Головка датчика

Для обеспечения максимальной точности оптоволоконного датчика тока крайне важна укладка измерительного волокна без механических напряжений. Любое напряжение нарушит ход световых волн с круговой поляризацией и, соответственно, измеренную разность фаз. Недопустимо даже возникновение напряжений, связанных с тепловым сокращением защитного покрытия оптоволокна при низкой температуре. В связи с этим в АББ была разработана особая технология укладки измерительного волокна в виде гибкой «измерительной ленты» (рис. 5.7). Этот метод обеспечивает превосходную точность (погрешность в пределах 0, 1%) в диапазоне температур от –40 °C до +85 °C, а гибкость ленты упрощает транспортировку и установку. Температурная зависимость эффекта Фарадея (в диапазоне 100 °C отклонение 0, 7%) компенсируется в самом приборе противоположным вкладом фазозадерживающего модуля.

Еще одним преимуществом является то, что калибровка датчика, выполненная на заводе, не нарушается при транспортировке и погрузочно-разгрузочных работах, за счет чего на месте после монтажа датчика нет необходимости в какой-либо повторной калибровке.

«Измерительная лента» с измерительным волокном располагается в модульном корпусе головки датчика, состоящей из отдельных сегментов. Сегменты изготовлены из эпоксидной смолы, армированной волокнистым материалом. Такой корпус можно с легкостью адаптировать под шины различного сечения, меняя длину прямых сегментов (рис. 5.8), а установку датчика можно вести без размыкания токоведущих шин.

Измерительное волокно «упаковано» в гибкую измерительную ленту, которая упрощает транспортировку и монтаж, а также обеспечивает превосходную точность в широком диапазоне температур.

В настоящее время создаются датчики тока на основе светового (фотонного) эха [37].

§5.3. Измерители малых токов на основе эффекта Джозефсона (СКВИД магнетометры)

Одной из мотиваций, приведших Джозефсона к открытию, являлось желание выяснить, имеет ли какие-либо наблюдаемые следствия фаза параметра порядка в сверхпроводнике. Действительно, как известно, сверхпроводник описывается комплексным параметром порядка Δ = | Δ |e ^ij. Модуль параметра порядка | Δ | определяет как бы ≪ силу≫ сверхпроводимости, в частности сверхпроводящую щель в одночастичном спектре. А фаза φ? На что она влияет? Что будет, например, если привести в контакт два сверхпроводника с одинаковыми по модулю, но разными по фазе параметрами порядка? Именно из этих вопросов и возникла работа Джозефсона.

Оказалось, что величина сверхпроводящего тока через контакт (джозефсоновского тока) определяется именно разностью фаз параметров порядка с двух сторон. Параметр порядка Δ можно рассматривать как волновую функцию сверхпроводящего конденсата (куперовских пар электронов), поэтому эффект Джозефсона - квантовый эффект. С другой стороны, конденсат куперовских пар состоит из огромного количества электронов, и в джозефсоновском токе участвует огромное число электронов, поэтому эффект Джозефсона - одновременно и макроскопический эффект. Он явился очень важным шагом в понимании природы сверхпроводящего состояния. Кроме того, он нашёл значительное и растущее число применений для создания уникальных измерительных приборов.

Эффект Джозефсона - явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника [38]. Такой ток называют джозефсоновским током, а такое соединение сверхпроводников — джозефсоновским контактом. Различают два эффекта - стационарный и не стационарный.

5.3.1 Стационарный эффект Джозефсона

Эффект Джозефсона в туннельном SIS-контакте

Простейший тип джозефсоновского контакта — два сверхпроводника (S - Superconductor), разделённых тонким слоем диэлектрика (I - Insulator). Такой контакт называют туннельным, или SIS - контактом (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Сверхпроводящее кольцо с джозефсоновским контактом

Для электронов слой диэлектрика представляет собой потенциальный барьер. Если слой диэлектрика достаточно тонок, то волновая функция y в этом слое не убывает до нуля (рис. 5.9б) и также отлична от нуля за слоем диэлектриком. Квадрат волновой функции определяет вероятность обнаружить электрон (куперовскую пару) в некоторой области пространства. Поскольку волновая функция электрона (пары) не равна нулю за слоем диэлектрика, то это означает, что существует конечная вероятность проникновения куперовской пары через энергетический барьер (слой диэлектрика) путём квантового туннелирования. Даже если коэффициент пропускания барьера мал, его отличие от нуля имеет принципиальное значение: оба сверхпроводника становятся единой системой, описывающейся единой конденсатной волновой функцией. Это обстоятельство и приводит к эффекту Джозефсона. Единство конденсатной волновой функции системы означает, что через контакт между двумя сверхпроводниками может течь, даже в отсутствие приложенной извне разности потенциалов, сверхпроводящий ток (например, в системе, изображённой на рис. 5.9).

В первоначальной работе Джозефсона предполагалось, что толщина диэлектрического слоя должна быть много меньше длины сверхпроводящей когерентности, но последующие исследования показали, что эффект сохраняется в гораздо более широком классе контактов. Если ток через контакт Джозефсона не превышает определенного значения, называемого критическим током контакта, то падение напряжения на контакте отсутствует (стационарный эффект Джозефсона).