DE10111619C1

DE10111619C1 - Coupling arrangement for rf-SQUID magnetometer has resonator within space enclosed by rf-SQUID

Info

Publication number: DE10111619C1
Application number: DE2001111619
Authority: DE
Inventors: Yi Zhang; Juergen Schubert; Norbert Wolters; Willi Zander; Marko Banzet
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2001-03-10
Filing date: 2001-03-10
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2021-03-11
Also published as: WO2002073217A2; EP1368664A2; WO2002073217A3

Abstract

The coupling arrangement used between a RF-SQUID magnetometer and a superconductive tank oscillator circuit provided on a substrate has a coplanar structure provided by a resonator (9) and the RF-SQUID (1), the latter having a SQUID-washer structure, the resonator lying within a space enclosed by the RF-SQUID. The resonator may have 2 thin loops at a given relative spacing from one another.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ankopplung eines rf-SQUID- Magnetometers an einen supraleitenden Tankschwingkreis, in welcher ein Resonator und das rf-SQUID eine koplanare Struktur bilden, wobei das rf-SQUID eine SQUID-washer- Struktur aufweist.The present invention relates to an arrangement for coupling a rf-SQUID Magnetometer to a superconducting tank resonant circuit, in which a resonator and the rf-SQUID form a coplanar structure, where the rf-SQUID is a SQUID-washer Structure has.

Eine solche Anordnung bzw. ein solches Layout ist aus DE 197 17 801 C2 bekannt. Die darin beschriebene Anordnung kann als "offene" Anordnung bezeichnet werden, da der Resonator in Form von zwei dünnen Schleifen (loops) den rf-SQUID-washer außen um schließt. Dies hat den Nachteil, daß nur ein sehr geringer Anteil der rf-Energie des Reso nators in die SQUID-Schleife gelangt. Der größte Teil der rf-Energie des Resonators wird in die Umgebung abgestrahlt. Dadurch ist für das Maß der Kopplung zwischen rf-SQUID und Tankschwingkreis bzw. Resonator auch die Umgebung eine zu berücksichtigende Größe.Such an arrangement or layout is known from DE 197 17 801 C2. The arrangement described therein may be referred to as an "open" arrangement, as the Resonator in the form of two thin loops loops the RF SQUID washer outside closes. This has the disadvantage that only a very small proportion of the rf energy of the Reso nators into the SQUID loop. Most of the RF energy of the resonator is radiated into the environment. This is for the degree of coupling between rf-SQUID and tank resonant circuit or resonator also the environment one to be considered Size.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Anordnung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei der keine oder nur ein geringer Teil der rf-Energie in die Umgebung abgestrahlt wird und die somit ein gegenüber der Umgebung "geschlossenes" System dar stellt.The object of the present invention is therefore an arrangement of the generic To create kind, with no or only a small part of the rf energy in the environment is radiated and thus represents a relation to the environment "closed" system provides.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Resonator innerhalb eines von dem rf-SQUID umgrenzten Raumes ausgebildet ist.The object is achieved in that the resonator within one of The rf-SQUID bounded space is formed.

Durch diese Maßnahme erfüllt der rf-SQUID mit seiner Pickup-Loop neben seiner Funkti on als Signalaufnehmer auch die Funktion, den koplanaren Resonator von der Umgebung abzuschirmen. Durch die Abschirmung wird die in die Umgebung abgestrahlte rf-Energie des Resonators viel geringer. Die erfindungsgemäße Anordnung wird nun im Unterschied zu bisherigen Layouts als toroidales Layout bezeichnet.As a result of this measure, the rf-SQUID with its pickup loop fulfills its functi on as a signal pickup also the function, the coplanar resonator of the environment shield. Through the shielding, the rf energy radiated into the environment becomes of the resonator much lower. The arrangement according to the invention is now in difference referred to previous layouts as a toroidal layout.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Un teransprüche 2 bis 10.Further advantages of the present invention will become apparent from the features of Un teransprüche 2 to 10.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der Zeich nungen näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawing described in more detail. Show it:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Anordnung; Fig. 1 is a schematic plan view of a first embodiment of the inventive arrangement;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Anordnung; Fig. 2 is a schematic plan view of a second embodiment of the inventions to the invention arrangement;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht einer dritten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Anordnung; und Fig. 3 is a schematic plan view of a third embodiment of the inventions to the invention arrangement; and

Fig. 4 eine schematische Draufsicht einer vierten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Anordnung. Fig. 4 is a schematic plan view of a fourth embodiment of the inventions to the invention arrangement.

In Fig. 1 ist schematisch ein rf-SQUID 1 dargestellt, der als kreisrunder washer ausgebildet ist. In der Kreisfläche des rf-SQUID 1 ist ein Raum 3 ausgenommen. Der rf-SQUID 1 bil det somit eine Pickup-Schleife 1.1 mit zwei Enden 1.2, 1.3, die wiederum einen schmalen Spalt 5 begrenzen. Die beiden Enden 1.2 und 1.3 sind jeweils über einen Steg 7.1 bzw. 7.2 mit einer zu einem Flächenzentrum R des Raumes 3 und in dieser Ausführungsform auch des Zentrums S des rf-SQUIDs 1 konzentrischen SQUID-Schleife 1.4 verbunden. Der Raum 3 wird also vollständig durch einen kreisbogenförmigen Innenwandabschnitt 1.5 der Pickup-Schleife 1.1, die beiden Stege 7.1 und 7.2 sowie die SQUID-Schleife 1.4 begrenzt.In Fig. 1, an rf-SQUID 1 is schematically shown, which is formed as a circular washer. In the circular area of the rf-SQUID 1 , a space 3 is excluded. The RF SQUID 1 thus forms a pickup loop 1.1 with two ends 1.2 , 1.3 , which in turn delimit a narrow gap 5 . The two ends 1.2 and 1.3 are each connected via a web 7.1 or 7.2 with a to a surface center R of the space 3 and in this embodiment, the center S of the rf-SQUIDs 1 concentric SQUID loop 1.4 . The space 3 is thus completely bounded by a circular arc-shaped inner wall section 1.5 of the pickup loop 1.1 , the two webs 7.1 and 7.2 and the SQUID loop 1.4 .

In dem Raum 3 ist koplanar zu dem rf-SQUID 1 bzw. der Pickup-Schleife 1.1, ein Reso nator 9 konzentrisch zu dem Zentrum R bzw. S angeordnet. Der Resonator 9 umfaßt in der vorliegenden Ausführungsform zwei dünne Schleifen 9.1 und 9.2. Über die Länge des Re sonators 9 kann das Maß der Kopplung an unterschiedliche Bedingungen angepaßt bzw. auf unterschiedliche Bedingungen eingestellt werden.In the space 3 coplanar to the rf-SQUID 1 and the pickup loop 1.1 , a resonator 9 is arranged concentrically to the center R and S respectively. The resonator 9 in the present embodiment comprises two thin loops 9.1 and 9.2 . Over the length of the Re sonators 9 , the degree of coupling can be adapted to different conditions or adjusted to different conditions.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Grundform der Anordnung ist nicht mehr kreisrund sondern quadratisch. Der Raum 3 wird nicht mehr unter anderem durch einen einzigen kreisbogenförmigen Innenwandabschnitt 1.5 sondern durch vier gerade Innenwandabschnitte 1.5 begrenzt, die jeweils in einem rechten Winkel zueinander stehen und parallel zu entsprechenden Außenwandabschnitten 1.6 verlaufen. Auch der Resonator 9 mit seinen beiden dünnen Schleifen 9.1 und 9.2 ist entsprechend eckig ausgebildet, wobei die einzelnen geraden Schleifenabschnitte parallel zu den Innenwandabschnitten 1.5 verlaufen. Auch in dieser Ausführungsform ist der Reso nator 9 konzentrisch zu den Zentren R und S des Raumes 3 bzw. des SQUIDs 1 angeordnet.In FIG. 2, a second embodiment of the present invention is shown. The basic form of the arrangement is no longer circular but square. The space 3 is no longer bounded inter alia by a single circular arc-shaped inner wall section 1.5 but by four straight inner wall sections 1.5 , each of which is at right angles to each other and parallel to corresponding outer wall sections 1.6 . Also, the resonator 9 with its two thin loops 9.1 and 9.2 is formed correspondingly angular, wherein the individual straight loop portions extend parallel to the inner wall sections 1.5 . Also in this embodiment, the resonator 9 is arranged concentrically with the centers R and S of the space 3 and the SQUID 1 , respectively.

In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Grundform ist wie in der zweiten Ausführungsform eckig und insbesondere viereckig bzw. quadratisch. Der Raum 3 ist allerdings nur auf eine Flächenhälfte des washer-rf-SQUIDs 1 beschränkt, nämlich die Flächenhälfte, in der nicht der Spalt 5 liegt, wobei die Innen wandabschnitt 1.5 parallel zu den entsprechenden Außenwandabschnitten 1.6 verlaufen. Der Raum 3 hat in Draufsicht eine Brückenform unter Überbrückung des Zentrum 5 des rf- SQUIDs 1. Auch der Resonator 9 hat eine entsprechende Brückenform. In dieser Ausfüh rungsform liegen die beiden Schleifen 9.1 bzw. 9.2 nicht mehr konzentrisch zu einem Raumzentrum R, da dieser nicht mehr zentriert ausgebildet ist. Die Schleifen 9.1 und 9.2 liegen nur noch konzentrisch zu dem Zentrum S des rf-SQUID 1.In Fig. 3, a third embodiment of the present invention is shown. The basic shape is square as in the second embodiment and in particular quadrangular or square. However, the space 3 is limited to only one surface half of the washer-rf-SQUID 1 , namely the surface half, in which the gap is not 5 , wherein the inner wall section 1.5 parallel to the corresponding outer wall sections 1.6 . The space 3 has a bridge shape in plan view, bridging the center 5 of the rf-SQUID 1 . Also, the resonator 9 has a corresponding bridge shape. In this embodiment, the two loops 9.1 and 9.2 are no longer concentric with a center of space R, since this is no longer centered. The loops 9.1 and 9.2 are only concentric with the center S of the rf-SQUID 1 .

In Fig. 4 ist eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Grundform ist wie in der zweiten und dritten Ausführungsform eckig und insbesondere viereckig bzw. quadratisch. Der Raum 3 ist wie in der dritten Ausführungsform nur auf die Flächenhälfte beschränkt, in der nicht der Spalt 5 liegt. Der Raum 3 ist rechteckig ausge bildet, wobei zwei Innenwandabschnitte 1.5 die ursprüngliche Länge haben und über je weils einen kürzeren Innenwandabschnitt 1.7 miteinander verbunden sind. Der Innen wandabschnitt 1.5 verläuft zu dem Außenwandabschnitt 1.6 parallel, der dem Spalt 5 ge genüberliegt. Der Resonator 9 ist mit seinen beiden Schleifen 9.1 und 9.2 linear ausgebil det und verläuft parallel zu dem Innenwandabschnitt 1.5.In FIG. 4, a fourth embodiment of the present invention is shown. The basic shape is rectangular as in the second and third embodiment and in particular quadrangular or square. The space 3 is limited, as in the third embodiment, only to the surface half in which the gap 5 is not located. The space 3 is rectangular out forms, with two inner wall sections 1.5 have the original length and are connected to each Weil a shorter inner wall section 1.7 with each other. The inner wall section 1.5 extends parallel to the outer wall section 1.6 , which lies opposite the gap 5 ge. The resonator 9 is with its two loops 9.1 and 9.2 linear ausgebil det and extends parallel to the inner wall section 1.5 .

Für alle vorgenannten Ausführungsformen wird ein dielektrisches Substrat mit hohem ε- Wert, z. B. SrTiO, verwendet.For all the aforementioned embodiments, a high-k dielectric substrate is used. Value, e.g. SrTiO.

Die Resonanz-Frequenzen zu den vorgenannten vier Ausführungsformen betragen für die The resonance frequencies to the aforementioned four embodiments are for the

AL=L<erste AusführungsformAL = L <first embodiment zweite Ausführungsformsecond embodiment 215 MHz215 MHz dritte Ausführungsformthird embodiment 425 MHz425 MHz vierte Ausführungsformfourth embodiment 650 MHz650 MHz

Alle Resonatoren haben eine unbelastete Güte von < 5000 bei einer Temperatur von 77 K. Das Rauschen der rf-SQUIDs 1 wurde gemessen. Es beträgt < 50 fT/Hz, bei < 10 Hz.All resonators have an unloaded Q of <5000 at a temperature of 77 K. The noise of the rf SQUIDs 1 was measured. It is <50 fT / Hz, at <10 Hz.

Claims

An arrangement for coupling a rf-SQUID magnetometer to a superconducting tank circuit on a substrate in which a resonator and the rf-SQUID form a coplanar structure, wherein the rf-SQUID has a SQUID-washer structure, characterized in that the resonator ( 9 , 9.1 , 9.2 ) is formed within a space ( 3 ) bounded by the rf-SQUID ( 1 ).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the resonator ( 9 , 9.1 , 9.2 ) has a tuned to the degree of coupling length.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the resonator ( 9 , 9.1 , 9.2 ) has a first thin loop ( 9.1 ) and a second thin loop ( 9.2 ), which are arranged at a distance from each other.

4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the space ( 3 ) has inner walls ( 1.5 ) which are perpendicular to each other.

5. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the space ( 3 ) has an inner wall ( 1.5 ) in the form of a circular arc section.

6. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the resonator ( 9 , 9.1 , 9.2 ) concentric with a center (R) of the space ( 3 ) is arranged.

7. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the resonator ( 9 , 9.1 , 9.2 ) is arranged concentrically to a center (Z) of the rf-SQUIDs ( 1 ).

8. Arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that the first loop ( 9.1 ) and the second loop ( 9.2 ) of the resonator ( 9 ) are linear out forms.

9. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized, the substrate is a dielectric substrate with a high ε value.

10. Arrangement according to claim 9, characterized, that the substrate is SrTiO.