Experimentální vybavení laboratoře

 

Laboratoř je vybavena dvěma nekomerčními skvidovými magnetometry. Na rozdíl od komerčních magnetometrů se v těchto magnetometrech vzorek nepohybuje. Supravodivý magnet (solenoid) pracuje v kontinuálním režimu (bez zaklíčování). Magnetometry mají vzhledem ke komerčním následující výhody: i) nevzniká elektromechanický šum; ii) rychlé měření magnetizačních křivek; iii) měření komplexní střídavé susceptibility včetně harmonických; iv) vzorek je uchycen na safírovém držáku a je v přímém tepelném kontaktu s teplotním čidlem, což umožňuje měřit teplotu vzorku s rozlišením 10-6. Na druhé straně jsou měření omezena na slabá magnetická pole.

Pouhým přepnutím programu je možné měřit:

  • Závislost magnetizačních křivek na kontinuálně se měnící teplotě při dané amplitudě a kmitočtu střídavého pole a stejnosměrném poli. Z těchto křivek se v reálném čase spektrální analýzou metodou numerické rychlé Fourierovy transformace počítá kmitočtové spektrum komplexní magnetické susceptibility (včetně vyšších harmonických). 
  • Magnetizační křivky rozmítnutím pole se sinusovým nebo trojúhelníkovým průběhem při dané teplotě. Zároveň je možné přidat malé střídavé pole a měřit střídavou susceptibilitu.
  • Relaxaci spontánního nebo indukovaného magnetického momentu po skoku nebo pulzu pole, zapisovanou vzorkovací rychlostí řádově několik tisíc vzorků za sekundu (s sub-ms časovým rozlišením).
  • Závislost magnetizace na kmitočtu při dané amplitudě střídavého a stejnosměrného pole a teplotě.

Magnetometr se standardní citlivostí

Magnetometr (červeno-modrý), elektronika a řídící počítač.

Parametry magnetometru:

Maximální průměr vzorku: 9 mm

Citlivost: je omezena spektrální hustotou šumového magnetického momentu 1 pA m2 Hz-1/2. Dynamický rozsah: 140 dB (7 řádů).

Maximální rozsah magnetického pole (Hdc + Hac): ±25 mT s podrozsahy ±7,5, ±2,5, ±0,75, ... Rozlišení nastavení 3x10-5. Kompenzační cívka minimalizuje "přeslech" mezi solenoidem budícím pole a gradiometrem snímajícím magnetický moment vzorku. Stínění vnějšího magnetického pole: trubka z magneticky měkkého materiálu a nádoba ze supravodivého Pb. Reziduální pole může být vykompenzováno.

Kmitočtový rozsah: od 0 do 100 Hz.

Rozsah teplot: 4,2 až 300 K, rozlišení 10-6, relativní stabilita teploty 10-5.  

Magnetometr s velkou citlivostí

Magnetometr (červeno-modrý), elektronika a řídící počítač.

Parametry magnetometru:

Maximální průměr vzorku: 5 mm

Citlivost: je omezena spektrální hustotou šumového magnetického momentu 0,01 pA m2 Hz-1/2.

Dynamický rozsah: 140 dB (7 řádů).

Maximální rozsah magnetického pole (Hdc + Hac): 0,15 mT. Rozlišení nastavení 3×10-5.

Stínění vnějšího magnetického pole: tři trubky z magneticky měkkého materiálu (permaloye)  a nádoba ze supravodivého Pb. Reziduální pole může být vykompenzováno.

Kmitočtový rozsah: od 0 do 100 Hz.

Rozsah teplot: 4,2 až 300 K, relativní rozlišení 10-6, relativní stabilita teploty 10-5.
   

Schematické obrázky magnetometrů.

  
 

Schéma magnetometru s velkou citlivostí

Schematické obrázky magnetometrů.

Magnetometry mají počítačové ovládání a sběr dat. Analogový výstup PCI karty v počítači řídí zdroj proudu, který v supravodivém magnetu (solenoidu) vytváří magnetické pole. Analogové vstupy současně digitalizují výstupní napětí skvidu, které odpovídá měřenému magnetickému toku vytvořenému magnetickým momentem vzorku ve snímací cívce, a napětí, které je úměrné magnetickému poli vytvářenému supravodivým magnetem (solenoidem). Tato data se zapisují na pevný disk, což umožňuje jejich pozdější přezpracování různými metodami bez nutnosti opakovat měření. Zároveň se v případě měření odezvy na střídové pole v reálném čase (spektrální analýza numerickou rychlou Fourierovou transformací) počítá komplexní střídavá susceptibilita. Vzorek je umístěn v antikryostatu, jehož teplota se může řízeně měnit od teploty kapalného helia (4,2 K) až po pokojovou teplotu (300 K). Čidla teploty vzorku a antikryostatu jsou polovodičové diody. Teplotu řídí regulátor teploty spojený s počítačem.

 

Princip skvidových magnetometrů

 

Čidlem magnetického toku je skvid (SQUID = Superconducting QUantum Interference Device). Skvidy jsou nejcitlivější nízkofrekveční čidla magnetického toku. Princip jejich činnost je založen na makroskopické kvantové interferenci vln kondenzátu supravodivých elektronů, kterou ovlivňuje magnetické pole (tok). Magnetický tok vytvořený magnetickým momentem vzorku je do skvidu přenesen supravodivým transformátorem, který tvoří vstupní cívka skvidu a gradiometr. Gradiometr "nevidí" homogenní magnetické pole vyvořené solenoidem, ale "vidí" magnetický moment vzorku, který je umístěný v jedné z cívek gradiometru. Skvidové magnetometry mají dynamický rozsah (poměr rozsahu a citlivosti) 180 dB, to je osm řádů. Jejich kmitočtový rozsah je od 0 do několika jednotek kHz. Digitalizace dat, i když v "CD" kvalitě, většinou dynamický rozsah omezí na 140 dB.

Nejcitlivější skvidové magnetometry mají spektrální hustotu šumové magnetické indukce jenom několik fT Hz-1/2, což umožňuje jimi snímat i tak slabá magnetická pole, jaká generuje lidský mozek. (odkaz)

Dvouděrový rf skvid vyráběný v 70tých letech minulého století v oddělení nízkých teplot Fyzikálního ústavu AV ČR, v.v.i. (průměr těla z Nb je 10 mm, délka 20 mm.) Tento skvid je použit v Sr magnetometru a tři jsou použity v magnetometru pro geofyzikální měření.

Schema dc skvidu a elektroniky, která slouží k získání výstupního napětí lineárně závislého na proudu tekoucím vstupní cívkou. Vstupní cívka je součástí supravodivého transformátoru toku, jehož druhou částí je například gradiometr. Odezva samotného skvidu, to je napětí na něm, je Φ0 = h/2e periodická funkce magnetického toku v prstenci skvidu. Velikost kvanta magnetického toku Φ0 je ~2 fWb. Li - vstupní cívka, Lz - zpětnovazební cívka, FD - fázově  citlivý detektor, Int - integrátor s časovou konstantou RC, Imod - generátor modulačního proudu.

 

Magnetický moment elektronu je 9,2848 10-24 J/T [A m2]

h = 6,6262 ·10-34 J s.