میکروسکوپی تداخل کوانتومی ابررسانای روبشی – (بخش دوم)
میکروسکوپ تداخل کوانتومی ابررسانای روبشی برای اندازهگیری شار ذرات و همچنین بررسی ابررسانایی و خواص فرومغناطیس مورد استفاده قرار گرفته است. میکروسکوپ ابررسانای روبشی ابزاری برای تهیه تصویر از میدانهای مغناطیسی سطحی است.
بیشتر تحلیلها در این کار براساس معادله دو قطبی مغناطیسی صورت میگیرند که عبارتند از:
با توجه به دقت بالای موتورهای خطی یا همان عملگرهای پیزو بهکار رفته درSQUID ، اندازه گام بهطور معمول در حد پایینتر از ابعاد حلقه در نظر گرفته میشود (شکل (6-ب)). بنابراین، شار عبوری از حلقه انتخابی برابر با شار
که از یک پیکسل عبور میکند، نیست. در صورتی که میدان مغناطیسی B در سطح حلقه جمع شده باشد، میتوان گفت:
برای بهدست آوردن مقدار صحیح شار عبوری از یک پیکسل، عامل اید در شار اندازهگیری شده، ضرب شود.
از آنجایی که مدار SQUID از جنس ماده ابررسانا ساخته میشود، شار عبوری از حلقه انتخابی در معرض شار کانونی قرار میگیرد. همانطور که میدانیم ابررساناها از جنس مواد دیامغناطیس کامل هستند، لذا خطوط میدان مغناطیسی به جای اینکه بهطور معمول به ماده حلقه انتخاب شده نفوذ کنند، به اطراف محوطه داخلی حلقه خمیده میشوند. این امر باعث افزایش سطح مؤثر حلقه انتخابی میشود که در نتیجه پاسخ دستگاه افزایش مییابد. این بدان معنی است که هنگام تبدیل شار به میدان مغناطیسی، سطح مؤثر حلقه انتخابی کمی بزرگتر از سطح محصور شده با حلقه انتخابی است که تجزیه و تحلیل دقیق این موضوع توسط کتچِن و کِرتلی انجام شدهاست. بهعنوان اولین تقریب، میتوان فرض کرد که خطوط شار ورودی در نیمه راه در اطراف ماده ابررسانا خمیده میشوند. اگر یک حلقه ابررسانا را در نظر بگیریم، قطر مؤثر آن حلقه برابر با قطر فیزیکی
بهعلاوه نصف عرض حلقه خواهد بود. بنابراین،
به سطح مؤثر
افزایش مییابد و معادله (3) به رابطه (7) تبدیل میشود (به شکل (6-ج) رجوع شود) [6].
را میتوان بهصورت آزمایشی با اندازهگیری یک واحد بهدست آورد. از آنجایی که کل شار ناشی از حلقه باید برابر با
باشد، تصحیح سطح فیزیکی میتواند با جمع اطلاعات تمام نقاط و سپس تقسیم بر شار کوانتومی بهدست آید.
دانستن مفهوم تفکیک فضایی در SSM در درک اطلاعات بهدست آمده از آزمایش انجام شده به کمک میکروسکوپ بسیار مهم است. همانطور که در شکل (7) نشان داده شدهاست، تفکیک فضایی در چینش SSM ترکیب پیچیدهای از قطر حلقه انتخاب شده و فاصله نمونه-حسگر است.
مشخصات میدان مغناطیسی B(x,y) در (شکل (7-الف)) نشان داده شدهاست. هنگامی که با استفاده از SSM روبش انجام شد، شار نسبت به اندازه
حلقه انتخاب شده، بسط مییابد (شکل (7-ب)) و مقدار بسط بهطور خطی به
بستگی دارد.
با افزایش فاصله نمونه-حسگر، مشخصه میدان بطور عکس بسط مییابد (شکل (7-الف))، که به نوبه خود موجب میشود Φ نیز گسترش یابد. البته این تغییرات مستقل از اندازه حلقه انتخاب شده، هستند. همانطور که میبینیم، هر دو عامل بر مشخصه شار نهایی Φ تاثیر میگذارند. یعنی افزایش ارتفاع یا افزایش اندازه قطر حلقه انتخابی و یا هر دو، موجب افزایش Φ تا زمانی میشود که دیگر مشخصه شار حلقههای مجاور قابل تشخیص نباشد (شکل (7-ج)). بنابراین، تعیین تفکیک فضایی فقط براساس یکی از این دو عامل، موجب بروز مشکلی در تعریف تفکیک فضایی میشود.
بنابراین، تعریف جدیدی از تفکیک فضایی براساس دوقطبی نقطهای در صفحه پیشنهاد شدهاست (شکل (8-الف)). این دو قطبی باعث ایجاد یک میدان بیرون از صفحه میشود که دو نقطه بینهایت دارد (شکل (8-ب))میزان جدایی (s) این بیشینهها صرفاً به ارتفاعی (h) که در آن اندازهگیری میشود و قطر حسگر (d)،بستگی دارد.یعنی در جایی که حد معادله به سمت صفر میل میکند،(s) صفرمیشود.اکنون میتوان تعریف کرد که تفکیک فضایی برابر با (s) است.
برای تعیین (s)،میتوان معادله را به صورت تابعی از ارتفاع روبش (h) و شعاع حلقه (2 / R = d ) به دست آورد.این معادله (5)مشتق شده و داریم:
به کمک معادله (8) تعیین تفکیک فضایی در هر مقیاس امکانپذیر است [5-4].
کاربردها
همانطور که قبلاً نیز گفته شد، میکروسکوپ تداخل کوانتومی ابررسانا، دستگاهی بسیار حساس برای اندازهگیری میدانهای مغناطیسی ضعیف است. با توجه به حساسیت فوقالعاده آنها، بهطور وسیعی در مطالعات علوم زیستی و اندازهگیریهای الکترونیکی و مغناطیسی خیلی حساس که سیگنالهای ضعیف، با استفاده از ابزار اندازهگیری معمول در آنها قابل سنجش نیستند، بهکار برده میشوند. بهصورت تقریبی هر سیگنال الکتریکی یا مغناطیسی با فرکانس کم که قابلیت تبدیل به سیگنال جریان شار مغناطیسی را دارد، قابل تشخیص با این میکروسکوپ است.
برنامههای کاربردی SQUID شامل مطالعه خواص مغناطیسی و الکترونیکی مواد، جستجو برای منابع انرژی گرمایی زمین، مطالعات پالئومغناطیس، تحقیقات بیومغناطیس،اندازهگیری دمای میلیکلوین و در نهایت، شناسایی و تشخیص ساختارهای مغناطیسی سطح روی زمین و دریا است. همچنین SQUID در اندازهگیری سیگنالهای ضعیف در مغز یا قلب انسان با استفاده از میدانهای مغناطیسی حسگر ایجاد شده با جریانهای نورولوژیکی مورد استفاده قرار میگیرد.
بنابراین میتوان کاربردهای میکروسکوپ SQUID را به سه گروه توسعه ابزاری و روشی در بیومغناطیس، علم خوردگی و ارزیابیهای غیرمخرب تقسیم کرد.
اجزای سیستم الکتریکی و ارتباطات در SQUID
شکل (9) طرحی از اجزای الکتریکی دستگاه SQUID را نشان میدهد. (9-الف) حسگر میکروسکوپ SQUID؛ در بخش (9-ب) به قفل حلقه شار در قسمت (9-پ) که دارای منبع تغذیه بوده، متصل شدهاست. کلید روشن/خاموش در مسیر (9-ت) مولد موج برای تنظیم حالت حسگر میکروسکوپ قرار گرفته و بهمنظور بهدست آوردن شکل موج (9-ث) به اسیلوسکوپ متصل و نشان داده شدهاست. (9-ج) پایه کنترل کننده XYZ شامل (9-چ) یک مبدل آنالوگ به دیجیتال برای تبدیل خروجی ولتاژ است و با استفاده از (9-ح) موتورهای پلهای حرکت میکند. پایه کنترل کننده XYZ برای اندازهگیری و پایش دادهها با یک رابط USB (9-خ) به رایانه متصل شدهاست و موتورها (9-د) از راه دور قابل کنترل هستند. اندازهگیری دادهها با استفاده از یک تراشه 16 بیتی ADC بهدست آمده است. (9-ن) حسگر جریان بین میکروسکوپ SQUID و خروجی جریان گاز هلیوم را تشخیص میدهد و به کمک یک فلومتر (9-ر) کنترل میشود. علاوهبر این، با استفاده از یک سطحسنج (9-ز)، سطح هلیوم مایع را کنترل میکند. در گوشه بالا سمت راست شکل (9)، جریان خطی کالیبراسیون (9-ژ) نشان داده شدهاست که این جریان خطی با (9-س) مولد جریان تولید میشود.
میکروسکوپ تداخل کوانتومی ابررسانای روبشی (SSM)، با استفاده از پروب روبشی، امکان تهیه تصویر شار مغناطیسی موضعی روی سطوح را فراهم میکند. بهطور معمول ویژگی مغناطیسی در موادی از نوع ابررسانا و یا فرومغناطیس بررسی میشود، اما SSM را میتوان برای تهیه تصویر از میدان مغناطیسی حاصل از توزیع جریان و حساسیت موضعی با کمک یک میدان معلوم نیز بهکار گرفت. همچنین، از SSM برای اندازهگیری شار جزئی ذره، بررسی وجود خواص ابررسانایی و فرومغناطیسی هم استفاده شدهاست. SSM ابزاری مناسب برای تهیه تصویر از آلودگیهای مغناطیسی روی سطوح غیرمغناطیسی است. تقریباً هر سیگنال الکتریکی یا مغناطیسی با فرکانس کم که قابلیت تبدیل به سیگنال جریان شار مغناطیسی را دارد، قابل تشخیص با این میکروسکوپ است. برنامههای کاربردی SQUID شامل مطالعه خواص مغناطیسی و الکترونیکی مواد، جستجو برای منابع انرژی گرمایی زمین، مطالعات پالئومغناطیس، تحقیقات بیومغناطیس، اندازهگیری دمای میلیکلوین و در نهایت، شناسایی و تشخیص ساختارهای مغناطیسی سطح روی زمین و دریا است.