CS258677B1

CS258677B1 - Hybrid toroidal dual beam SQUID sensor

Info

Publication number: CS258677B1
Application number: CS867571A
Authority: CS
Inventors: Vladimir Zrubec
Original assignee: Vladimir Zrubec
Priority date: 1986-10-20
Filing date: 1986-10-20
Publication date: 1988-09-16
Also published as: CS757186A1

Abstract

Hybridný toroidný dvojdierový snímač SQUID je určený pre supravodivé kvantové magnetometrie. Jeho podstata spočívá v umiestnení tenkovrstvového dvojslučkového SQUID-u do uzavretého masívneho supravodivého telesa s dvomi vnútornými toroidnými dutinami navzájom spojenými koaxiálnou štrbinou. Tenkovrstvový dvojslučkový SQUID jednoduchého doštičkového tvaru bez mechanických otvorov, možno vložit do priečnej štrbiny v prstenci medzi toroidnými dutinami. alebo· do radiálnej štrbiny v strednej časti základného telesa. V toroidnýeh dutinách je vložená vstupná supravodivá cievka a vysokofrekvenčná budiaca a spátncvázobná cievka. Tenkovrstvové d.vojslučkové SQUIDy možu byť vložené do viacerých priečnych a do dvoch radiálnych štrbín. Sposob jeho prevedenia možno využit pri výrobě supravodivých snímačov SQUID so zvýšenou dlhodobou stabilitou parametrov.The hybrid toroidal two-hole SQUID sensor is designed for superconducting quantum magnetometry. Its essence lies in placing a thin-film two-loop SQUID in a closed massive superconducting body with two internal toroidal cavities interconnected by a coaxial slot. A thin-film two-loop SQUID of a simple plate shape without mechanical holes can be inserted into a transverse slot in the ring between the toroidal cavities. or into a radial slot in the central part of the base body. An input superconducting coil and a high-frequency excitation and feedback coil are inserted into the toroidal cavities. Thin-film two-loop SQUIDs can be inserted into several transverse and two radial slots. The method of its implementation can be used in the production of superconducting SQUID sensors with increased long-term stability of parameters.

Description

Vynález sa týká hybridného toroidnéhodvojiderového snímača SQUID s vysokofrek-venčným budením, určeného pre supravodivékvantové magnetometre používané na me-ranie velmi slabých magnetických polí.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a hybrid toroidal dual-radion sensor SQUID with a high frequency excitation designed for superconducting quantum magnetometers used to measure very weak magnetic fields.

Supravodivé snímače SQUID s vysokofrek-venčným budením pracujú na principe vy-užitia Josephsonovho javu a sú v podstatětvořené supravodivými prstencami s vlože-ným Josephsonovým spojom. U prstencovvytvořených z masívneho supravodiča spra-vidla je tento spoj tvořený velmi jemnýmdotykem ostrého hrotu skrutky zo supravo-divého materiálu a u prstencov zhotovenýchtechnológiou tenkých vrstiev tenkým supra-vodivým submikronmetrovým mostikom, ale-bo tunelovým spojom. Základným problé-mem v prvom případe je nastavenie a dosia-hnutie dlhodobej stability jemného dotykuhrotu. V druhom případe sú to problémy sdosiahnutím dostatočne tesnej induktívnejvazby meraného signálu na snímač. Tietonedostatky sa v menšej miere prejavujú uhybridných snímačov SQUID, u ktorých sapoužívá kombinácia prstenca z masívnehosupravodiča a tenkovrstvového Joeephsonov-ho spoja. Doteraz najrozšírenejšie hybridnětoroidné snímače SQUID s vysokofrekvenč-ným budením používajú tenkovrstvové spojes galvanickým dotykom na steny štrbiny, čoje příčinou nestability a zníženej životnostisnímačov. Hybridně snímače s induktívnouvazbou tenko vrstvových Josephsonovýchstruktur na masívny supravodivý prstenec vznámých jedno- i dvojdierových prevede-niach majú v porovnaní s nimi zníženú cit-livost spósobenú nižším výsledným koefi-cientom vazby vstupných vázobných cievokna tenkovrstvový SQUID.Superconducting SQUIDs with high frequency excitation work on the principle of using Josephson's phenomenon and are essentially formed by superconducting rings with embedded Josephson joints. In rings made of a massive superconductor, this joint is formed by a very fine touch of the sharp tip of the superconductor material and a thin supra-conductive submicron meter bridge or tunnel connection in thin-film technology. The basic problem in the first case is the adjustment and achievement of long-term stability of the fine touch. In the latter case, problems are encountered by achieving a sufficiently tight inductive coupling of the measured signal to the sensor. These scales are to a lesser extent manifested by hybrid SQUID sensors, which use a combination of a ring from a massive driver and a thin film Joeephson joint. So far, the most widely used high-frequency excitation SQUID hybrid transducers use thin-film couplings with galvanic touch on the slit walls, causing instability and reduced lifetime sensors. Hybrid sensors with inductive binding of thin-layered Josephson structures to a massive superconductive ring of both single and double-hole designs have reduced sensitivity due to the lower resulting coefficient of binding of the binding binding coil thin film SQUID.

Uvedené nedostatky v podstatnej miereodstraňujú hybridný toroidný dvojdierovýsnímač SQUID podl’a vynálezu, ktorého pod-stata spočívá v tom, že vo vnútri základné-ho supravodivého telesa sú dve toroidné du-tiny navzájom oddělené prstencem, ktoré súspojené koaxiálnou štrbinou. V prstenci jepriečna štrbina, do ktorej je vložený tenko-vrstvový dvojslučkový SQUID, ktorého jed-na slučka je induktivně spojená s jednoutoroidnou dutinou a druhá slučka s druhoutoroidnou dutinou, alebo je tenkovrstvovýdvojslučkový SQUID vložený do radiálnejštrbiny v strednej časti základného supravo-divého telesa a jeho ohidve slučky sú induk-tivně spojené s jednou toroidnou dutinou. Vtoroidných dutinách je vstupná supravodivácievka pozostávajúca z dvoch sériovo spo-jených sekcií a vysokofrekvenční budiacaa spátnovSzoibná cievka pozostávajúca tiežz dvoch sériovo spojených sekcií, pričom jed-na sekcia každej cievky je vložená do jed-nej spoločnej toroidnej dutiny a druhé šek-ele, protifázovo vinuté oproti prvým sekciám,sú vložené do druhej toroidnej dutiny. Nie-ktoré zo sekcií cievok můžu byť aj volné.Vývody cievok sú vyvedené cez otvory v čel-ných stěnách základného supravodivého te- lesa. V prstenci může byť viac priečnychštrbín, do ktorých sú vložené tenkovrstvovédvojslučkové SQUID-y. Podobné v strednejčasti základného supravodivého telesa mů-žu byť až dve radiálně štrbiny, do ktorýchsú vložené dva tenkovrstvové dvojslučkovéSQUID-y, pričom jeden z nich má ohidve sluč-ky induktivně spojené s jednou toroidnoudutinou a druhý s druhou toroidnou duti-možu byť súčasne vložené aj v priečnych ajv radiálnych štrbinách. Výhodou vynálezu je lepšila vazba vstup-ných cievok a tým aj vstupného^ signálu natenkovrstvový SQUID. Přitom dve toroidnédutiny použitelné pre vstupné cievky umož-ňujú aj pri malých rozměrech dosiahnúť váč-šiu vstupnú indukčnost supravodivých kvan-tových magnetometrov, čo bývá obvykleproblémom. Uzavretý toroidný tvar zabez-pečuje aj vysoký stupeň odolnosti voči von-kajším rušivým magnetickým poliam a uleh-čuje hermetizáciu snímača zlepšujúcu dlho-dobú stabilitu parametrov vloženého tenko-vrstvového dvojslučkového SQUIDu.The above mentioned drawbacks are substantially eliminated by the hybrid toroidal two-hole sensor SQUID according to the invention, the principle of which is that inside the basic superconducting body there are two toroidal duets separated by a ring which are connected by a coaxial slot. In the ring there is a nip, into which a thin-layer double-loop SQUID is inserted, whose single loop is inductively coupled to the one-throat cavity and the second loop to the second-throat cavity, or the thin-layer dual-loop SQUID is inserted into the radial crevice in the central part of the superconductive body and its The loops are inductively coupled to one toroidal cavity. Vtoroidal cavities are a superconducting inlet consisting of two series-connected sections and a high-frequency excitation sleep-coil consisting of two series-connected sections, one section of each coil being inserted into one common toroidal cavity and the other one of the shafts, anti-phase wound versus the first sections are inserted into the second toroidal cavity. Some of the coil sections can also be loose. The coil outlets are routed through openings in the front walls of the basic superconducting body. There may be a plurality of transverse ridges in which the thin-layered double-SQUIDs are inserted. Similarly, in the middle of the base superconducting body, there may be up to two radial slots into which two thin-layered double-core SQUIDs are inserted, one of which has inductively coupled loops to one toroidal cavity, and the other with a second toroidal cavity may be simultaneously inserted in transverse and radial slots. An advantage of the invention is to improve the binding of the input coils and thus the input signal to the coated SQUID. In doing so, two toroidal cavities usable for input coils make it possible, even with small dimensions, to achieve higher input inductance of superconducting quantum magnetometers, which is usually a problem. The closed toroidal shape also provides a high degree of resistance to external interfering magnetic fields and facilitates the hermetization of the sensor to improve the long-term stability of the embedded thin-layer double-loop SQUID.

Vnútorná štruktúra snímača přitom umož-ňuje jednoducho využit aj špeciálny pra-covný režim využívajúci interferenčněefekty vznikajúce pri použití viacerýchtenkovrstvýcih dvojslučkových SQUID-ov.The internal structure of the sensor also makes it possible to easily use a special working mode using interferential effects arising from the use of multiple-layered double-loop SQUIDs.

Variant s priečnou štrbinou v prstencidovoluje používat tenkovrstvové SQUID-ys malou vzájomnou vzdialenostou ich slu-čiek nezávisle od velkosti priemeru toroid-ných dutin. Pri zvačšovaní priemeru toroid-ných dutin proto nedochádza k zhoršovaniuvázobných pomerov. Podstatnou přednostouje, že dovoluje využit přednosti tenkovrstvoi-vých technologií výroby Josephsonovýchspojov, čo spolu s technologicky pre kon-štrukciu a výrobu výhodným tvarom jeho zá-kladného supravodivého telesa a pravoúh-lým tvarom nosnej deštičky tenkovrstvové-ho SQUID-u bez mechanických otvorov, za-bezpečuje rozhodujúce podmienky pre uplat-nenie v sériovej výrobě.The transverse slit variant allows the use of thin-film SQUID-ys with a small mutual spacing of their loops independent of the diameter of the toroidal cavities. Therefore, when the diameter of the toroidal cavities is increased, there is no deterioration in the bonding ratio. An essential advantage is that it allows the advantage of Josephson's thin film manufacturing technology to be exploited, which, together with the design and manufacturing technology, is the advantageous shape of its basic superconducting body and the rectangular shape of the thin-film SQUID support without mechanical holes. - ensures decisive conditions for application in series production.

Na pripojenom výkrese na obr. 1 je zná-zorněný pohlad na vnútorné usporiadaniesnímača s priečnou štrbinou v prstenci. Naobr. 2 je pohlad na snímač s radiálnou štr-binou v strednej časti základného supravo-divého' telesa. Na obr. 3 je naznačený tvartenkovrstvového dvojslučkového SQUID-u skrížikom vyznačeným Josephsonovým spo-jom a čierne vyznačenou napařenou vrst-vou supravodivého materiálu. Na obr. 4 jeznázorněné uloženie vstupnej supravodiveja vysokofrekvenčnej budiacej a spátnová-zobnej cievky. V základnám supravodivom telese, ktorétvoří súčasne vonkajší plášť snímača, sú sú-osovou umiestnené dve toroidné dutiny 2,ktoré sú oddělené prstencom 3 tvoriacimsúčasť základného supravodivého telesa 1.Toroidné dutiny 2 sú navzájom spojené ko-axiálnou štrbinou 4, ktorá vzniká medzi prs-tencom 3 a střednou častou 8 základnéhosupravodivého telesa 1. Do prieonej štrbinyIn the accompanying drawing, Fig. 1 shows a view of the inner arrangement of the transverse slot in the ring. Naobr. 2 is a view of a radial transducer sensor in the central portion of the supravo-wild core. Fig. 3 shows a two-layered SQUID cross-section through a cross-hinge marked by Josephson and a black-depicted layer of superconducting material. FIG. 4 shows a deposition of an input superconducting high frequency excitation and return coil. Two toroidal cavities 2, which are separated by a ring 3 forming part of the basic superconducting body 1, are disposed axially in the superconducting body bases, which simultaneously form the sensor outer casing. The toroidal cavities 2 are connected to each other by a co-axial slot 4 which arises between the breast. 3 and the middle part 8 of the basic conductive body 1. Into the aperture slot

Claims

253677 5 in the ring 3 is inserted a thin-layer double-loop SQUID 6 plate-shaped so that each of its loops has an inductive bond with one toroidal cavity 2, and the other with a second toroidal cavity 2. Alternatively, the thin-layer double-loop SQUID 6 can be inserted into the radial slot 7 in the middle part 8 of the basic superconducting body 1 so that its two loops are inductively coupled to one toroidal cavity 2. In the toroidal cavities 2, an input superconducting coil and a high frequency excitation coil are inserted, which usually also performs the coil of the back-coupling . The input superconducting element consists of sections 9, 10 which are connected in series and each located in the inejoidal cavity. Sections 9, 10 are counter-phase mutually opposite. A similar high-frequency excitation and low-current coil consists of a series of prototypes connected, sections 11, 12. Each of them is in another toroidal cavity 2. It is sufficient for the function of the sensor to use only one of the sections 9, 10 or only one of the sections 11, 12. Variants of possible configurations manifest themselves largely in changing the input inductance of the superconducting quantum magnetometers in which the sensor is used. The coil outlets are passed through the apertures 13 in the front walls 14 of the base superconducting body 1. A transducer operation using interpreferential processes between multiple Josephine joints can employ a number of two-layered two-compartment SQI-Ds * 6 located in the same number of cross-sections. slots 5 formed in the ring

A hybrid toroidal two-hole transducer, characterized in that v, within the principal superconducting body (1j, are two-axis toroidal cavities (2) separated by an annular ring (3j which are connected by a coaxial slot (4j, wherein in the ring) (3) a transverse slot (5) into which is inserted a two-layered SQUID (6), one loop being inductively coupled to one toroidal cavity (2), and a second loop with a second toroidal cavity (2j, or jet-layer double-loop SQUID) (6) inserted into the radial slot (7) in the middle time (8) of the base * superconducting body (1j, and its two loops are inductively coupled to one toroidal cavity (2)).

2. Hybrid toroidal two-hole sensorQUID according to claim 1, characterized in that in the toroidal cavities (2) there is an input-conducting coil consisting of * series-connected sections (9, 10) and a high-frequency excitation and feedback coil consisting of the serially connected sections (1112), wherein the sections (9, 11) are inserted into a single toroidal cavity (2) and the sections (10, 12), PLAINED in a second phase opposite the sections (9) and (11) are inserted into the other the toroidal cavity (2), or some of the (9, 10, 11, 12) co-axial sections and the coil outlets are passed through openings (13) in the end walls (14) of the basic superconducting body (1).

3. Hybrid toroidal two-hole transducer SQUID according to clauses 1 and 2, characterized in that there is a plurality of transverse tufts (5) in which the thin-layer double-loop SQUIDs (6) are inserted in the ring (3).

3. Similarly, up to two thin-layer double-loop SQUIDs 6 inserted in the radial slots 7, which are formed in the central part 8 of the base body 1 in the places of both toroidal cavities 2, can be used. The invention can be used in the manufacture of superconductive SQUID sensors with increased long-term parameter stability in the electrical industry and in the manufacture of superconducting SQUID sensors. basic and applied research. OBJECT

4. Hybrid toroidal two-hole sensorQUID according to clauses 1 and 2, characterized in that in the central part (8) of the basic superconducting body (1) there are two radial slots (7) into which thin-film double-loop SQUIDs are inserted -y (6), wherein one has both loops inductively connected to one toroidal cavity (2) and the other to a second toroidal cavity (2).

5. Hybrid toroidal two-hole sensorQUID according to clauses 1 to 4, characterized in that the thin-layer double-loop SQUIDs (6) are inserted in the transverse slots (5) and in the radial slots (7). 1 sheet of drawings