Суперөткізгіштік кванттық интерференциялық құрылғылар: Магниттік өрістерді өлшеу технологиясы
SQUID
SQUID магнитометрлері – аса жоғары сезімталдыққа ие, өте әлсіз магниттік өрістерді өлшейтін құрал. DC және RF түрлері бар, SERF магнитометрлерінен артықшылықтарын ұсынады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Магнетометрдің түрі
Type of magnetometer
SQUID (суперөткізгіш кванттық интерференциялық құрылғы) – өте әлсіз магниттік өрістерді өлшеуге арналған, Жозефсон тораптарын қамтитын суперөткізгіш контурларға негізделген жоғары сезімтал магнитометр. SQUID құрылғылары бірнеше күн бойы орташа өлшемдермен 5×10−14 Т дейін өрістерді өлшеуге жеткілікті сезімтал. Олардың шу деңгейі 3 fT·Hz−1/2 дейін төмен. Салыстыру үшін, әдеттегі тоңазытқыш магнит 0,01 тесла (10−2 Т) тудырады, ал жануарлардағы кейбір процестер 10−9 Т және 10−6 Т аралығында өте кішкентай магниттік өрістер тудырады. 2000 жылдардың басында ойлап табылған SERF атомдық магнитометрлері, ықтимал, одан да сезімтал, бірақ криогендік салқындатуды қажет етпейді, алайда олардың көлемі бірнеше есе үлкен (~1 см3) және дерлік нөлдік магниттік өрісте жұмыс істеуі керек.
A SQUID (superconducting quantum interference device) is a very sensitive magnetometer used to measure extremely weak magnetic fields, based on superconducting loops containing Josephson junctions. SQUIDs are sensitive enough to measure fields as low as 5×10−14 T with a few days of averaged measurements. Their noise levels are as low as 3 fT·Hz−1/2. For comparison, a typical refrigerator magnet produces 0.01 tesla (10−2 T), and some processes in animals produce very small magnetic fields between 10−9 T and 10−6 T. SERF atomic magnetometers, invented in the early 2000s are potentially more sensitive and do not require cryogenic refrigeration but are orders of magnitude larger in size (~1 cm3) and must be operated in a near zero magnetic field.
Тарих және дизайн
SQUID-тің екі негізгі түрі бар: тұрақты ток (DC) және радиожиіліктік (RF). RF SQUID-тері бір ғана Джозефсон торабымен (суперөткізгіш туннельдік торап) жұмыс істей алады, бұл оларды өндіруді арзандатуы мүмкін, бірақ олардың сезімталдығы төмен.
There are two main types of SQUID: direct current (DC) and radio frequency (RF). RF SQUIDs can work with only one Josephson junction (superconducting tunnel junction), which might make them cheaper to produce, but are less sensitive.
RF СКВИД
RF SQUID 1965 жылы Роберт Жаклевик, Джон Дж. Лэмб, Арнольд Сильвер және Джеймс Эдвард Циммерман компаниясы «Фордта» ойлап тапқан. RF SQUID резонанстық контур схемасына индуктивті түрде жалғанады. Сыртқы магнит өрісіне байланысты, SQUID резистивті режимде жұмыс істегенде, контур схемасының тиімді индуктивтілігі өзгереді, соның салдарынан контур схемасының резонанстық жиілігі өзгереді. Бұл жиілікті өлшеу оңай, сондықтан схемадағы жүктемелік кедергідегі кернеу түрінде туындайтын жоғалтулар қолданылатын магниттік ағымның периодына байланысты өзгереді. Нақты математикалық сипаттама үшін Эрне және басқалардың бастапқы мақаласына жүгініңіз.
The RF SQUID was invented in 1965 by Robert Jaklevic, John J. Lambe, Arnold Silver, and James Edward Zimmerman at Ford. The RF SQUID is inductively coupled to a resonant tank circuit. Depending on the external magnetic field, as the SQUID operates in the resistive mode, the effective inductance of the tank circuit changes, thus changing the resonant frequency of the tank circuit. These frequency measurements can be easily taken, and thus the losses which appear as the voltage across the load resistor in the circuit are a periodic function of the applied magnetic flux with a period of For a precise mathematical description refer to the original paper by Erné et al.
Қолданылуы
SQUID-тердің жоғары сезімталдығы оларды биологияны зерттеуге өте ыңғайлы етеді. Мысалы, Магнитоэнцефалография (МЭГ) мидың ішкі нейрондық белсенділігі туралы қорытындылар жасау үшін SQUID массивінен алынған өлшемдерді пайдаланады. SQUID-тер мидың (kHz) шығаратын сигналдарына қызығушылық тудыратын ең жоғары уақытша жиіліктен әлдеқайда жоғары жылдамдықпен жұмыс істей алатындықтан, МЭГ жақсы уақытша ажыратымдылыққа қол жеткізеді. SQUID-тер қолданылатын тағы бір сала – магнитогастрография, ол асқазанның әлсіз магнит өрістерін тіркеуге арналған. SQUID-тің жаңа қолданысы – ауыз арқылы қабылданатын дәрі-дәрмектердің жолын анықтау үшін қолданылатын магниттік маркерді бақылау әдісі. Клиникалық жағдайда SQUID-тер кардиологияда диагностика және тәуекелді бағалау үшін жүректің магниттік өрісін анықтайтын магниттік өрісті бейнелеуге қолданылады. SQUID-терді ең көп қолданылатын коммерциялық қолданысы магниттік қасиеттерді өлшеу жүйелерінде (MPMS). Бұл бірнеше өндірушілер жасаған, материалдық үлгінің магниттік қасиеттерін өлшейтін, дайын жүйелер. Бұл әдетте 300 мК-ден шамамен 400 К-қа дейінгі температура диапазонында жүзеге асырылады. Соңғы он жылда SQUID сенсорларының мөлшері кішірейгендіктен, мұндай сенсор атомдық күш микроскопы (AFM) зондының ұшына орнатылуы мүмкін. Мұндай құрылғы үлгінің бетінің тегіссіздігін және жергілікті магниттік ағынды бір уақытта өлшеуге мүмкіндік береді. Мысалы, SQUID-тер магниттік-резонанстық томография (МРТ) жүргізу үшін детектор ретінде қолданылады. Жоғары өрісті МРТ-де прецессиялық өрістер бір-немесе бірнеше тесланы құрайды, ал SQUID анықтаған МРТ микротесла диапазонындағы өлшеу өрістерін пайдаланады. Дәстүрлі МРТ жүйесінде сигнал өлшеу жиілігінің квадратына пропорционалды (соның салдарынан прецессиялық өріс): жиіліктің бір қуаты – бұл қоршаған температурадағы спиндердің термиялық поляризациясынан, ал екінші қуат – пикап катушкасындағы индукцияланған кернеудің прецессиялық магниттеу жиілігіне пропорционалды екендігінен туындайды. Алайда, алдын ала поляризацияланған спиндерді SQUID-тің түзетілмеген детекциясы жағдайында ЯМР сигналының күші прецессиялық өріске тәуелді емес, бұл Жердің магниттік өрісінің деңгейіндегі өте әлсіз өрістерде МРТ сигналын анықтауға мүмкіндік береді. SQUID анықтаған МРТ жоғары өрісті МРТ жүйелеріне қарағанда, мысалы, мұндай жүйені құруға қажетті төмен шығындар және оның ықшамдығы сияқты артықшылықтарға ие. Бұл принцип адам аяқ-қолдарының суретін алу арқылы көрсетілді, ал оның болашақ қолданылуы ісіктерді тексеруді қамтуы мүмкін. Тағы бір қолданыс – сұйық гелийге батырылған SQUID-ті зонд ретінде пайдаланатын сканерлік SQUID микроскопы. SQUID-терді мұнай іздеу, минералдарды барлау, жер сілкінісін болжау және геотермалдық энергияны зерттеуде пайдалану суперөткізгіш технологияның дамуымен кеңінен таралуда; олар сондай-ақ гравитациялық толқындарды анықтау сияқты әртүрлі ғылыми қолданыстарда дәл қозғалыс сенсорлары ретінде қолданылады. Гравитациялық Зонд В-де жалпы салыстырмалылық теориясының шектерін тексеру үшін қолданылатын төрт гироскоптың әрқайсысында SQUID сенсорлары орнатылған. D Wave Systems 2000Q кванттық компьютері үшін негіз ретінде супер суытылған ниобий сымдарынан жасалған SQUID қолданылады.
The extreme sensitivity of SQUIDs makes them ideal for studies in biology. Magnetoencephalography (MEG), for example, uses measurements from an array of SQUIDs to make inferences about neural activity inside brains. Because SQUIDs can operate at acquisition rates much higher than the highest temporal frequency of interest in the signals emitted by the brain (kHz), MEG achieves good temporal resolution. Another area where SQUIDs are used is magnetogastrography, which is concerned with recording the weak magnetic fields of the stomach. A novel application of SQUIDs is the magnetic marker monitoring method, which is used to trace the path of orally applied drugs. In the clinical environment SQUIDs are used in cardiology for magnetic field imaging (MFI), which detects the magnetic field of the heart for diagnosis and risk stratification. Probably the most common commercial use of SQUIDs is in magnetic property measurement systems (MPMS). These are turn key systems, made by several manufacturers, that measure the magnetic properties of a material sample. This is typically done over a temperature range from that of 300 mK to roughly 400 K. With the decreasing size of SQUID sensors since the last decade, such sensor can equip the tip of an AFM probe. Such device allows simultaneous measurement of roughness of the surface of a sample and the local magnetic flux. For example, SQUIDs are being used as detectors to perform magnetic resonance imaging (MRI). While high field MRI uses precession fields of one to several teslas, SQUID detected MRI uses measurement fields that lie in the microtesla range. In a conventional MRI system, the signal scales as the square of the measurement frequency (and hence precession field): one power of frequency comes from the thermal polarization of the spins at ambient temperature, while the second power of field comes from the fact that the induced voltage in the pickup coil is proportional to the frequency of the precessing magnetization. In the case of untuned SQUID detection of prepolarized spins, however, the NMR signal strength is independent of precession field, allowing MRI signal detection in extremely weak fields, on the order of Earth's magnetic field. SQUID detected MRI has advantages over high field MRI systems, such as the low cost required to build such a system, and its compactness. The principle has been demonstrated by imaging human extremities, and its future application may include tumor screening. Another application is the scanning SQUID microscope, which uses a SQUID immersed in liquid helium as the probe. The use of SQUIDs in oil prospecting, mineral exploration, earthquake prediction and geothermal energy surveying is becoming more widespread as superconductor technology develops; they are also used as precision movement sensors in a variety of scientific applications, such as the detection of gravitational waves. A SQUID is the sensor in each of the four gyroscopes employed on Gravity Probe B in order to test the limits of the theory of general relativity. SQUIDs constructed from super cooled niobium wire loops are used as the basis for D Wave Systems 2000Q quantum computer.
Өтпелі жиекті сенсорлар
SQUID-тің ең кең таралған қолданыстарының бірі – суперөткізгіш Transition шеттік сенсорларын оқу. Қазіргі уақытта жүздеген мыңдаған көптеген SQUID-тер transition шеттік сенсорлармен байланыстырылып, ғарыздық микротолқындық фонды зерттеу, рентген астрономиясы, әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектерден құралған қара материяны іздеу және синхротрон жарық көздерінде спектроскопия жүргізу үшін қолданылуда.
One of the largest uses of SQUIDs is to read out superconducting Transition edge sensors. Hundreds of thousands of multiplexed SQUIDs coupled to transition edge sensors are presently being deployed to study the Cosmic microwave background, for X ray astronomy, to search for dark matter made up of Weakly interacting massive particles, and for spectroscopy at Synchrotron light sources.
Суық қара материя
Кванттық лимит жақын SQUID күшейткіштері деп аталатын жетілдірілген SQUID-тер Вашингтон университетіндегі Axion Dark Matter Experiment (ADMX) экспериментінің негізін құрайды. Аксиондар суық қара материяның маңызды кандидаттары болып саналады.
Advanced SQUIDS called near quantum limited SQUID amplifiers form the basis of the Axion Dark Matter Experiment (ADMX) at the University of Washington. Axions are a prime candidate for cold dark matter.
Ұсынылған пайдалану
Су астына қарсы күресте пайдалану үшін теңіздік патрульдік ұшақтарға орнатылатын магниттік аномалияларды анықтағыш (MAD) ретінде әскери қолданысқа ие болу мүмкіндігі бар. SQUID-тер суперпарамагниттік релаксометрияда (SPMR) қолданылады, бұл технология SQUID сенсорларының жоғары магниттік өріс сезімталдығы мен магнетит нанобөлшектерінің суперпарамагниттік қасиеттерін пайдаланады. Бұл нанобөлшектер парамагниттік, яғни сыртқы өріс әсер еткенше магниттік моментке ие емес, содан кейін ферромагниттікке айналады. Сыртқы магниттік өріс алынғаннан кейін нанобөлшектер ферромагниттік күйден парамагниттік күйге дейін ыдырайды, бұл ыдырау уақыты бөлшектердің мөлшеріне және олар сыртқы бетке байланысқан-байланбағандығына байланысты өзгереді. SQUID сенсорлары арқылы ыдырау магниттік өрісін өлшеу нанобөлшектерді анықтау және локализациялау үшін қолданылады. SPMR қолданылу аймақтарына қатерлі ісіктерді анықтау кіруі мүмкін.
A potential military application exists for use in anti submarine warfare as a magnetic anomaly detector (MAD) fitted to maritime patrol aircraft. SQUIDs are used in superparamagnetic relaxometry (SPMR), a technology that utilizes the high magnetic field sensitivity of SQUID sensors and the superparamagnetic properties of magnetite nanoparticles. These nanoparticles are paramagnetic; they have no magnetic moment until exposed to an external field where they become ferromagnetic. After removal of the magnetizing field, the nanoparticles decay from a ferromagnetic state to a paramagnetic state, with a time constant that depends upon the particle size and whether they are bound to an external surface. Measurement of the decaying magnetic field by SQUID sensors is used to detect and localize the nanoparticles. Applications for SPMR may include cancer detection.