CN102460196B - 用于测量时变磁场或磁场梯度的测量仪器、电阻元件和测量系统 - Google Patents

用于测量时变磁场或磁场梯度的测量仪器、电阻元件和测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于时变磁场或磁场梯度的测量仪器、电阻元件、以及一种具有根据本发明的测量仪器或电阻元件的测量系统。该测量仪器的核心部件是由基本材料制成磁通变换器，该基本材料具有到超导状态的相变。根据本发明，该磁通变换器即使在基本材料处于超导状态时仍然具有电阻不等于0的负载区域以用于耗散其线环中的电能。在此根据本发明，该线环和该磁场源布置在一个平面内并且在通常情况下以光刻方式结构化。作为测量仪器中的核心部件，可以使用根据本发明的具有≤10-4Ω的电阻值的电阻元件。根据本发明，与利用前序部分中所述的测量仪器或测量系统相比，可以在更宽的频率范围中以更小的噪声和更大的灵敏度进行测量。

Description

用于测量时变磁场或磁场梯度的测量仪器、电阻元件和测量系统
技术领域
本发明涉及一种用于时变磁场或磁场梯度的测量仪器、可用作测量仪器中的核心部件的电阻元件、以及一种具有根据本发明的测量仪器或电阻元件的测量系统。
背景技术
超导量子干涉仪（SQUID）是当前最灵敏的用于磁场的传感器。但是其动态范围是有限的。如果测量位置不是仅被要测量的时变磁场穿过，而是还被高出多个数量级的静态干扰场或仅非常慢变化的干扰场穿过，则传感器单单由于干扰场而常常陷入饱和。本来的测量信号仅仅是由于干扰场造成的高背景信号上的非常小的调制。
为了将测量信号与背景信号分离，使用磁通变换器。该磁通变换器通过接收线圈（拾取线圈）将磁通的在该拾取线圈中由要测量的磁场所生成的时变分量转换成电流。该电流馈送给磁场源、通常为线圈（输入耦合线圈），该线圈然后生成辅助磁场。该辅助磁场由本来的传感器、通常为SQUID来测量。
在此，为了在低频时最灵敏的测量通常使用超导磁通变换器，以便最小化信号损失（J.E.Zimmermann,N.V.Frederick的“MiniatureUltrasensitiveSuperconductingMagneticGradiometerandItsUseinCardiographyandOtherApplications”，Appl.Phys.Lett.19,16(1971)）。不利的是，在由拾取线圈和磁场源构成的电流回路中积累逐步的干扰分量，这些干扰分量由强静态的以及非常慢地变化（时间常数>10分钟）的干扰磁场造成。测量系统的动态范围和灵敏度由此逐渐恶化。
常导磁通变换器例如由（T.Q.Yang,Kenichiro,Yao,DaisukeYamaski,KeijiEnpuku的“MagnetometerutilizingSQUIDpicovoltmeterandcoolednormalpickupcoil”PhysicalC426-431,1596-1600(2005)）和（D.F.He,H.Itozaki,M.Tachiki“Improvingthesensitivityofahigh-TcSQUIDatMHzfrequencyusinganormalmetaltransformer”,SuperconductorScienceandTechnology19,S231-S234(2006)）中公知。不利的是，这些磁通变换器具有过短的、大致为10μs的豫驰时间常数，使得在大致100kHz以下的低频时出现过高的损耗，并且所得到的测量结果因此不再是令人信服的。同时，这些磁通变换器在该频率范围中给测量信号施加以大的噪声。
从（H.Dyvorne,J.Scola,C.Fermon,J.F.Jacquinot,M.Pannetier-Lecoeur的“Fluxtransformermadeofcommercialhighcriticaltemperaturesuperconductingwires”,ReviewofScientificInstruments79,025917(2008)）中公知一种磁通变换器，其拾取线圈和输入耦合线圈分别由带状导线制成，并且通过带状双线线路彼此连接。通过线圈与双线线路之间的常导的焊接位置，在超导线圈中积累的干扰分量被耗散。不利的是，该装置的灵敏度尤其是对于生物磁测量和地理磁测量是不够的。
发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种测量仪器和一种方法，利用该测量仪器和该方法，与现有技术所能实现的相比，能够在低频以及高频时以可在更大范围内选择的时间常数以及以更高的灵敏度同时在噪声更小的情况下测量时变磁场或磁场梯度。
根据本发明，该任务通过根据主权利要求所述的测量仪器、通过根据并列权利要求所述的可用作为测量仪器中的核心部件的电阻元件、以及通过根据另一并列权利要求所述的测量系统来解决。另外的有利的构型分别从引用这些权利要求的从属权利要求中得出。
本发明的主题
在本发明的范围内，开发出一种用于测量时变磁场或磁场梯度的测量仪器。该测量仪器具有磁通变换器。该磁通变换器具有：具有基本材料的线环（“拾取线圈”）以及从线环馈送的磁场源，所述基本材料具有到超导状态的相变，所述线环用于将时变磁通或磁通梯度转换成电流，所述磁场源用于将电流转换成辅助磁场。在此，该磁场源的材料有利地同样具有到超导状态的相变。时变磁通或磁通梯度有利地仅仅由要测量的磁场或磁场梯度的时变分量生成。测量仪器具有用于辅助磁场的传感器、例如SQUID。
磁通变换器还在基本材料处于超导状态时具有至少一个阻性区域（亦称“负载区域”），该阻性区域具有不等于0的电阻以用于散耗包括线环和磁场源的电流回路中的电能。在此，该负载区域还可以包括线环、磁场源或者线环或磁场源的部分区域。该构型例如在如下情况下是有利的：线环或磁场源为II型超导体，并且在相应的应用中尽管处于超导状态，但是在其第一临界磁场或第一临界电流之上被驱动。于是，该超导材料通过Abrikosov磁通管来实施。如果所述Abrikosov磁通管是可运动的，则该与摩擦相联系的运动需要能量，该能量由非0电阻产生。但是在常规情况下，负载区域与线环和磁场源不同。于是，负载区域由非超导材料制成，并且譬如串行地连入包括线环和磁场源的电流回路中。
根据本发明，线环和磁场源布置在一个平面内。在此，线环和/或磁场源尤其是被构造成具有大致1μm或更小的层厚度的薄层的平坦结构。尤其是当线环的基本材料和/或磁场源的材料是高温超导体时有利的是，线环和/或磁场源作为外延超导层被构造在单晶衬底上。这样的层例如可以利用光刻来结构化。作为薄层结构的线环和/或磁场源的构型有利地改善测量仪器的灵敏度并减小噪声。
由Dyvorne等人使用的超导线和带难以被再加工成由薄层制成的平坦结构。
一个平面中的布置不应被限制性地看成是，线环和磁场源必须布置在同一衬底上。例如，线环和磁场源可以布置在分开的衬底上，所述衬底以其结构化的表面彼此接合和电连接（“倒装”技术）。在此，尤其是可以在一个衬底或两个衬底上布置常导层。由此在联接衬底时在两个衬底之间形成的中间层尤其是可以在线环和磁场源都由高温超导材料制成时有利地充当线环与磁场源之间的负载区域。由此有利地克服了通常在将陶瓷高温超导体与常导材料接触时出现的困难。而如果线环和磁场源由低温超导材料制成，则有利的是，将两个衬底之间的电连接实施为超导的，并且在衬底之一或两个衬底上实现负载区域。这种类型的制造与在两个衬底之间置入常导中间层相比是技术上更加可控和更加可再现的。
通过将超导线环与非超导负载区域相组合，可以在包括线环和磁场源的电流回路中实现非常小的电阻值。直流电阻值可以被调整为与0接近得使得恰好利用对于相应应用重要的豫驰时间来散耗电流回路中的能量。该过程已被Dyvorne等人观察到。但是Dyvorne等人公开的装置的灵敏度尤其对于生物磁和地理磁测量而言是不够的，因为穿过拾取线圈的磁通的仅仅一小部分被传送给输入耦合线圈（参见Dyvorne等人中的图3和相关描述）。现在认识到的是，通过根据本发明将线环和磁场源布置在一个平面内，可以有利地减小从线环到磁场源的路径上的磁通损耗。在该几何结构中，可以有利地最小化线环与磁场源之间的线路长度。同时可以这样实施，即使线环和磁场源的每单位长度的电感最小化。例如，将线环与磁场源之间的正向和反向线路结构化为彼此靠近得使得在这些线路之间仅仅围成非常小的面积。尤其是可以将正向和反向线路相叠地堆叠，其中它们被薄的绝缘层隔开。
已经认识到，通过这种方式，线环与磁场源之间的线路的总电感可以被最小化。该电感对于线环与磁场源之间的线路在电流从线环经过去往本来的磁场源时生成的寄生磁通是决定性的。该寄生磁通越高，则由磁场源生成的可被传感器记录的辅助磁场就越小。
线环尤其可以是由导线或具有一个或多个绕组的薄层构成的线圈。该实施方式在下面亦称拾取线圈。磁场源尤其可以是由导线或者具有一个或多个绕组的薄层构成的线圈。该实施方式在下面亦称输入耦合线圈。拾取线圈和/或输入耦合线圈有利地具有多个绕组。这分别增大了电感以及由此增大了要测量的磁场或磁场梯度与拾取线圈中的电流之间的转换比。
拾取线圈有利地具有1cm或更大、优选3cm或更大、尤其优选5cm或更大的直径。特别是结合输入耦合线圈具有3mm或更小直径的另一有利的构型，这样的大小所具有的效果是，由要测量的磁场或磁场梯度引起的磁通在从拾取线圈传输到输入耦合线圈时按照面积被集中，并且因此增强了传感器处的磁场。这样被增强的磁场可以由传感器可靠地同外部干扰场区分开，这改善了测量的精确度。这样的干扰场的例子是地磁场和从引导电流的线路发出的磁场。一般而言，为了大程度地增强磁场有利的是，输入耦合线圈和拾取线圈的直径的比例为最高0.1。这是Dyvorne等人未实现的。
3mm或更低的输入耦合线圈的直径导致磁通变换器的更好的磁场增强以及到传感器的更好的耦合，因为这对应于常规灵敏的磁场传感器的灵敏区域的最大值。在这些传感器的情况下，灵敏区域被有意地保持得小，以便最小化固有噪声（尤其是在SQUID的情况下）和干扰。此外，小的灵敏区域与更大灵敏区域相比可以以超比例方式更好地同外部磁场屏蔽。此外，灵敏区域越小，则分布在大空间中的干扰场、例如地磁场对测量信号作出的贡献越小。为了高的增强，输入耦合线圈高达100μm的直径也可以是合理的。这主要在平坦衬底上的具有薄层构成的许多绕组的光刻结构化的多层输入耦合线圈情况下是可能的。
输入耦合线圈有利地具有拾取线圈的80%至120%之间的电感、尤其是与拾取线圈具有相同的电感。于是，由要测量的磁场或磁场梯度所生成的磁通在拾取线圈中以最高效率的方式被转换成从输入耦合线圈发出的磁场。如果输入耦合线圈和拾取线圈具有不同的直径，则应当相应地调整绕组数，以便实现相同的电感。线圈的电感与其直径大致为线性关系，并且与其绕组数为二次关系。因此，输入耦合线圈与拾取线圈的绕组数的该比例有利地与输入耦合线圈和拾取线圈的直径的比例的平方根那样大（下面称为q）。如果绕组数的比例恰好等于q，则传感器处的磁场与拾取线圈中的磁场相比被最大地增强。在此，增强因子可以被实现为大致100。
利用Dyvorne等人使用的带状超导体，不能将输入耦合线圈的直径实现为3mm或更小，因为当该超导体以5mm以下的半径被弯曲时，该超导体损害了其超导性（Dyvorne等人的“Experimental”章节）。
在本发明的一个特别有利的构型中，磁场源至少部分地布置在被线环包围的区域内。在这样的布置中，可以在线环与磁场源之间实现特别短的线路长度。在理想情况下，磁场源可以这样被集成到线环中，使得在总归存在的线环之外绝不需要用于磁场源的附加引线。
时间常数可以有利地在大致1ms至大致106s的大范围内选择。为此。负载区域有利地具有10-11Ω至10-5Ω之间、优选10-11Ω至10-6Ω之间的电阻。
在常导磁通变换器中典型的数量级为1Ω的电阻单独地由于其热噪声（奈奎斯特噪声）已经使测量精度恶化。在1kHz以下的频率时，磁场测量结果仅能在至少10pT/H1/2的噪声下进行，使得仅能高度受限地进行譬如生物磁或地理磁测量。而且存在针对循环电流的豫驰时间，该豫驰时间可以作为电流回路的总电感与总电阻的商得出，在10nH至100μH之间的典型电感下为10μs以下。这对于许多应用而言过短。
而如果磁通变换器在电阻为基本上0Ω至精确而言为大致10－20Ω的情况下为完全超导的，则在该磁通变换器中，在这种状态下完全不耗散能量。干扰外部磁场或磁场梯度的仍然这样慢的每次改变因此以电能形式累积在其中。仅当超导材料被加热超过其转变温度时，该能量才完全在磁通变换器中耗散。当超过超导材料的临界电流时，该能量通常仅仅部分地耗散。譬如如果为了地理磁场测量从例如直升飞机来实施，并且该直升飞机在转向时改变其相对于地磁场的取向，则磁通变换器通常在升温和重新冷却以后才能再次为测量做好准备。
根据本发明的测量消除了这两个缺点，而不必以损失灵敏度为代价。在该测量仪器中所使用的具有非常小但不等于0的电阻值的低噪声电阻不仅可以用于磁通变换器和传感器，而且还可以用于超导电子设备的多种其他结构、例如RSFQ或量子计算机。
磁通变换器的电感L由拾取线圈、输入耦合线圈以及所有连接的电感之和构成。磁通变换器有利地总共具有1nH至1mH之间、优选10nH至100μH之间的电感。该区域中的电感特别适于实现本发明的另一特别有利的构型。在该另一特别有利的构型中，至少当基本材料处于超导状态时，在磁通变换器中循环的电流具有1ms至106s之间、优选3ms至300s之间的豫驰时间τ。对豫驰时间的这样可获得的选择造成：利用根据本发明的测量仪器可以测量频率范围变化1MHz的快速现象，并且还可以测量以数量级变化的磁场和磁场梯度。对于有说服力的测量而言分别要求的是，在豫驰时间内能够检测最小数目的波动。对于测量系统的灵敏度特别重要的是，负载区域的奈奎斯特噪声在以上的频率下大大下降。
磁通变换器有效地为用于时变信号的RL回路。在该RL回路中，R是负载区域的电阻，并且L是磁通变换器的电感。对于该RL回路的时间常数τ而言，其总电阻为决定性参数。负载区域的电阻R越小，则时间常数就越大，并且可用测量仪器来测量的最小频率（“截止频率”）就越小。在测量仪器中实现的近似为0的电阻与利用常导磁通变换器获得测量相比将频率范围扩展到下截止频率或甚至更低。因此可以利用该测量仪器覆盖小于1Hz至大致1MHz的整个频率范围，其中频率范围的上限不是物理极限，而是仅仅由相应快的控制电子的可用性来预先给定。
在本发明的一个特别有利的构型中，磁通变换器的、描述要测量的磁场或磁场梯度到辅助磁场的转换的传输函数是高通。该高通有利地具有1μHz至1kHz之间、优选3mHz至300Hz之间的截止频率f0。于是，磁通变换器与在不通过辅助磁场绕道的情况下直接测量要测量的磁场相比所具有的效果是，特别是静态或缓慢变化的干扰磁场或磁场梯度不至于对辅助磁场作出贡献，并且因此不被一同测量。因此防止了：灵敏的传感器由于干扰场而陷入饱和的极限，并且本来的测量信号仅仅是高基本信号上的小的调制。通过在传感器之前就将干扰场物理地分开，可以将传感器的动态特性或灵敏度充分地用于磁场的要测量的时变分量。这对于生物磁和地理磁测量、以及无损材料检查和材料研究而言是特别有利的。此外，这些测量中，出现来自宽频带的信号。因此对于这些测量而言，本发明的另一构型是特别有利的，在该方案中，磁通变换器的描述要测量的磁场到辅助磁场的转换的传输函数是允许高通截止频率f0至1MHz的频率通过的。
在本发明的一个特别有利的构型中，传感器是超导量子干涉仪（SQUID）。SQUID以其大致的灵敏度与许多其他特性相组合对于实际应用而言总是不匹配的。SQUID要求冷却，以便保持超导状态，但是已经存在为此所需的技术，因为根据本发明，磁通变换器已经包含超导部件。SQUID可以包括超导线环，所述超导线环被至少一个（rf－SQUID）或者两个（dc－SQUID）约瑟夫逊接触部(Josephson-Kontakt)中断。还可以包括两个被总共3个（3JJ－SQUID）约瑟夫逊接触部中断的超导线环。除了SQUID以外，还可以将其他磁场传感器、比如GMR、CMR、霍尔或磁通门磁场传感器用于测量被磁通变换器增强和滤波的磁场或磁场梯度。这些传感器比SQUID灵敏度更低，但是其特别适用于仅能冷却线环和磁场源而不是传感器的应用。
在本发明的一个特别有利的构型中，磁场源是传感器的一部分。绕组的作为磁场源的超导线圈例如可以被一个或多个约瑟夫逊接触部中断。于是，该线圈与约瑟夫逊接触部仪器一起形成SQUID，该SQUID测量从线环馈入的电流在通过相同线圈时所生成的磁通（“直接耦合SQUID”）。这样的布置是可能的，因为由于从线环馈入的电流的叠加原理以及在约瑟夫逊接触部处生成的信号在线圈中无干扰地叠加。
在本发明的一个特别有利的构型中，线环和磁场源被连接为使得要测量的磁场在由线环围城的面积上的空间均匀改变使经过磁场源的电流不改变。于是，测量仪器是一种梯度计，其仅仅测量线环位置处的磁场的空间梯度。
在本发明的一个特别有利的构型中，负载区域包含不具有到超导状态的相变的材料。这样的材料在基本材料冷却到其转变温度以下时保持为常导或绝缘的，并且于是为电阻的来源。例如，负载区域可以包括超导电极之间的隧道接触部的隧道势垒。负载区域于是有利地包含非常薄的绝缘体材料，当基本材料和超导电极的材料为低温超导体、例如Nb、NbN、Nb3Sn、NbTa、NbTi、MgB2时，该材料选自AlOx、MgO、AlN或MgO-NiO-MgO的组。对于转变温度高于50K的作为基本材料的高温超导体而言，在此尤其合适的是根据通式ZBa2Cu3O7-x的化合物，其中Z是选自组（Y,Nd,Gd,Ho,Sm,Tm,Tb,Dy,Yb,Er或Eu）的元素。例如，YBa2Cu3O7-x具有大致为93K的转变温度。当YBa2Cu3O7-x具基本材料和超导电极的材料时，材料PrBa2Cu3O7-x或SrTiO3特别适用于隧道势垒。隧道接触部主要是薄层结构，以便制造典型厚度小于100nm的绝缘层。
但是负载区域还可以包含超导金属，如银、金、铂或其合金。于是，可以利用这些金属的超导电阻，而不必制造复杂隧道接触部。如果基本材料是包含根据通式ZBa2Cu3O7-x的高温超导体，则特别是可以将银、金、铂或其合金以特别小的接触电阻耦合到由该基本材料制成的电极。如果基本材料是低温超导体，如Nb、NbN、Nb3Sn、NbTa、NbTi时，MgB2，则甚至可更简单地实现到银、金、铂或其合金的可忽略的接触电阻。此外，在由低温超导体制成的基本材料的情况下可能的是，制造一种叠层，其中在下超导电极和上超导电极之间仿制超导材料（例如银、金、铂或其合金）。此外，在低温超导体作为基本材料的情况下甚至可能的是，相对简单地一并制造基于超导膜的低欧姆电阻和涂敷在该膜的两侧的低温超导层。
在本发明的一个特别有利的构型中，负载区域具有平坦的结构，该平坦结构由衬底上彼此间隔开的电极构成，其中所述电极尤其是可以包含线环的基本材料。在此，所述电极尤其是可以被构造成薄层。所述电极可以被构造成环形。在其转变温度以下超导的电极通过常导电阻层连接。这种结构仅仅产生小的磁噪声并且可以借助于光刻或电子束光刻以大量形状来制造。该结构的电阻是超导电极之间的常导层的电阻与常导层与超导电极之间的两个接触电阻之和。接触电阻应当为尽可能小的，使得其在理想情况下可忽略。电极彼此之间的间隔应当一方面为短的，以便最小常导层的电阻。但是该间隔必须足够长，使得还必须避免超导短路。还希望的是，实现电极相对于彼此间隔开的尽可短的距离。电极之间的该距离越长，则该结构的电阻越小。在本发明的一个特别有利的构型中在磁噪声相对小通式获得特别小的电阻，其中电极被构造为曲折形。在叉指形结构的情况下以较高磁噪声为代价获得更小的电阻。其中总是各有一个电极的“指”与另一电极的“指”相邻地和彼此间隔开地布置。
如果线环的基本材料是包含根据通式ZBa2Cu3O7-x的化合物的高温超导体，则由相同材料构成的外延层最好生长在由MgO或SrTiO3构成的衬底上。两种材料都是绝缘体，并且不影响薄层结构的传输特性。由于其小的电阻率以及对ZBa2Cu3O7-x没有电阻，可以有利地考虑银、金、铂或其合金作为电阻层材料。
在本发明的一个替代的有利的构型中，负载区域包含由电极构成的叠层，所述电极具有布置在电极之间的电阻层。在此，电极在其转变温度以下为超导的。所述电极通过电阻层电连接。该构型尤其是在电极由基本材料制成并且该基极材料是低温超导体、比如铌时是特别合理的。如果电极由高温超导体制成，则可能的是，以所谓的倒装技术实现如下的叠层：两个超导电极可以在两个不同的衬底上以外延方式被制造、光刻结构化、以及通过布置在衬底之间的常导层彼此电连接。在此，常导层尤其是可以由如下的层构成：所述层在将衬底联合以前布置在所述衬底之一上或者存在于两个衬底上。
磁场源和负载区域可以作为薄层在同一衬底上被结构化（“集成”），或者可替代地在分开的衬底上被结构化，所述衬底以其结构化的表面被彼此接合（“倒装”技术）。线环和磁场源还可以作为薄层在同一衬底上被结构化（“集成”），或者可替代地在分开的衬底上被结构化，所述衬底以其结构化的表面被彼此接合（“倒装”技术）。传感器和磁场源可以在同一衬底上被结构化（“集成”），或者可替代地在分开的衬底上被结构化，所述衬底以其结构化的表面被彼此接合（“倒装”技术）。磁场源和传感器的集成程度可以为使得磁场源是传感器的一部分。在传感器是SQUID的优选构型中，尤其是SQUID的被一个或多个约瑟夫逊接触部中断的线环同时充当磁场源，其对由线环限制的面积施加上辅助磁场。该原理在基本材料是高温超导体时最适合。而如果基本材料是低温超导体，则当磁场源与SQUID电绝缘并且因此仅仅与SQUID电感耦合时，获得更好的结果。
所有这些构型所具有的优点是，这些构型可以在大规模制造中常见的光刻结构化技术来制造。
在本发明的另一特别有利的构型中，传感器与磁场源位于磁屏蔽体中。于是，线环自始至终处于屏蔽体之外。如果屏蔽体经历缓慢变化的外部干扰场或者屏蔽体运动通过这样的磁场，则由此引入其中的电能被负载区域耗散。
根据本发明的测量仪器利用负载区域的近似为0的电阻值。如上所述，这样的低噪声电阻不仅可以用于磁通变换器和传感器。而且还可以用超导电子的多种其他结构、比如RSFQ或者量子计算机。因此，本发明总体上涉及一种具有不等于0的为10-4Ω或更小、优选10-6Ω或更小的电阻值的电子元件。该电阻元件可以具有两个特别有利的实施方式：
·由彼此间隔开的电极构成的平坦结构，所述电极通过常导电阻层被电连接，并且尤其是可以布置在衬底上，其中所述电极尤其是可以被构造为曲折形和/或该结构可以被构造为叉指形；和/或
·由电极构成的叠层，在所述电极之间布置常导电阻层。
在此，电极的材料分别具有到超导状态的相变。所述电极尤其是可以以光刻方式被结构化。
常导电阻层尤其是可以由常导金属、特别优选金、银、铂以及包含这些元素的合金制成。该叠层也可以包括由常导金属制成的薄膜，所述薄膜在两侧分别被涂覆具有到超导状态的相变的材料。
从该构造方案以及针对可使用该电阻元件的超导电路中的位置的其他边界条件出发，本领域的技术人员可以利用其常用的经典电动学方法来实现具有预先给定的电阻值的具体构型。
由于该电阻元件可以在根据本发明的测量仪器中用作关键元件，该测量仪器进而是用于执行下面所述的根据本发明的方法的装置的第一实现方式，因此结合参考该电阻元件提供该测量仪器的公开内容还延伸到该电阻元件本身。
本发明还涉及一种用于生物磁测量、地理磁测量、无损材料检查和/或材料研究的测量系统，该测量系统包含根据本发明的测量仪器或者根据本发明的电阻元件。在这些应用中，根据本发明的相应优点高度地有利于测量系统的灵敏度、频谱带宽、以及动态范围。
附图说明
下面根据附图进一步阐述本发明的主题，但本发明的主题不受此限制。
图1示出了根据本发明的测量仪器的实施例。
图2示出了根据本发明的电阻元件（“负载区域”）的可能的构型：具有电阻层或隧道势垒的叠层作为中间层（部分图a）；两个被构造为曲折形的电极的共面结构（部分图b）；以及两个电极的叉指形结构（部分图c）。
图3示出了根据本发明的测量仪器的另一实施例，该测量仪器可以以“倒装”技术来制造（部分图a）；直接耦合的SQUID作为器件中的传感器和磁场源（部分图b）。
图4示出了分别充当梯度计的拾取线圈和输入耦合线圈的接线的实施例：具有输入耦合线圈作为中心处连接的结构（部分图a和部分图b）；以及两个交叉的部分环（部分图c）或者三个交叉的部分环（部分图d）。
具体实施方式
图1中描绘了根据本发明的测量仪器的一个实施例。磁通变换器是这样的电流回路，该电流回路由作为拾取线圈1的超导线环、作为负载区域的低欧姆电阻2以及作为输入耦合线圈的超导线圈3的串联构成。在该实施方式中，通过拾取线圈1的磁通的每次改变都引起通过线圈3的电流并且因此对由线圈3生成辅助磁场作出贡献。该辅助磁场利用超导量子干涉仪（SQUID）4来测量。
图2示出了根据本发明的可用作负载区域2的电阻元件的三个可能的构型。
图2a示出了叠层的实施例的截面图，该叠层由电极21a和21b与布置在所述电极之间的电阻层22构成。电极21a和21b由低温超导基本材料（Nb、NbN、Nb3Sn、NbTa、NbTi或MgB2）或者高温超导基本材料（例如根据通式ZBa2Cu3O7-x的超导材料，其中Z尤其可以是钇）。作为电阻层22可以设置绝缘体（仅在隧道势垒的情况下）或者常导材料。
图2b以非比例正确的方式绘制的俯视示意图示出了超导电极23a和23b的共面结构的实施例。电极由低温超导基本材料（Nb、NbN、Nb3Sn、NbTa、NbTi或MgB2）或者高温超导基本材料（例如根据通式ZBa2Cu3O7-x的超导材料，其中Z尤其可以是钇）制成，并且被涂敷在图2b中未绘出的由MgO或SrTiO3制成的绝缘衬底上。电极23a和电极23b彼此相邻地以例如50μm的间隔布置。因此，电极23a和电极23b间隔开地相邻布置，并且通过常导材料24彼此电连接。沿着常导材料24的曲折形路径具有可观的长度。该路径比大致1cm的总体结构的边长显著更长。常导材料24例如可以作为侧向结构化的电阻层涂敷到电极23a和23b上，如在图2b的下部分中的片段图中说明的那样。
这样实施的电阻元件的总电阻得出为：
在此，ρ是制成常导电阻层的材料（例如银）的电阻率，并且d是电阻层的厚度（通常为大致1μm）。是两个超导电极23a与23b之间的间隔（通常50μm）,并且w是常导电阻层24（“负载区域”）的沿着超导电极23a和23b之间的曲折形常导连接所测得的有效宽度（大约100cm）。电阻层的材料银在低温时具有大致1μΩcm的电阻率ρ，使得如果电极23a和23b处于超导状态，则对于图2b所示的布置而言总共得出5x10-7Ω的电阻R。
图2c以非比例正确方式绘制的俯视示意图示出了超导电极25a和25b的叉指形结构的实施例。电极由低温超导基本材料（Nb、NbN、Nb3Sn、NbTa、NbTi或MgB2）或者高温超导基本材料（例如根据通式ZBa2Cu3O7-x的材料，其中Z尤其可以是钇）制成，并且被涂敷在图2c中未绘出的由MgO或SrTiO3制成的绝缘衬底上。电极25a的“指”26a和电极25b的“指”26b分别彼此相邻地以例如50μm的间隔布置。因此，电极25a和电极25b间隔开地相邻布置，并且通过常导材料27彼此电连接。两个指电极26a和26b的间隙中的曲折形路径具有可观的长度。该路径比大致1cm的总体结构的典型边长显著更长。沿着该路径，电极25a与电极25b之间的附带有电阻的电连接由涂敷到叉指形结构上的电阻层来促成。预期的是，在结构的边长相等的情况下，根据图2c的布置与根据图2b的结构相比具有更小的电阻、但是显著更大的噪声。
图3a以非比例正确方式绘制的俯视示意图示出了根据本发明的测量仪器的另一实施例。超导拾取线圈1在第一衬底5a上被结构化，该拾取线圈通过低欧姆电阻2馈送给在此被构造成螺旋形的超导线圈和在同一衬底5a上结构化的输入耦合线圈3。该输入耦合线圈3布置在由拾取线圈1围成的区域内。传感器4在此被构造成SQUID并且包括超导体41，该超导体41被两个约瑟夫逊接触部(Josephson-Kontakt)42a和42b中断并且通过两个金属接触部43a和43b与图3中未绘出的分析单元接触。传感器4在第二衬底5b上被结构化。两个衬底5a和5b被联合成根据本发明的测量仪器，其方式是将这些衬底以其结构化的表面接合在一起。为此，例如衬底5a可以叠在衬底5b上（“倒装”技术）。线圈3于是处于超导体41内，使得由线圈3生成的辅助磁场可以被SQUID4记录。
图3b示出了根据本发明的测量仪器的一个实施例，其中磁场源3是在此被实施成SQUID的传感器4的部分。在此为输入耦合线圈的磁场源3同时也是具有绕组的线圈，该线圈被两个约瑟夫逊接触部中断并且因此形成SQUID4。从拾取线圈1馈入到输入耦合线圈3中的电流沿着在其中SQUID是灵敏的区域的边界流动，但是不流经约瑟夫逊接触部（由图3b中的箭头来表示）。因此，该电流直接在SQUID中生成辅助磁场，而同时不干扰该辅助磁场的测量。
图4示出了输入耦合线圈3和超导拾取线圈1的接线的四个实施例，其中要测量的磁通在拾取线圈1上的均匀改变使经过超导输入耦合线圈3的电流不改变。所有部分图a至d分别是未以正确比例绘制的俯视示意图。
在图4a中，拾取线圈1被构造为椭圆形的。在其短半轴上布置有由螺旋形线圈3和低欧姆电阻2构成的串联电路。要测量的场在拾取线圈1上空间均匀的改变导致：在拾取线圈1中感应生成两个绝对值相等的相反的电流A和B，所述电流互相抵消并且因此不对经过输入耦合线圈3的电流作出贡献。在图4b中，在拾取线圈中附加地集成了两个另外的电阻（“负载区域”），利用所述电阻还在拾取线圈中对电流A和B进行高通滤波和耗散。
在图4c中也实现了相同的原理；在那里，拾取线圈1由交叉的面积相等的部分环构成，并且具有数学无限符号的形状。
图4a至4c中所示的布置是一阶梯度计。要测量的磁场在拾取线圈1上空间均匀的改变分别不导致经过输入耦合线圈3的电流。仅仅要测量的场在拾取线圈1上空间不均匀的改变才导致绝对值不相等的电流A和B，并且因此导致经过输入耦合线圈3的差分电流，该差分电流生成辅助磁场。该辅助磁场可以被图4中未绘出的传感器记录。
图4d示出了二阶梯度计。该二阶梯度计由三个部分环构成，其中时变磁场或时变磁场梯度分别感应生成电流A、B以及C。在此，中间的部分环与其他两个部分环加在一起具有相同的面积。这三个部分环在两个位置处交叉。在要测量的场在空间上均匀改变的情况下以及在以一阶梯度的形式改变的情况下，三个电流A、B以及C彼此补偿，使得没有电流流经输入耦合线圈3。仅仅在二阶梯度的情况下，这些电流才不彼此补偿。于是，输入耦合线圈3被电流流经，并且生成可由传感器检测到的辅助磁场。
相同原理同样可用于更高阶的梯度计。
所有四个布置的共同之处在于，输入耦合线圈3至少部分地布置在由拾取线圈1围成的区域内。在此，甚至可以实现理想情况，即除了拾取线圈1本身以外不需要用于输入耦合线圈3的附加引线。

Claims (29)

1.具有不等于0的为10-4Ω或更小的电阻值的电阻元件，其特征在于，所述电阻元件包括由彼此间隔开的电极（23a、23b、25a、25b）构成的共面的结构，所述电极通过由常导金属构成的电阻层（24、27）电连接，其中所述电极（23a、23b、25a、25b）的材料具有到超导状态的相变，以及，其特征在于，所述结构构造为叉指形的并且所述电极（23a、23b）被构造为曲折形或者构造成指电极（26a,26b）并且这些电极的材料是转变温度超过50K的高温超导体。
2.根据权利要求1所述的电阻元件，其特征在于，所述电阻元件具有10-6Ω或更小的电阻值。
3.用于时变磁场或磁场梯度的测量仪器，具有：
·磁通变换器，其中该磁通变换器具有：包括基本材料的线环（1）以及从线环馈送的磁场源（3），所述基本材料具有到超导状态的相变，所述线环用于将时变磁通或磁通梯度转换成电流，所述磁场源用于将电流转换成辅助磁场，其中所述磁场源的材料能够具有到超导状态的相变；以及
·用于辅助磁场的传感器（4），其中磁通变换器还在基本材料处于超导状态时具有至少一个阻性负载区域（2），所述阻性负载区域用于散耗包括所述线环（1）和所述磁场源（3）的电流回路中的电能，其中所述线环（1）和所述磁场源（3）布置在一个平面中，
其特征在于：
·设置根据权利要求1或2的至少一个电阻元件或者具有绝缘体材料的隧道接触部作为负载区域（2），所述绝缘体材料不具有到超导状态的相变，和/或
·所述线环（1）和所述磁场源（3）在分开的衬底上被结构化，所述衬底以其结构化的表面被彼此接合并且电连接，其中在一个衬底或两个衬底上布置常导层，所述常导层形成负载区域（2），其中所述基本材料是转变温度超过50K的高温超导体。
4.根据权利要求3所述的测量仪器，其特征在于，该传感器（4）是超导量子干涉仪SQUID。
5.根据权利要求3所述的测量仪器，其特征在于，所述磁场源（3）是所述传感器（4）的一部分。
6.根据权利要求3所述的测量仪器，其特征在于，所述负载区域（2）具有来自组Ag、Au、Pt或它们的合金的常导金属。
7.根据权利要求3-6之一所述的测量仪器，其特征在于，在形成叠层的电极（21a、21b）之间的隧道接触部（22）具有来自组AlOx、MgO、AlN、MgO-NiO-MgO、PrBa2Cu3O7-x或者SrTiO3的绝缘体材料，其中所述线环（1）和/或磁场源（3）能够被构造成具有1μm或更小的层厚度的薄层。
8.根据权利要求3-6之一所述的测量仪器，其特征在于，所述线环（1），即“拾取线圈”，和/或所述磁场源（3），即“输入耦合线圈”，是分别具有至少一个绕组的线圈，其中
·所述拾取线圈（1）具有1cm或更大的直径，和/或
·所述输入耦合线圈（3）能够具有3mm或更小的直径。
9.根据权利要求8所述的测量仪器，其特征在于，所述拾取线圈（1）具有3cm或更大的直径。
10.根据权利要求9所述的测量仪器，其特征在于，所述拾取线圈（1）具有5cm或更大的直径。
11.根据权利要求8所述的测量仪器，其特征在于，输入耦合线圈（3）与拾取线圈（1）的直径的比例为最高0.1。
12.根据权利要求8所述的测量仪器，其特征在于，所述输入耦合线圈（3）具有所述拾取线圈（1）的80%至120%之间的电感。
13.根据权利要求8所述的测量仪器，其特征在于，所述拾取线圈（1）和所述输入耦合线圈（3）能够具有相同的电感。
14.根据权利要求8所述的测量仪器，其特征在于，输入耦合线圈（3）与拾取线圈（1）的绕组数的比例至少为输入耦合线圈（3）与拾取线圈（1）的直径的比例的平方根那样大。
15.根据权利要求3-6之一所述的测量仪器，其特征在于，所述磁场源（3）至少部分地布置在由所述线环（1）围成的区域内。
16.根据权利要求3-6之一所述的测量仪器，其特征在于，所述负载区域（2）具有10-11Ω至10-5Ω之间的电阻。
17.根据权利要求16所述的测量仪器，其特征在于，所述负载区域（2）具有10-11Ω至10-6Ω之间的电阻。
18.根据权利要求3-6之一所述的测量仪器，其特征在于，所述磁通变换器具有1nH至1mH之间的电感。
19.根据权利要求18所述的测量仪器，其特征在于，所述磁通变换器具有10nH至100μH之间的电感。
20.根据权利要求3-6之一所述的测量仪器，其特征在于，至少当基本材料处于超导状态时，在磁通变换器中循环的电流具有1ms至106s之间的豫驰时间τ。
21.根据权利要求20所述的测量仪器，其特征在于，至少当基本材料处于超导状态时，在磁通变换器中循环的电流具有3ms至300s之间的豫驰时间τ。
22.根据权利要求3-6之一所述的测量仪器，其特征在于，所述磁通变换器的、描述要测量的磁场或磁场梯度到辅助磁场的转换的传输函数是高通，所述高通能够具有1μHz至1kHz之间的截止频率f0。
23.根据权利要求22所述的测量仪器，其特征在于，所述截止频率f0位于3mHz至300Hz之间。
24.根据权利要求3-6之一所述的测量仪器，其特征在于，线环（1）和磁场源（3）被接线为使得要测量的磁场在由所述线环（1）围成的面积上的空间均匀改变使经过磁场源（3）的电流不改变。
25.根据权利要求3-6之一所述的测量仪器，其特征在于，所述基本材料包含根据通式ZBa2Cu3O7-x的化合物，其中Z是来自组Y,Nd,Gd,Ho,Tm,Tb,Dy,Yb,Sm,Er或Eu的元素。
26.根据权利要求3-6之一所述的测量仪器，其特征在于，
·所述磁场源（3）和所述负载区域（2）作为薄层和/或
·所述线环（1）和所述磁场源（3）作为薄层和/或
·所述传感器（4）和所述磁场源（3）
分别在同一衬底上被结构化，或者替代地在分开的衬底上被结构化，所述衬底以其结构化的表面被彼此接合。
27.根据权利要求3-6之一所述的测量仪器，其特征在于，所述传感器（4）和所述磁场源（3）位于磁屏蔽体内。
28.用于生物磁测量、地理磁测量、无损材料检查和/或材料研究的测量系统，其特征在于，所述测量系统包含根据前述权利要求之一所述的测量仪器或电阻元件。
29.根据权利要求22所述的测量仪器，其特征在于，所述磁通变换器的、描述要测量的流到辅助磁场的转换的传输函数对于高通的截止频率f0至1MHz之间的频率是能通过的。
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