DD248870A1 - Anordnung zum hochempfindlichen nachweis elektromagnetischer strahlung mit supraleitendem quanteninterferenz- detektor - Google Patents

Abstract

Es wird eine Anordnung zum hochempfindlichen Nachweis elektromagnetischer Strahlung angegeben, bei der fuer den Empfang der Strahlung eine ebene Streifenleitung vorgesehen ist, die aus zwei uebereinanderliegenden, durch eine duenne Isolationsschicht getrennte duennen supraleitenden Schichten besteht und die mit der supraleitenden Eingangsspule eines SQUIDs einen geschlossenen Kreis bildet, in dem ein Suprastrom fliesst. Zur Erzeugung des Suprastromes enthaelt der geschlossene supraleitende Kreis einen normal oder supraleitend umschaltbaren Bereich, an dessen Ende sich unmittelbar Stromzuleitungen befinden.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Wegen des Einsatzes des supraleitenden Quanteninterferenz-Detektors liegt die Arbeitstemperatur der Anordnung zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung im Temperaturbereich von wenigen Kelvin. Vorteilhafterweise wird die Anordnung zum hochempfindlichen Nachweis von Strahlung im infraroten Gebiet benutzt. Sie kann als Meßelement in der Infrarotspektroskopie eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Anordnungen zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge und insbesondere für den infraroten Bereich sind als Bolometer bekannt. Für ihren Betrieb ist für den Fall hoher Nachweisempfindlichkeit ihre Abkühlung auf Temperaturen von wenigen Kelvin erfoYderlich. Nach CL. Bertin und K.Rose, J. Appl. Phys.42 (1971) 163 werden für Bolometer hoher Empfindlichkeit Supraleiter oder Halbleiter in Form von dünnen Schichten benutzt, bei denen in einem eng begrenzten Temperaturbereich eine sehr große Änderung des Widerstandswertes mit der Temperatur auftritt. Die einwirkende elektromagnetische Strahlung wird in der dünnen Schicht und deren Träger in Wärme umgewandelt und bewirkt so einen Temperaturanstieg, der als Widerstandsänderung elektrisch nachgewiesen wird. Die Größe des Temperaturanstieges und die daraus resultierende Widerstandsänderung wird wesentlich durch den Wärmewiderstand zwischen der Schicht und ihrem Träger und einem Wärmereservoir, das sich bei der Arbeitstemperatur befindet, sowie von der Wärmekapazität der Schicht und des Trägers bestimmt. Wegen des eng begrenzten Temperaturbereiches, in dem die große Widerstandsänderung vorhanden ist, wird bei großem Wärmewiderstand und kleiner Wärmekapazität zwar eine hohe Empfindlichkeit fürden Strahlungsnachweis erreicht, wegen der relativ langsamen Abnahme der Temperatur der Schicht und des Trägers ohne Einstrahlung kann der Nachweis jedoch nur für geringe Frequenzen erfolgen. Bei kurzzeitiger Einwirkung starker Strahlungsintensität wird der Bereich großer Widerstandsänderung schnell verlassen, und für die Zeitdauer der abklingenden Übertemperatur ist der Nachweis von Strahlung mit dem Empfänger nicht möglich. Weitere Nachteile von Bolometern mit Schichten mit temperaturabhängigem Widerstand bestehen darin, daß der zur Widerstandsmessung nötige Strom im Empfängerelement ebenfalls Wärme erzeugt, die je nach Arbeitspunkt unterschiedlich ist. Deshalb muß die Temperatur des Wärmereservoirs aufwendig stabilisiert werden. Weiterhin muß für den hochempfindlichen Nachweis mit einer sehr hohen Betriebsstromkonstanz gearbeitet werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zum hochempfindlichen Nachweis elektromagnetischer Strahlung zu schaffen, die hohe Nachweisfrequenzen zuläßt und deren Dynamikbereich genügend groß ist, um Totzeiten für den Strahlungsnachweis weitestgehend auszuschließen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum hochempfindlichen Nachweis elektromagnetischer Strahlung anzugeben, deren Nachweisfrequenz nicht durch einen zu schmalen Temperaturbereich hoher Empfindlichkeit begrenzt wird, bei der Totzeiten nach Einwirkung hoher Strahlungsintensität weitestgehend ausgeschlossen sind, die keine aufwendige Temperaturstabilisierung des Wärmereservoirs benötigt, die keine Eigenerwärmung durch den Arbeitsstrom zuläßt und bei der eine Stabilisierung des Arbeitsstromes nicht nötig ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für den Empfang der Strahlung eine ebene Streifenleitung vorgesehen ist, die aus zwei übereinanderliegenden, durch eine dünne Isolationsschicht getrennte dünne supraleitenden Schichten besteht, und die mit der supraleitenden Eigangsspule eines SQUIDs einen geschlossenen supraleitenden Kreis bildet, in dem ein Suprastrom fließt. Wegen der Temperaturabhängigkeit der Eindringtiefen der dünnen supraleitenden Schichten, die im gesamten Temperaturbereich unterhalb der kritischen Temperatur vorhanden ist, hat die ebene Streifenleitung eine temperaturabhängige Induktivität. Da in einem geschlossenen supraleitenden Kreis das Fluxoid konstant bleiben muß, wird die durch die einfallende Strahlung bewirkte Induktivitätsänderung der ebenen Streifenleitung zu einer Änderung des kreisenden Suprastromes führen. Diese wird mit dem SQUID gemessen. Erfindungsgemäß hat die ebene Streifenleitung die Form eines Mäanders oder einer Spirale und die beiden übereinanderliegenden dünnen supraleitenden Schichten sind an einem Ende der Streifenleitung miteinander und am anderen Ende mit der supraleitenden Eingangsspule des SQUIDs verbunden. In einer anderen erfindungsgemäßen Anordnung ist die erste dünne supraleitende Schicht, die die Form eines Mäanders oder einer Spirale hat, mit ihren beiden Enden mit der supraleitenden Eingangsspule des SQUIDs verbunden, und die zweite dünne supraleitende Schicht ist von der ersten durch die dünne Isolationsschicht getrennt und weder strukturiert noch kontaktiert. Die kritischen Temperatüren der beiden dünnen supraleitenden Schichten können in beiden Anordnungen gleich oder unterschiedlich sein. Der in dem geschlossenen supraleitenden Kreis fließende Suprastrom kann durch ein während der Abkühlung der Anordnung auf tiefe Temperaturen anliegendes Magnetfeld geeigneter Richtung, das nach erfolgter Abkühlung abgeschaltet wird, erzeugt werden. Vorzugsweise enthält der geschlossene supraleitende Kreis der Anordnung zur Erzeugung des Suprastromes jedoch erfindungsgemäß einen durch einen Steuerstrom in den normalleitenden Zustand umschaltbaren Bereich, an dessen beiden Enden sich unmittelbar zwei Stromzuleitungen befinden. Bei abgekühlter Anordnung wird ein Strom in die Zuleitungen eingeschaltet, während sich der umschaltbare Bereich durch Einspeisen eines Steuerstromes im normalleitenden Zustand befindet. Durch Abschalten des Steuerstromes geht der umschaltbare Bereich in den supraleitenden Zustand über. Wird jetzt der Strom zu den Stromzuleitungen abgeschaltet, bildet sich wegen der Erhaltung des Fluxoids der kreisende, nicht abklingende Suprastrom. Vorzugsweise handelt es sich bei dem umschaltbaren Bereich um einen Josephson-Tunnelkontakt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung ist eine Anordnung zum hochempfindlichen Strahlungsnachweis dargestellt. Die Zeichnung zeigt das Prinzip der Anordnung, ist aber der klareren Darstellung wegen nicht maßstabsgerecht und gibt die Größenverhältnisse verschiedener Teile gegeneinander nicht richtig wieder. Es ist eine ebene Streifenleitung dargestellt, die aus einer ersten dünnen supraleitenden Schicht 1, aus einer dünnen Isolationsschicht 2 und aus einer zweiten dünnen supraleitenden Schicht 3 besteht. Die beiden Enden der spiralförmigen ersten dünnen supraleitenden Schicht 1 sind mit einer supraleitenden Eingangsspule 4 eines SQUIDs 5 und mit einem in den supra- oder normalleitenden Zustand umschaltbaren Bereich 6 zu einem geschlossenen supraleitenden Kreis verbunden, in dem während des Betriebes der Anordnung ein Suprastrom fließt. Die nachzuweisende elektromagnetische Strahlung wirkt auf die Streifenleitung ein und erhöht ihre Temperatur. Wegen der Temperaturabhängigkeit der Eindringtiefe der ersten dünnen supraleitenden Schicht 1 'und der zweiten dünnen supraleitenden Schicht 3 hat die Streifenleitung eine temperaturabhängige Induktivität. Da in einem geschlossenen supraleitenden Kreis das Fluxoid konstant bleiben muß, wird die durch die einwirkende elektromagnetische Strahlung hervorgerufene Induktivitätsänderung zu einer Änderung des kreisenden Suprastromes führen. Diese wird mit dem SQUID 5 gemessen. Die erste dünne supraleitende Schicht 1 hat eine andere kritische Temperatur als die zweite dünne supraleitende Schicht 3. Die Dicken der ersten und der zweiten dünnen supraleitenden Schichten 1, 3 und der dünnen Isolationsschicht 2 liegen in der Größenordnung der Eindringtiefen des Magnetfeldes der supraleitenden Schichten. Der Suprastrom im geschlossenen supraleitenden Kreis wird bei der Inbetriebnahme der Anordnung so erzeugt, daß zunächst ein Strom in der Steuerstromschleife 8 den umschaltbaren Bereich 6 in den normalleitenden Zustand bringt. Jetzt wird ein Speisestrom in die Stromzuleitungen 7 geschickt, der durch die Streifenleitung und die supraleitende Eingangsspule 4 fließen wird. Nach Abschalten des Stromes durch die Steuerstromschleife 8 geht der umschaltbare Bereich 4 wieder in den supraleitenden Zustand über. Jetzt wird der Speisestrom abgeschaltet und wegen der Erhaltung des Fluxoids im geschlossenen supraleitenden Kreis bildet sich ein nicht abklingender Suprastrom heraus. Der umschaltbare Bereich 4 ist ein Supraleiterschichtstreifen, dessen kritisches Magnetfeld durch die Wirkung des Stromes in der Steuerstromschleife 8 überschritten wird.

Claims (6)

1. Anordnung zum hochempfindlichen Nachweis elektromagnetischer Strahlung mit SQUID, dadurch gekennzeichnet, daß für den Empfang der Strahlung eine ebene Streifenleitung vorgesehen ist, die aus zwei übereinanderliegenden, durch eine dünne Isolationsschicht getrennte dünnen supraleitenden Schichten besteht und die mit einer supraleitenden Eingangsspule eines SQUIDs einen geschlossenen supraleitenden Kreis bildet, in dem ein Suprastrom fließt.

2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenleitung die Form eines Mäanders oder einer Spirale besitzt, und daß die beiden übereinanderliegenden dünnen supraleitenden Schichten an einem Ende der Streifenleitung miteinander und am anderen Ende mit der supraleitenden Eingangsspule des SQUIDs verbunden sind.

3. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenleitung aus einer ersten dünnen supraleitenden Schicht, die die Form eines Mäanders oder einer Spirale besitzt und die mit ihren beiden Enden mit der supraleitenden Eingangsspule des SQUIDs verbunden ist, und aus einer zweiten davon durch eine dünne Isolationsschicht getrennte, nicht kontaktierten dünnen supraleitenden Abschirmschicht besteht.

4. Anordnung nach Punkt 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden dünnen supraleitenden Schichten unterschiedliche kritische Temperaturen haben.

5. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Suprastromes der geschlossene supraleitende Kreis außer der Streifenleitung und der supraleitenden Eingangsspule des SQUIDs einen durch einen Steuerstrom in den normalleitenden Zustand umschaltbaren Bereich enthält, an dessen beiden Enden sich unmittelbar zwei Stromzuleitungen befinden.

6. Anordnung nach Punkt 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in den normalleitenden Zustand umschaltbare Bereich ein Josephson-Tunnelkontakt ist.