки. Экранирование неоднородного магнитного поля сверхпроводящей пленкой при А (Т) d определяется параметром Id/A(Т), где 1 - характерный масшта неоднородности магнитного поля; d - толщина пленки; Л(Т) - зависящая от температуры Т глубина проникновения магнитного поля. Из решения урав нения ЛоИдонов следует, что при тем- ператур.е Т, меньшей температуры сверхпроводящего перехода напряженность магнитного поля Н(Т). в области отделенной от источника- магнитного поля пленкой, определяется вьфажением

мь;м источником 9 токл, и термометр 10, соединенный с источником стабилкзированного тока и входом X графопостроителя 7, размещены внутри медного блока 12, на котором-укреплен образец 1 . Измерительная часть устройства помещена в криостат 13 с жидким гелием.

Устройство работает следующим образом.

С генератора 3 в катуинсу 2 индуктивности подается переменньй ток, который создает переменное магнитное поле. Проникшее через пленку 1 переменное магнитное noine создает в катушке 4 индуктивности ЭДС индукции, которая усиливается усилителем 5, детектируется детектором 6 и регистрируется графопостроителем 7 по координате Y. Пленка 1 охлаждается в криостате 13 с жидким гелием. Изменение температуры осуществляется нагревателем 8, питаемым от регулируемого источника 9 тока. Измерение температуры образца 1 осуществляетс термометром 10, который питает от иточника 11 стабилизированного тока. Сигнал с термометра 10 регистрирует графопостроителем 7 по координа

те X. В результате перечисленных, опе- ра191й на графопостроителе 7 получают зависимость ЭДС индукции в катушке 4 индуктивности от температуры.

I .

Малость диаметра и длины катушки

индуктивности, являющейся источником магнитного поля, и малость расстояния от нее до пленки приводит к тому, что магнитное поле, в котором находится исследуемая пленка, является неодно- родным. Характерный масштаб неоднородности магнитного поля is области расположе11Ия .пленки равен расстоянию от катушки индуктивности, являющейся источником магнитного ПОЛЯ, до плен- ки. Экранирование неоднородного магнитного поля сверхпроводящей пленкой при А (Т) d определяется параметром Id/A(Т), где 1 - характерный масштаб неоднородности магнитного поля; d - толщина пленки; Л(Т) - зависящая от температуры Т глубина проникновения магнитного поля. Из решения уравнения ЛоИдонов следует, что при тем- ператур.е Т, меньшей температуры сверхпроводящего перехода напряженность магнитного поля Н(Т). в области, отделенной от источника- магнитного поля пленкой, определяется вьфажением

Н(Т) - Ио 1+Ы/2Д- (Т) f

HO напр яженнос г ь ма г пит него ПОЛЛ при тег-п ератyj-G вьпяе температ тэы перехола пленки в сверхпроводящее состояние,. ,

Для того, чтобы напряженность магнитного поля сильно уменьшалось при сверхпроводящем переходе, необходимо, чтобы выполнялось условие 1 A(0)/d и расстояние 1 было меньше минкмального поперечного размера пленки (условие неоднородности поля). Используемые в научных исследованиях сверхпроводящие пленки обычно имеют поперечные размеры 10 х 10 н. Выбирая для оценки значения толщины пленки и глубины проникновения d,

2-10 м, Л.и; 1U/м, получаем A(0)/d 5-10 м, т.е. указанные ограничения на характерный масштаб неоднородности магнитного поля 1

выполняются при 5 -10 м 1 :10 м.

Выбирая для оценки значение Г.« 10- м, получаем Н(0) 10- Н

(I

т.е. напряженность магнитного поля при полном сверхпроводящем переходе (при уменыйении температуры от тем- пер.атуры сверхпроводящего перехода до нуля) уменьшается в тысячу раз. Такая большая величина уменьшения напряженности магнитного,поля при сверхпроводящем переходе приводит

.,к тому, что момент начала уменьше- ния напряженности магнитного поля при переходе пленки в свергхпро.водя- щее состояние, т.е. температура сверпроводящего перехода, может, быть зарегистрирован очень точно. Оценим . величину температурного интервала 4Т Тц-Т, при котором напряженность магнитного поля уменьшается на 1% от первоначальной величины (т.е. когда заведомо возможна экспериментальная регистрация изменения на:пряженности магнитного поля). Ис,пользование тe mературной зависимости глубины проникновения в виде

Л(Т) - Л(0)1 - (-)

где

температура сверхпроводящего перехода, и выбор значений параметров 10 К, 1 10-5 м, d 2-10-вм, Л(0) 10 м, приводит к оценк е

Т в

k

10-2

Id

10 К, т.е. пони

99.9

те ). х

10

15

2&

25

х

30

35

40

45

5а

-

в

55

жение темт1ер. ниже тe mepaтyl ы сверхлроводяпег : пс-рехода всего на 10 К Познаниет зарегистрировать изменение напряженности магШ1тного поля, обусловленное переходом пленки в сверхпроводящее состояние. В известном техническом рещении параметры магнитного поля при переходе пленки в сверхпроводящее состояние меняются на несколько процентов при полном. сверхпроводящем переходе, что и определяет малую точность измерення темI

пературы сверхпроводящего перехода известным способом, так как необходимо уменьимть температуру на 0,1- 0,5 К ниже температуры сверхпроводящего перехода, чтобы изменение параметров магнитного поля стало доступно эксперимент ал bHoii регистрации. Указанные малые размеры диаметра и длины измерительной катушки и расстояния от нее до держателя образца- позволяют, отделить эффект экранирования магнитного поля пленкой, для которого справедлива формула (1), от эффекта огибания пленки полем, кот.о- рый приводит к уменьшению величины изменения напряженности магнитного поля при сверхпроводящем переходе. Типичные рабочие значения диаметра и длины катушек индуктивности не превьшают 0,8 минимального поперечного размера держателя образца. Рабочий диапазон расстояний от катушек индуктивности до держателя образца, составляет от 10 м до 0,2 минимального поперечного размера держателя образца.

Таким образом, использование предлагаемого способа измерения температуры сверхпроводящего перехода тонких плоскит пленок и устройства для е о осуществления позволяет по сравнению с известными резко увеличить зеличины изменения сигнала в измерительной катушке при еверхпро- водящем переходе пленгки и тбм самым повысить точность измерений температуры сверхпроводящего перехода тонких плоских пленок, доведя ее до точности измерения теьшературы пленки, а также заметно уИростить устройство для измерения температуры сверхпроводящего перехода за счет исключения моста переменного тока.

Формула изобретения.

1. Способ измерения температуры с верхпроводящего перехода тонких

Изобретение относится к области сверхпроводимости и предназначено для измерения температуры сверхпроводящего перехода тонких плоских пленок. Цель изобретения - повышение точности измерения температуры перехода и упрощение устройства для ее измерения. В известном индуктивном способе измерения температуры сверхпроводящего перехода тонких пленок воздействуют на пленку переменным полем, создаваемым катушкой индуктивности. Величина этой индуктивности несколько меняется при переходе пленки из нормального в сверхпроводящее состояния. Показано, что если с другой стороны пленки поместить вторую катушку, то индуцируемая в ней переме нная ЭДС меняется при переходе пленки из нормального в сверхпроводящее состояние примерно на три порядка, если поле сделано заведомо неоднородным по пленке. Это значительно повышает точность измерения температуры перехода и, в то же время, позволяет упростить устройство для ее измерения, поскольку вместо моста переменного тока, необходимого в прототипе, устройство содержит лишь дополнительную катушку индуктивности. При этом катушки расположены соосно, пленка между ними перпендикулярна их оси, первая катушка подсоединена к генератору переменного тока, вторая - к усилителю, который подсоединен к детектору, выход которого подан на графопостроитель. На вторую ось графопостроителя подают выход датчика температуры. Для создания неоднородного поля достаточно, чтобы размеры катушек и их расстояния до пленки были меньше, чем минимальный поперечный размер пленки. При таком способе измерения точность ограничивается лишь точностью измерения температуры. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

фиг.1

Составитель Н. Спунгина Редактор Н. Лазаренко Техред М. Ход аийч-Корректор О,Ципле

Заказ 4702/51Тираж 695Подписное

ВНИИПИ Г осударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. А/5

Произподс.тренно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

XIX

/

П 10

фиг.