Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf

дить измерения магнитной восприимчивости для диа- и парамагне­ тиков, для которых величина % лежит в пределах ІО-4—ІО-8 .

Что касается антиферромагнетиков, то переход некоторых кри­ сталлов (например, кристалла С и С12-2Н20 при его охлаждении ниже 4,3° К) в такое состояние характеризуется как изменением спектра я. м. р ., ослаблением величины сигнала, таік и изменением восприимчивости, что связано с переориентацией спинов ядер в подрешетках кристалла и может быть исследован этим методом.

2. Квантовые стабилизаторы магнитного поля

Как спиновые генераторы, так и сверхпроводящие датчики магнитного поля могут, очевидно, быть использованы для целей стабилизации магнитного поля Я путем выработки сигнала ошиб­ ки я|)=я|з (Я—Я о), с помощью которого магнитное поле Я 0, путем его автоматической регулировки, непрерывно приводится к свое­ му первоначальному значению.

Начнем со спиновых генераторов, которые могут быть с успехом использованы для этой цели.

Сигнал ошибки яр=яр (Я—Я 0) может быть получен различными способами, в частности, например, путем сравнения частоты спи­ нового генера'тора со с некоторой фиксированной (опорной) часто­ той со* кварцевого генератора. При этом разность Асо может слу­ жить сигналом ошибки. Другим возможным способом получения сигнала ошибки является способ, использующий эффект «затя­ гивания» частоты спинового генератора относительно ларморов­ ской частоты прецессии спинов со 0=у*Я, т. е.

(3.77)

где сой — собственная резонансная частота «приемного» контура.

Поэтому, используя добавочную модуляцию поля с частотой Q, можно получить сигнал, пропорциональный разности со0—сой.

Амплитуда сигнала на частоте Q, пропорциональная разности со 0—coft, имеет вид

U = У*2Я 1Я МОд m j ' l

при у*ЯЫОд, Й |< Т 2 *■

Рассмотренный случай не является, однако, наилучшим для применения его в целях стабилизации поля, поскольку, во-первых, существует необходимость в модуляции поля (что само по себе не всегда бывает допустимо), и, во-вторых, при достаточно близких частотах со 0 и со;і величина сигнала ошибки U мала, что ухудшает условия для регистрации малых измерений указанного сигнала

ошибки,

127

По-видимому, наиболее интересным и перспективным является использование для целей стабилизации поля сверхпроводящих датчиков, основанных на туннельном эффекте Джозефсона^.

Как уже говорилось выше, для системы, состоящей из двух параллельных туннельных барьеров величина джозефсоновского тока определяется формулой (3.67):

Отсюда следует, что в принципе существует возможность реги­ страции изменения магнитного потока в рабочем объеме всего на 1 квант, поскольку функция |соз(яЯ/Я1) | периодически изменяется

Очевидно, что чувствительность такого метода на много поряд­ ков превышает чувствительность любых других способов стабили­ зации (включая спиновые генераторы, цезиевые магнитометры и т. д.). Действительно, в то время как с помощью прецессионных или спиновых датчиков порядок величины точности стабилизации

величина 6Я/Я, соответствующая изменению потока через коль­ цо на 1 квант, будет равна 2-Ю-10, а при использовании упомяну­ тых методов регистрации тока «в пределах одного кванта Ф 0» будет существенно меньше.

sinn Я /Я 0

Множитель пн/Н— в (3-67) может быть «сделан» близким

к единице, если взять размеры туннельных барьеров (и их пло­ щадь) значительно меньше, чем размер всего образца (кольца). В этом случае

поскольку величины Ф 0 и Я являются фиксированными. Поэтому функция

Однако реализация такого образца с использованием обычных (пленочных) барьеров весьма затруднительна, поскольку даже при размерах барьера ІО-5 см-10-1 см потоку в 1 квант соответствует поле Я ~ 2 э.

По-видимому, здесь лучше всего подойдут Экранированные барь­ еры на основе Sn—Pb капельного контакта (см. § 6 в гл. 2). Исполь­ зование таких датчиков дает возможность стабилизировать поле Я ~ 1 0 3 э с точностью до ІО-7 э [22].

128

абсолютную магнитную экранировку, при которой в некотором

Н

Рис. 31. Распределение напря­ женности магнитного поля вбли­ зи замкнутого сверхпроводящего кольца радиуса, г

величины Ф<СФ0/2, затем «гармошку» охлаждают до температуры Т<СТКр, при которой поток будет равен нулю (при Ф < Ф 0/2 систе­ ме «выгоднее» захватить нулевой поток, чем один квант потока Ф 0). Если теперь растянуть «гармошку», то можно получить значитель­ ный объем пространства с нулевым магнитным потоком. Очевидно, что напряженность поля всюду внутри этого объема не будет рав­ на нулю в силу влияния краевых эффектов (рис. 31). Этого, одна­ ко, можно избежать, если к «гармошке» добавить сверхпроводящие донья.

Практически описанный способ можно применять тогда, когда внешнее поле достаточно мало, например, всего ІО-4—ІО-5 гс, так как компенсация поля с точностью, лучшей 1 • ІО-4, затрудни­ тельна. Более подходящим способом является следующий [27].

Из РЬ фольги толщиной 15 мкм изготавливают «чулок», который в плотно сложенном виде вводят в поле Я, охлаждают до Т<.Ткр и расправляют.

Затем внутрь этого «чулка» вводят следующий, также сложен­ ный, затем его охлаждают и также расширяют, причем первый «чулок» можно извлечь из дьюара, чтобы не загромождать его. Две-три таких операции (последний «чулок» берут с дном), и поле может быть уменьшено на 6—8 порядков.

Г л а в а 2

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ СВЕРХВЫСОКОГО ВАКУУМА

При конструировании и эксплуатации вакуумной аппаратуры

ного прогрева системы, причем важным параметром, как правило,

ХІО~10 мм рт. ст.) и высокой термической стабильностью, что позволяет использовать их для получения сверхвысокого вакуума без применения охлаждаемых ловушек и даже без предваритель­ ного прогрева вакуумной системы.

На основе ряда исследований [28, 29] было установлено, что наиболее подходящим типом насоса для такого рабочего вещества, как ПФ-эфир, является серийный насос Н-1С-2. В нем несколько повышена мощность электрического подогревателя, так как необ-

130

Кбдимоё Для работы Давление паров 0,0І мм рт. ст. в насосе дості-Ь гается при более высокой температуре для ПФ-эфира, чем для известных вакуумных масел (Т ПФ-эфира = Т масла + (100 ң-150° С).

Некоторые характеристики ПФ-эфира и его изомеров, выделен­ ных путем отгона легколетучих загрязнений и многократной ва­ куумной дистилляции, приведены в таібл. 1.

ПФ-эфиром при различной мощ­

ности подогревателя

_ J ___ I___ I____!___ I___ ____1—

500 1000

Мощность ЩВт

На рис. 32 приведена зависимость предельного вакуума в си­ стеме от мощности, потребляемой подогревателем.

Высоковакуумные камеры могут быть как стеклянными, так и металлическими (например, сварными из нержавеющей стали типа 1Х18Н9Т), причем в качестве уплотнителей обычно применяются медные или алюминиевые кольца (для металлических камер). Для достижения предельного вакуума, близкого к упругости пара ПФ-эфира, обычно требуется (без предварительного прогрева системы) от 12—14 час до 4—6 суток непрерывной работы насоса.