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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
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.Because of the use of the superconducting quantum interference detector, the operating temperature of the arrangement for detecting electromagnetic radiation in the temperature range of a few Kelvin. Advantageously, the arrangement is used for the highly sensitive detection of radiation in the infrared region. It can be used as a measuring element in infrared spectroscopy.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
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.Arrangements for detecting electromagnetic radiation of different wavelengths and in particular for the infrared range are known as bolometers. For their operation, in the case of high detection sensitivity their cooling to temperatures of a few Kelvin erfoYderlich. After CL. Bertin and K. Rose, J. Appl. Phys.42 (1971) 163, superconductors or semiconductors in the form of thin layers are used for high sensitivity bolometers in which a very large change in resistance occurs with temperature over a narrow temperature range. The applied electromagnetic radiation is converted into heat in the thin layer and its carrier and thus causes a temperature increase, which is electrically detected as a change in resistance. The magnitude of the temperature rise and the resulting change in resistance is substantially determined by the thermal resistance between the layer and its support and a heat reservoir that is at the working temperature, as well as the heat capacity of the layer and the support. However, because of the narrow temperature range in which the large change in resistance is present, high sensitivity for radiation detection is achieved with high thermal resistance and small heat capacity, but because of the relatively slow decrease in the temperature of the layer and the carrier without irradiation, the detection may be poor Frequencies take place. Upon short-term exposure to high levels of radiation intensity, the high resistance change range is rapidly exited, and for the duration of the decaying excess temperature, detection of radiation with the receiver is not possible. Further disadvantages of bolometers with layers with temperature-dependent resistance are that the current required for the resistance measurement in the receiver element also generates heat, which differs depending on the operating point. Therefore, the temperature of the heat reservoir must be stabilized consuming. Furthermore, it is necessary to work for the highly sensitive detection with a very high operating current constancy.
Ziel der ErfindungObject of the invention
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.The object of the invention is to provide an arrangement for the highly sensitive detection of electromagnetic radiation which permits high detection frequencies and whose dynamic range is sufficiently large to largely exclude dead times for the detection of radiation.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
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.The invention has for its object to provide an arrangement for the highly sensitive detection of electromagnetic radiation, the detection frequency is not limited by a too narrow temperature range of high sensitivity are largely excluded in the dead times after exposure to high radiation intensity, which requires no expensive temperature stabilization of the heat reservoir, the no Self-heating by the working current permits and in which a stabilization of the working current is not necessary. The object is achieved in that for receiving the radiation, a flat strip line is provided, which consists of two superimposed, separated by a thin insulating layer thin superconducting layers, and forms a closed superconducting circle with the superconducting Eigangsspule a SQUID, in the a supercurrent flows. Because of the temperature dependence of the penetration depths of the thin superconducting layers, which is present in the entire temperature range below the critical temperature, the flat strip line has a temperature-dependent inductance. Since the fluxoid must remain constant in a closed superconducting circuit, the change in inductance of the planar stripline caused by the incident radiation will lead to a change of the circulating supercurrent. This is measured with the SQUID. According to the invention, the planar stripline is in the form of a meander or a spiral and the two superposed thin superconducting layers are connected together at one end of the stripline and at the other end to the superconducting input coil of the SQUID. In another arrangement according to the invention, the first thin superconducting layer, which has the shape of a meander or a spiral, is connected at both ends to the superconducting input coil of the SQUID, and the second thin superconducting layer is separated from the first through the thin insulating layer and neither structured nor contacted. The critical temperatures of the two thin superconducting layers may be the same or different in both arrangements. The supercurrent flowing in the closed superconducting circuit can be generated by a suitable magnetic field applied during the cooling of the assembly to low temperatures, which is switched off after cooling. Preferably, however, according to the invention, the closed superconducting circuit of the arrangement for generating the supercurrent contains a region which can be switched by a control current into the normally conducting state, at the two ends of which there are directly two current supply lines. When cooled arrangement, a current is turned on in the supply lines, while the switchable region is located by feeding a control current in the normal conducting state. By switching off the control current, the switchable region changes into the superconducting state. If now the current is switched off to the power supply lines, forms the circular, not decaying supercurrent because of the preservation of the fluxoid. Preferably, the switchable region is a Josephson tunnel junction.
Ausführungsbeispielembodiment
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.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing, an arrangement for highly sensitive radiation detection is shown. The drawing shows the principle of the arrangement, but for the sake of clarity, is not to scale and does not accurately reflect the proportions of different parts against each other. There is shown a flat strip line consisting of a first thin superconducting layer 1, a thin insulating layer 2 and a second thin superconducting layer 3. The two ends of the spiral-shaped first thin superconducting layer 1 are connected to a superconducting input coil 4 of a SQUID 5 and to a superconducting state switchable region 6 to a closed superconducting circuit in which a supercurrent flows during operation of the device. The detected electromagnetic radiation acts on the stripline and increases its temperature. Because of the temperature dependence of the penetration depth of the first thin superconducting layer 1 'and the second thin superconducting layer 3, the strip line has a temperature-dependent inductance. Since in a closed superconducting circuit the fluxoid must remain constant, the inductance change caused by the applied electromagnetic radiation will lead to a change of the circulating supercurrent. This is measured with the SQUID 5. The first thin superconducting layer 1 has a different critical temperature than the second thin superconducting layer 3. The thicknesses of the first and second thin superconducting layers 1, 3 and the thin insulating layer 2 are on the order of the penetration depths of the magnetic field of the superconducting layers. The supercurrent in the closed superconducting circuit is generated during commissioning of the arrangement so that first a current in the control current loop 8 brings the switchable region 6 in the normal conducting state. Now, a supply current is sent into the power supply lines 7, which will flow through the stripline and the superconducting input coil 4. After switching off the current through the control current loop 8, the switchable region 4 changes again into the superconducting state. Now the supply current is switched off and because of the preservation of the fluxoid in the closed superconducting circuit, an undeviating supercurrent is formed. The switchable region 4 is a superconductor layer strip whose critical magnetic field is exceeded by the action of the current in the control current loop 8.