DE102021123261B3

DE102021123261B3 - Vorrichtung zur Ermittlung von Oberflächenwiderständen

Info

Publication number: DE102021123261B3
Application number: DE102021123261.9A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Keckert; Oliver Kugeler
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2021-09-08
Filing date: 2021-09-08
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2041-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zur Ermittlung eines Oberflächenwiderstands einer Probe (20), wobei die Vorrichtung (100) eine Kavität (50) aufweist, welche dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine radialsymmetrische transversal-magnetische Mode (10) mit einem ersten und einem radial weiter außen gelagerten zweiten Magnetfeld-Minimum (11,12) entlang einer radialen Erstreckungsrichtung der Kavität (50) resonant auszubilden, wobei die Kavität (50) eine Aufnahmeöffnung (51) für die Probe (20) aufweist, wobei die Aufnahmeöffnung (51) so ausgebildet ist, dass wenn die Probe (20) in der Aufnahmeöffnung (51) angeordnet ist, ein um die Probe (20) radial umlaufender Spalt (30) zwischen der Probe (20) und einem Rand der Aufnahmeöffnung (51) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (50) und die Aufnahmeöffnung (51) so ausgeformt sind, dass das zweite Magnetfeld-Minimum (12) sich entlang des Spaltes (30) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein System sowie ein Verfahren zur Ermittlung von Oberflächenwiderständen einer Probe.
Oberflächenwiderstände von metallischen oder halbleitenden Proben, insbesondere supraleitenden Proben werden typischerweise in Kavitäten, insbesondere supraleitendenden Kavitäten bestimmt. Wegen der resultierenden hohen Güte werden häufig supraleitende Materialen, insbesondere Niob, für derartige Kavitäten verwendet. Dabei werden hochfrequente elektromagnetische Wellen in die Kavität eingekoppelt, um dort eine durch die Geometrie der Kavität bestimmte elektromagnetische Feldverteilung zu erzeugen. Die resultierenden elektrischen und magnetischen Feldkomponenten werden in diesem Kontext dazu verwendet, Ströme in der Probe zu beschleunigen bzw. zu induzieren. Während die elektrischen Feldkomponenten insbesondere Anwendung in Teilchenbeschleunigern finden (CERN), werden die magnetischen Feldkomponenten bevorzugt zur Ermittlung von Oberflächenwiderständen verwendet.
Ein Beispiel hierfür ist der Quadrupol-Resonator, wie er z.B. in dem Aufsatz 1 von R. Kleindienst et al. (Commissioning results of the HZB Quadrupole Resonator, SRF2015 - Proceedings, Whistler, BC, Canada, 2015. - ISBN 978-3-95450-178-6, p. WEA1A04/1-7) beschrieben ist.
Diese Anlage enthält vier hohle Niobrohre, welche durch einen die Niobrohre umgebenden, gasdicht geschlossenen äußeren Niobzylinder von der Umgebung isoliert sind. Jeweils zwei der Niobrohre sind dabei paarweise über jeweils einen Polschuh miteinander verbunden. Die beiden Polschuhe sind dabei knapp oberhalb einer hinsichtlich eines Oberflächenwiderstands zu untersuchenden Probe angeordnet. Der Zwischenraum zwischen den hohlen Niobrohren sowie den Polschuhen und der Innenwand des äußeren Niobzylinders bilden die hierfür benötigte Kavität. Durch die längliche Geometrie der Niobrohre und die Form der Polschuhe wird vorteilhaft ein stark auf die Probenoberfläche fokussiertes, hochfrequentes Magnetfeld erzeugt, welches wiederum einen Wechselstrom in der Probe induziert. Da die Probe über einen radial umlaufenden Spalt vom äußeren Niobzylinder thermisch entkoppelt ist, kann so anhand einer kalorimetrischen Messung der Oberflächenwiderstand der Probe sehr genau ermittelt werden.
Als kalorimetrische Messung ist u.a. die sogenannte „RF-DC compensation technique“ einschlägig. Für diese Messungen werden im Bereich der Probenhaltevorrichtung ein Heizer und ein Temperatursensor befestigt, womit die Erwärmung der Probe aufgrund der Hochfrequenzdissipation bei gegebener Temperatur durch einen Heizer kompensiert werden kann. Der Oberflächenwiderstand der Probe wird anschließend aus der Differenz der Heizleistungswerte (mit und ohne angelegtem Hochfrequenzfeld) berechnet. Weitere Details zum Quadrupolresonator und Messtechniken sind auch in dem Aufsatz 2 von S. Keckert et al. (Characterizing materials for superconducting radiofrequency applications - A comprehensive overview of the quadrupole resonator design and measurement capabilities Review of Scientific Instruments, Vol. 92, 2021, 064710) offenbart.
Eine Probe im Sinne der Erfindung ist hierbei ein Objekt, das ein Werkstück oder Teil eines Werkstückes (Rohling, Halbzeug, Bauteil u.Ä.) ist oder repräsentativ für ein Materialart (z.B. eine Legierung) steht und das vorgesehen ist Gegenstand einer Messung (Beprobung) zu sein, hier die Messung der Leitfähigkeit bzw. des Widerstands, insbesondere Oberflächenwiderstands. Zur Aufnahme in einer der Erfindung gattungsgemäßen Vorrichtung ist eine Probe so einzurichten, dass sie eine Passform aufweist, die eine Aufnahme in die Vorrichtung unter den Randbedingungen der Funktionalität der Vorrichtung gestattet, insbesondere der Ausbildung eines radial umlaufenden Spalts.
Nachteilig beim Quadrupol-Resonator ist die lange Messdauer von ca. 14 Tagen für eine Probe, begründet in der Größe und Komplexität des gesamten Teststandes und Anforderungen hinsichtlich des Strahlenschutzes, der Kryo- und Reinraumtechnik. Hierdurch entstehen ferner durch die für die Aufrechterhaltung der Supraleitung benötigte aufwendige Kühlung mit Kryoflüssigkeiten und das gebundene Personal hohe Kosten. Weiter verringert wird der Nutzen/Kosten-Faktor durch Proben, die durch Imperfektionen nicht die erwünschten Eigenschaften aufweisen und damit die Anlage unnötig belasten.
Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine effizientere Bestimmung des Oberflächenwiderstands einer Probe bei einer hinreichend hohen Genauigkeit bietet. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise dazu verwendet werden, infrage kommende Proben vorzuselektieren, bevor diese in einer Vorrichtung mit einer höheren Messgenauigkeit genauer vermessen werden, zum Beispiel mit dem einleitend beschriebenen Quadrupol-Resonator.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindungsaspekte sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
Gemäß Anspruch 1 wird eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Oberflächenwiderstands einer Probe offenbart, aufweisend eine Kavität, welche dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine radialsymmetrische transversal-magnetische Mode mit einem ersten und einem radial weiter außen gelagerten zweiten Magnetfeld-Minimum entlang einer radialen Erstreckungsrichtung der Kavität resonant auszubilden, wobei die Kavität eine Aufnahmeöffnung für die Probe aufweist, wobei die Aufnahmeöffnung so ausgebildet ist, dass wenn die Probe in der Aufnahmeöffnung angeordnet ist, ein um die Probe radial umlaufender Spalt zwischen der Probe und einem Rand der Aufnahmeöffnung ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität und die Aufnahmeöffnung so ausgeformt sind, dass das zweite Magnetfeld-Minimum sich entlang des Spaltes erstreckt.
Der Spalt ist dabei ein nicht mit Flüssigkeiten oder Feststoffen befüllter Abstand zwischen der Probe und der Kavität, der einen direkten elektrischen und direkten thermischen Kontakt zwischen der Probe und der Kavität verhindert. Der Spalt kann, je nach Betrieb der Kavität mit Luft oder einem anderen Gas oder Gasgemisch befüllt sein oder aber auch Teil eines evakuierten Volumens der Kavität.
Der Begriff „Magnetfeld“ bzw. „Magnetfeld-Minimum“ bezieht sich hierbei auf das Betragsquadrat der maximalen bzw. minimalen Auslenkung des zeitabhängigen magnetischen Wechselfeldes an einem gegebenen Ort.
Erfindungsgemäß wird vorteilhaft erreicht, dass das Magnetfeld auf der Probenoberfläche, auch als Messbereich bezeichnet, deutlich von Null verschiedene Werte annimmt, während es im Bereich des Spalts minimal ist. Dies ermöglicht das Induzieren eines ausreichend hohen Stroms bzw. Wechselstroms in der Probe, anhand dessen bevorzugterweise mittels einer kalorimetrischen Messung der Oberflächenwiderstand der Probe bestimmt werden kann.
Im Vergleich zum eingangs beschriebenen Quadrupol-Resonator sind erfindungsgemäß keine vier paarweise über Polschuhe miteinander verbundenen Niobrohre vorhanden, sodass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausbildung einer resonanten radialsymmetrischen transversal-magnetischen Mode mit einem ersten und einem radial weiter außen gelagerten zweiten Magnetfeld-Minimum entlang der radialen Erstreckungsrichtung der Kavität eingerichtet ist. Eine solche Mode lässt sich im Quadrupol-Resonator nicht resonant erzeugen. Insbesondere im Falle einer supraleitenden Kavität bei tiefen Temperaturen wird somit durch die verringerte Heizlast der erfindungsgemäßen Vorrichtung die zum Betrieb der Vorrichtung erforderliche Kühlleistung vorteilhaft reduziert.
Die Kavität ist dabei vorzugsweise evakuierbar bzw. gasdicht ausgebildet, sodass die Vorrichtung wahlweise in einem Vakuum, insbesondere bei einem Druck unter 10^-6 mbar, betrieben werden kann. Zu diesem Zweck kann die Kavität optional einen mit einer Pumpe verbindbaren Pumpport aufweisen, wobei die Pumpe dazu ausgebildet ist, die Kavität hinreichend zu evakuieren. Insbesondere bei hohen elektrischen Feldstärken ist wegen möglicher Endladungen und Überschläge durch ionisiertes (Rest)Gas in der Kavität ein hinreichend gutes Evakuieren vorteilhaft. Alternativ kann die Kavität auch mit einem Prozessgas, wie zum Beispiel Helium, Wasserstoff oder Stickstoff betrieben werden. Weiterhin ist ein mit einem Gasreservoir für das Prozessgas verbindbarer Gasport denkbar. Über optionale wiederverschließbare Ventile können Pumpe und/oder Gasreservoir mit der Kavität Prozessgas austauschen. So kann durch das Zusammenspiel von Ventilen, Pumpport und Gasport ein Gasdruck in der Kavität eingestellt werden, insbesondere ein Gasdruck unter 1 bar.
Insbesondere handelt es sich bei der radialsymmetrischen transversal-magnetischen Mode um eine TM₀₂₀ Mode. Eine Abhandlung über Moden in Kavitäten findet sich z.B. in dem Übersichtsartikel von E. Jensen „Cavity Basics“ (CERN, abrufbar unter https://arxiv.org/abs/1201.3202; zuletzt abgerufen am 07.09.2021).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Aufnahmeöffnung konzentrisch, insbesondere kreisförmig um ein Zentrum der ausbildbaren Mode.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kavität als zylindrischer Hohlraum ausgebildet, wobei an einer ersten Stirnseite des zylindrischen Hohlraums die Aufnahmeöffnung ausgebildet ist. Dabei kann die Aufnahmeöffnung insbesondere konzentrisch zum zylindrischen Hohlraum, insbesondere konzentrisch zur Hochachse des zylindrischen Hohlraums angeordnet sein.
Weiterhin kann optional die Aufnahmeöffnung als eine kreisförmige Öffnung an der ersten Stirnseite des zylindrischen Hohlraums ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung im Bereich der Aufnahmeöffnung einen hohlzylindrischen Aufnahmekörper aufweisen, welcher sich entlang einer senkrecht zur radialen Erstreckungsrichtung verlaufenden Hochachse der Kavität um die Aufnahmeöffnung herum erstreckt. Bestimmungsgemäß erstreckt sich der Spalt so zwischen der Probe und dem Aufnahmekörper parallel zur Hochachse von der Kavität weg, dass eine Verbindung zwischen Probe und Vorrichtung insbesondere lediglich an einer unteren Stirnseite des Aufnahmekörpers erzeugt werden kann. Die Vorrichtung ist bevorzugterweise über eine solche Verbindung geschlossen, damit die resonante radialsymmetrische transversal-magnetische Mode in der Kavität ausgebildet und aufrechterhalten werden kann.
Da sich erfindungsgemäß durch die Wahl einer entsprechenden radialsymmetrischen transversal-magnetischen Mode mit einem ersten und einem radial weiter außen gelagerten zweiten Magnetfeld-Minimum letzteres entlang des Umfangs des Spalts erstreckt, wird ein nachteiliges Heizen der Verbindung zwischen Probe und Vorrichtung durch eventuell induzierte Ströme in diesem Bereich weitestgehend vermieden, was sich positiv auf die Messgenauigkeit der Vorrichtung auswirkt.
Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung eine erste Antenne aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Wellen in die Kavität einzukoppeln, insbesondere um die radialsymmetrischen transversal-magnetischen Mode mit einem ersten und einem radial weiter außen gelagerten zweiten Magnetfeld-Minimum in der Kavität anzuregen.
Optional kann die Vorrichtung darüber hinaus eine zweite Antenne aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, die elektromagnetischen Wellen, insbesondere eine Amplitude und/oder eine Frequenz der elektromagnetischen Wellen innerhalb der Kavität zu detektieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, die radialsymmetrische transversal-magnetische Mode mit elektromagnetischen Wellen einer Frequenz im Bereich von 4.6 GHz bis 5 GHz auszubilden. Da die (resonante) Frequenz der Kavität jedoch von der Geometrie der Kavität abhängt, können auch darunter bzw. darüberliegende Frequenzen realisiert werden, wobei kleinere Kavitäten höheren Frequenzen entsprechen und umgekehrt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Aufnahmeöffnung einen Durchmesser zwischen 100 mm und 50 mm auf. Dazu passend kann die Probe die Form eines Zylinders mit einem Durchmesser im gleichen Bereich aufweisen, so dass der Spalt zwischen Probe und Vorrichtung ausgebildet werden kann. Dabei ist eine Breite des Spalts mit der Breite des zweiten Magnetfeld-Minimums abzustimmen, sodass das Magnetfeld innerhalb des Spalts hinreichend niedrig ist, um ein Aufheizen der Verbindung von Vorrichtung und Probe durch Induktion in diesem Bereich zu vermeiden bzw. zu mindern.
Idealerweise beträgt die Magnetfeldstärke im Bereich des Spalts weniger als 5% des vorzugsweise im Messbereich liegenden Magnetfeld-Maximums.
Der Spalt kann zum Beispiel eine Breite Bereich von 0.3 mm bis 5 mm aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein System, aufweisend die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie eine Probe, die dazu eingerichtet ist, in der Aufnahmeöffnung der Vorrichtung angeordnet zu werden, so dass sich der Spalt ausbildet.
Die dem System zugehörige Probe weist vorzugsweise eine kreisförmige Oberfläche, die insbesondere einen Messbereich umfasst, auf, die im erfindungsgemäßen Zustand der Kavität zugewandt ist. So kann vorteilhaft das Profil der erfindungsgemäßen radialsymmetrischen transversal-magnetischen Mode mit einem ersten und einem radial weiter außen gelagerten zweiten Magnetfeld-Minimum auf die Kreisform der Probe fokussiert werden. Die Probe ist vorzugsweise metallisch, halbleitend oder supraleitend.
Die Probe kann ferner mit einer Probehaltevorrichtung in Verbindung stehen, wobei die Probehaltevorrichtung korrespondierend zum Aufnahmekörper der Vorrichtung in den Aufnahmekörper einbringbar ist, so dass sich der Spalt parallel zur Hochachse des Aufnahmekörpers zwischen der Probehaltevorrichtung und dem Aufnahmekörper ausbildet. Dabei ist vorzugsweise ein Messbereich der Probe auf der in die Kavität weisenden Oberfläche ausgebildet, wobei die Oberfläche auf Höhe der Aufnahmeöffnung angeordnet ist, und so einen nur durch den Spalt unterbrochenen Abschluss der ersten Stirnseite der Kavität bildet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Oberflächenwiderstands einer Probe unter Verwendung des erfindungsgemäßen Systems, aufweisend die folgenden Schritte:

i) Einbringen der Probe in die Kavität,
ii) Einkoppeln elektromagnetischer Wellen in die Kavität, wobei die elektromagnetischen Wellen eine radialsymmetrische transversal-magnetische Mode mit einem ersten und einem radial weiter außen gelagerten zweiten Magnetfeld-Minimum entlang einer radialen Erstreckungsrichtung der Kavität resonant ausbilden, so dass das zweite Magnetfeld-Minimum sich radial entlang des Spaltes erstreckt, so dass ein Strom in der Probe induziert wird, wobei die Mode insbesondere eine TM₀₂₀ Mode ist, und
iii) Ermitteln des Oberflächenwiderstands der Probe anhand einer kalorimetrischen Messung.

Das Einbringen der Probe in die Kavität wird vorteilhaft in einer ausreichend sterilen, partikelfreien Umgebung vorgenommen, beispielsweise in einem Reinraum. Optional kann die Probe auch in einem Vakuum in die Kavität eingebracht werden, um Kontaminationen zu vermeiden.
Insbesondere vor dem Einkoppeln elektromagnetischer Wellen in die Kavität kann diese ferner beispielsweise mittels einer Pumpe abgepumpt werden, sodass innerhalb der Kavität ein hinreichend gutes Vakuum erreicht wird.
Vorzugsweise werden in diesem Verfahren die elektromagnetischen Wellen über die erste Antenne eingekoppelt.
Ferner können optional mittels der zweiten Antenne die elektromagnetischen Wellen innerhalb der Kavität, insbesondere eine Amplitude und/oder eine Frequenz der elektromagnetischen Wellen innerhalb der Kavität detektiert werden.
Die elektromagnetischen Wellen weisen dabei vorzugsweise eine Frequenz im Bereich von 4.6 GHz bis 5 GHz auf. Da die (resonante) Frequenz der Kavität jedoch von der Geometrie der Kavität abhängt, können auch darunter bzw. darüberliegende Frequenzen realisiert werden, wobei kleinere Kavitäten höheren Frequenzen entsprechen und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die kalorimetrische Messung eine Wärme, die durch einen elektrischen Oberflächenwiderstand der Probe in Zusammenwirkung mit den durch die eingekoppelte Mode erzeugten Oberflächenströme auf der Probe erzeugt wird, erfasst und daraus der Oberflächenwiderstand der Probe und insbesondere des Messbereichs der Probe ermittelt wird.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:

1 Eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit einer in der Aufnahmeöffnung der Vorrichtung angeordneten Probe.
2a, b Eine simulierte Magnetfeldverteilung im Bereich der ersten und zweiten Stirnseite des die Kavität bildenden zylindrischen Hohlraums (a) sowie entlang einer vertikalen Symmetrieebene des zylindrischen Hohlraums (b).
3a, b Eine Seitenansicht (a) sowie eine perspektivische Ansicht (b) der Vorrichtung mit einer in dem Aufnahmekörper der Vorrichtung angeordneten Probehaltevorrichtung.
4 Eine simulierte Magnetfeldverteilung innerhalb einer vertikalen Symmetrieebene eines Quadrupol-Resonators gemäß Stand der Technik, aufweisend vier jeweils paarweise über einen Polschuh verbundene Niobrohre, welche den Quadrupol-Resonator bilden.
5a, b Jeweils eine Detailansicht eines Quadrupol-Resonators gemäß Stand der Technik, wobei die Niobrohre im Bereich deren Verbindung mit jeweils einen Polschuh sichtbar sind.
6 Eine simulierte Magnetfeldverteilung innerhalb der Oberfläche der Probe eines Quadrupol-Resonators gemäß Stand der Technik.
7a, b Simulierte Magnetfelder innerhalb der Oberfläche der Probe als Funktion des Radius vom Symmetriezentrum des Quadrupol-Resonators (a) und der erfindungsgemäßen Vorrichtung (b).

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorrichtung 100 zur Ermittlung eines Oberflächenwiderstands einer Probe 20. Erfindungsgemäß enthält die Vorrichtung 100 eine Kavität 50, welche dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine radialsymmetrische transversal-magnetische Mode 10 mit einem ersten und einem radial weiter außen gelagerten zweiten Magnetfeld-Minimum 11,12 (vgl. 2a und 2b) entlang einer radialen Erstreckungsrichtung der Kavität 50 resonant auszubilden. Die Kavität 50 weist weiterhin eine Aufnahmeöffnung 51 für die Probe 20 auf, wobei die Aufnahmeöffnung 51 so ausgebildet ist, dass wenn die Probe 20 in der Aufnahmeöffnung 51 angeordnet ist, ein um die Probe 20 radial umlaufender Spalt 30 zwischen der Probe 20 und einem Rand der Aufnahmeöffnung 51 ausgebildet wird. Die Vorrichtung 100 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität 50 und die Aufnahmeöffnung 51 so ausgeformt sind, dass sich das zweite Magnetfeld-Minimum 12 entlang des Spaltes 30 erstreckt.
Die Probe 20 weist insbesondere einen Messbereich 22 auf, der aus einer metallischen, halbleitenden oder supraleitenden Dünnschicht besteht. Die Probe 20 kann dabei vorzugsweise derart in der Vorrichtung 100 angeordnet werden, dass eine insbesondere kreisförmige Oberfläche 21, umfassend den Messbereich 22 der Probe 20, bestimmungsgemäß der Kavität 50 zugewandt ist. Die durch die Geometrie der Kavität 50 bestimmte radialsymmetrische transversal-magnetische Mode 10 ist dabei vorzugsweise so auf die Probe 20 abgestimmt, dass ein radial zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeld-Minimum 11,12 gelegenes Magnetfeld-Maximum 13 (vgl. 2a und 2b) in einem Messbereich 22 der Probe liegt. Durch diese Abstimmung der Magnetfeldverteilung auf die Geometrie der Vorrichtung 100, und insbesondere des Spaltes 30 wird vorteilhaft eine teilweise Fokussierung des Magnetfelds auf einen auf der Oberfläche 21 der Probe 20 gelegenen Messbereich 22 erreicht, wodurch effizient Ströme bzw. Wechselströme in der Probe 20, insbesondere im Messbereich 22 der Probe 20 induziert werden können. Dadurch kann anhand einer kalorimetrischen Messung der Oberflächenwiderstand der Probe 20 ermittelt werden. Auf die Vorteilhaftigkeit der Anordnung des Spaltes 30 entlang des zweiten Magnetfeld-Minimums 12 soll im Kontext von 2a und 2b und 3a und 3b eingegangen werden.
Wie in 1 dargestellt, ist die Kavität 50 vorzugsweise als zylindrischer Hohlraum 52 ausgebildet, wobei an einer ersten Stirnseite 53 des zylindrischen Hohlraums 52 die Aufnahmeöffnung 51 ausgebildet ist. Diese kann insbesondere kreisförmig und konzentrisch zum zylindrischen Hohlraum 52, insbesondere konzentrisch zu einer Hochachse des zylindrischen Hohlraums 52 ausgebildet sein. Die Aufnahmeöffnung 51 kann dabei als kreisförmige Öffnung an der ersten Stirnseite 53 des zylindrischen Hohlraums 52 geformt sein. Die Aufnahmeöffnung 51 kann zum Beispiel einen Durchmesser zwischen 100 mm und 50 mm aufweisen. Der Messbereich 22 der Probe 20 hat dabei vorzugsweise die Form einer kreisförmigen Scheibe mit einem Durchmesser im gleichen Bereich, sodass sich ein Spalt 30 mit einer Breite im Bereich von beispielsweise 0.3 mm bis 5 mm ausbildet.
Die Vorrichtung 100 kann optional über eine erste Antenne 110 verfügen, welche dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Wellen in die Kavität 50 einzukoppeln, insbesondere elektromagnetische Wellen mit einer radialsymmetrischen transversal-magnetischen Mode 10 mit dem radial zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeld-Minimum 11,12 gelegenen Magnetfeld-Maximum 13.
Die elektromagnetischen Wellen haben dabei vorzugsweise eine Frequenz im Bereich von 4.6 GHz bis 5 GHz.
2a und 2b zeigen die simulierte Magnetfeldverteilung für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Hierbei entsprechen dunkle bzw. helle Bereiche niedrigen bzw. hohen Magnetfeldern. Wie im Kontext von 1 beschrieben, verläuft der Spalt 30 zwischen Vorrichtung 100 und Probe 20 erfindungsgemäß entlang des zweiten Magnetfeld-Minimums 12 der radialsymmetrischen transversal-magnetischen Mode 10. Der Spalt 30 verläuft dabei parallel zu einer Hochachse der Kavität 50 konzentrisch mit dem in 2a und 2b angedeuteten Aufnahmekörper 40. Wie in Kontext von 3a und 3b weiter erläutert, ist die Vorrichtung 100, insbesondere der Aufnahmekörper 40 vorzugsweise nur an einer unteren Stirnseite 41 des Aufnahmekörpers 40 mit der Probe 20 verbunden.
Bei der radialsymmetrischen transversal-magnetischen Mode 10 handelt es sich, wie in 2a und 2b gezeigt, vorzugsweise um eine TM₀₂₀ Mode.
Wie in 2a und 2b weiter dargestellt, kann die Vorrichtung 100 optional neben einer ersten Antenne 110 eine zweite Antenne 120 aufweisen. In dieser Variante der Erfindung können über die erste Antenne 110 elektromagnetische Wellen in die Kavität 50 eingekoppelt werden, während mittels der zweiten Antenne 120 beispielsweise eine Amplitude und/oder eine Frequenz der elektromagnetischen Wellen detektiert werden kann.
3a und 3b zeigen eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung 100 mit einer in der Aufnahmeöffnung 51 bzw. im Aufnahmekörper 40 angeordneten Probehaltevorrichtung 23. Wie zuvor im Kontext von 2a und 2b geschildert, sind Vorrichtung 100 und Probe 20 vorteilhafterweise lediglich durch eine vorzugsweise an einer unteren Stirnseite 41 des Aufnahmekörpers 40 angeordnete Verbindung 24 miteinander verbunden. Durch diese Abstimmung der Magnetfeldverteilung und der Geometrie insbesondere von Kavität 50, Aufnahmekörper 40 und Probehaltevorrichtung 23 wird erreicht, dass das Magnetfeld in Bereich des Spalts 30 und insbesondere der Verbindung 24 von Vorrichtung 100 und Probe 20 minimal ist. Folglich ist die durch Induktion in diesem Bereich verursachte parasitäre Wärme, welche einen Messfehler des Oberflächenwiderstands der Probe 20 bedingt, vorteilhaft minimiert.
Ein System 200 aus Probe 20 und Vorrichtung 100 kann weiterhin eine Probehaltevorrichtung 23 aufweisen, welche korrespondierend zum Aufnahmekörper 40 in diesen einbringbar ist. Vorzugsweise ist, wie in 2a und 2b gezeigt, ist der Messbereich 22 der Probe 20 und insbesondere deren Oberfläche 21 so auf der Probehaltevorrichtung 23 angeordnet, dass die Oberfläche 21 einen nur durch den Spalt 30 unterbrochenen Abschluss der ersten Stirnseite 53 der Kavität 50 bzw. des zylindrischen Hohlraums 52 bildet. Der Messbereich 22 der Probe 20 ist dabei vorzugsweise mit der Probehaltevorrichtung 23 verbunden, z.B. verschweißt, verschraubt oder geklemmt.
Zur Ermittlung bzw. Messung des Oberflächenwiderstands, insbesondere bei tiefen Temperaturen kann das System 200 weiterhin eine Heizeinrichtung aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, die Probe 20 auf eine vorbestimmte Temperatur zu heizen. Die Heizeinrichtung kann hierzu beispielsweise einen stromdurchflossenen elektrischen Widerstand nutzen. Um den Oberflächenwiderstand zu messen, wird die Probe 20 vorzugsweise mittels der Heizeinrichtung auf die vorbestimmte Temperatur geheizt, und die dafür benötigte elektrische Leistung aufgezeichnet. Anschließend werden idealerweise hochfrequente elektromagnetische Wellen in die Kavität 50 eingekoppelt, um im Messbereich 22 der Oberfläche 21 der Probe 20 einen Strom bzw. einen Wechselstrom zu induzieren. Die zusätzliche, durch den Oberflächenwiderstand der Probe 20 bedingte Wärme verringert nun die zur Heizung der Probe 20 auf die vorbestimmte Temperatur benötigte Leistung. Aus der Differenz dieser Leistung und der zuvor, ohne die hochfrequenten elektromagnetischen Wellen gemessenen Leistung kann schließlich der Oberflächenwiderstand ermittelt werden.
4 zeigt einen Querschnitt durch einen Quadrupol-Resonator gemäß Stand der Technik. Der Querschnitt verläuft durch eine Ebene zwischen jeweils zwei der insgesamt vier Niobrohre 210, wobei jeweils zwei Niobrohre 210 über jeweils einen Polschuh 220 miteinander verbunden sind, wie in 4 sichtbar. Im Quadrupol-Resonator bildet der Zwischenraum zwischen den Niobrohren 210 mit den Polschuhen und dem umgebenden Niobzylinder 230 die zur Ermittlung des Oberflächenwiderstands einer Probe 20 verwendete Kavität 50. Die Niobrohre 210 sind hohl, um im Betrieb des Quadrupol-Resonators bei tiefen Temperaturen mit Kryoflüssigkeit gefüllt zu werden. Der Raum innerhalb der Niobrohre 210 verbleibt feldfrei. Im Gegensatz dazu ist während des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass sich die Mode in der gesamten Kavität ausbildet. Insbesondere durch die Geometrie der Niobrohre 210 und der Polschuhe 220 wird im Messbereichs 22 der Probe 20 ein stark fokussiertes Magnetfeld erzeugt, welches Ströme bzw. Wechselströme in der Probe 20 induziert. Die Probe 20 ist dabei auf einer Probehaltevorrichtung 23 angeordnet, welche sich wiederum in einem mit dem Niobzylinder 230 verbundenen Aufnahmekörper 40 befindet. Das simulierte Magnetfeld ist in 4 insbesondere im Bereich unmittelbar außerhalb der Niobrohre 210 und der Polschuhe 220 dargestellt, wobei helle bzw. dunkle Bereiche hohen bzw. niedrigen Magnetfeldern entsprechen.
In 5a und 5b sind Detailansichten der Niobrohre 210 und der Polschuhe 220 des bereits in 4 gezeigten Quadrupol-Resonators. Die Niobrohre 210 bzw. Polschuhe 220 befinden sich oberhalb des Messbereichs 22 der Probe 20, um innerhalb der Probe 20 Ströme zu induzieren. Das simulierte Magnetfeld im Bereich um die Niobrohre 210 bzw. die Polschuhe 220 ist in den Graustufen aus 4 dargestellt.
6 zeigt eine Draufsicht auf die Oberfläche 21 der Probe 20 im bereits in 4, 5a und 5b vorgestellten Quadrupol-Resonator. Weiterhin ist, erneut in Graustufen, das Magnetfeld insbesondere in einer durch die Oberfläche 21 der Probe 20 verlaufenden Ebene dargestellt. Insbesondere aus der Geometrie der Polschuhe 220 und der hier nicht gezeigten Niobrohre 210 ergibt sich das für den Quadrupol-Resonator charakteristische Magnetfeld im Bereich des innerhalb des umlaufenden Spaltes 30 (hier nicht gezeigt) gelegenen Messbereichs 22.
In 7a und b ist das simulierte Magnetfeld innerhalb der Oberfläche 21 der Probe 20 als Funktion des Radius von der Symmetrieachse des Quadrupol-Resonators (7a) im Vergleich zur erfindungsgemäßen Vorrichtung (7b) gezeigt. Da das Magnetfeld innerhalb der Oberfläche 21 beim Quadrupol-Resonator wie zuvor erwähnt wegen der Niobrohre 210 und deren Polschuhe 220 nicht radialsymmetrisch ausgebildet werden kann, sind in der oberen Abbildung Schnitte entlang der in 6 eingezeichneten x- bzw. y-Achse gezeigt.
Dagegen ist das Magnetfeld bzw. die ausbildbare Mode 10 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 radialsymmetrisch ausgeformt, wobei der Spalt 30 vorzugsweise entlang bzw. im Bereich des zweiten Magnetfeld-Minimums 12 angeordnet ist. Dadurch ergibt sich ein in diesem Bereich vorteilhaft minimiertes Magnetfeld, sodass parasitäre Induktionsströme in der Verbindung 24 zwischen Vorrichtung 100 und Probe 20 vermindert werden. Obwohl das Magnetfeld-Maximum 13 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 betraglich geringer ist als im Quadrupol-Resonator, ermöglicht es bei kürzerer Messdauer ausreichende induzierte Ströme bzw. Wechselströme für eine hinreichend gute Messgenauigkeit.
Da im Quadrupol-Resonator die Niobrohre 210 und deren Polschuhe 220 zusammen mit der Kavität 50 die geometrischen Randbedingungen für das resonant angeregte elektromagnetische Feld bilden, ist das resultierende Magnetfeld, anders als im Erfindungsgegenstand, eindeutig nicht radialsymmetrisch ausgebildet und kann auch nicht in resonanter Weise entsprechend ausgebildet werden. Eine Fokussierung der Mode in den Messbereich 22 wird hier durch die spezielle Form der Niobrohre 210 und deren Polschuhe 220 erreicht.
Der Erfindungsgegenstand hingegen schlägt eine Ausbildung des elektromagnetischen Feldes lediglich mittels des zylindrischen Hohlraumes 52 vor, was - zusammen mit der geringeren Gesamtgröße und veränderten Anforderungen an Strahlenschutz, Testinfrastruktur, Reinraumbedingungen und messtechnischem Parameterraum - eine hinsichtlich Messdauer und -kosten verbesserte Ermittlung des Oberflächenwiderstands der Probe 20 bei hinreichender Messgenauigkeit bietet.

Claims

Eine Vorrichtung (100) zur Ermittlung eines Oberflächenwiderstands einer Probe (20), wobei die Vorrichtung (100) eine Kavität (50) aufweist, welche dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine radialsymmetrische transversal-magnetische Mode (10) mit einem ersten und einem radial weiter außen gelagerten zweiten Magnetfeld-Minimum (11,12) entlang einer radialen Erstreckungsrichtung der Kavität (50) resonant auszubilden, wobei die Kavität (50) eine Aufnahmeöffnung (51) für die Probe (20) aufweist, wobei die Aufnahmeöffnung (51) so ausgebildet ist, dass wenn die Probe (20) in der Aufnahmeöffnung (51) angeordnet ist, ein um die Probe (20) radial umlaufender Spalt (30) zwischen der Probe (20) und einem Rand der Aufnahmeöffnung (51) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (50) und die Aufnahmeöffnung (51) so ausgeformt sind, dass das zweite Magnetfeld-Minimum (12) sich entlang des Spaltes (30) erstreckt.
Die Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialsymmetrische transversal-magnetische Mode (10) eine TM₀₂₀ Mode ist.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (50) als zylindrischer Hohlraum (52) ausgebildet ist, wobei an einer ersten Stirnseite (53) des zylindrischen Hohlraums (52) die Aufnahmeöffnung (51) ausgebildet ist, insbesondere konzentrisch zum zylindrischen Hohlraum (52), insbesondere konzentrisch zu einer Hochachse des zylindrischen Hohlraums (52).
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeöffnung (51) eine kreisförmige Öffnung an der ersten Stirnseite (53) des zylindrischen Hohlraums (52) ausbildet.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) im Bereich der Aufnahmeöffnung (51) einen hohlzylindrischen Aufnahmekörper (40) aufweist, der sich entlang einer senkrecht zur radialen Erstreckungsrichtung verlaufenden Hochachse der Kavität (50) erstreckt, so dass sich der Spalt (30) zwischen der Probe (20) und der Aufnahmeöffnung (51), wenn die Probe (20) in der Aufnahmeöffnung angeordnet ist, parallel zur Hochachse von der Kavität (50) weg erstreckt und eine Verbindung (24) zwischen Probe (20) und Vorrichtung (100) insbesondere lediglich an einer unteren Stirnseite (41) des Aufnahmekörpers (40) erzeugt werden kann.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) dazu ausgebildet ist, die radialsymmetrische transversal-magnetische Mode (10) mit elektromagnetischen Wellen einer Frequenz im Bereich von 4.6 GHz bis 5 GHz auszubilden.
Ein System (200) aufweisend die Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche sowie eine Probe (20), die dazu eingerichtet und ausgeformt ist, in der Aufnahmeöffnung (51) der Vorrichtung (100) angeordnet zu werden, so dass sich der Spalt (30) ausbildet.
Das System (200) gemäß Anspruch 7, wobei die Probe (20) eine Probehaltevorrichtung (23) aufweist, die korrespondierend zum Aufnahmekörper (40) der Vorrichtung (100) in den Aufnahmekörper (40) einbringbar ist, so dass sich der Spalt (30) parallel zur Hochachse des Aufnahmekörpers (40) zwischen der Probehaltevorrichtung (23) und dem Aufnahmekörper (40) ausbildet, wobei ein Messbereich (22) der Probe (20) auf einer in die Kavität (50) weisenden Oberfläche (21) ausgebildet ist, wobei die Oberfläche (21) auf Höhe der Aufnahmeöffnung (51) angeordnet ist, und so einen nur durch den Spalt (30) unterbrochenen Abschluss der ersten Stirnseite (53) der Kavität (50), insbesondere des zylindrischen Hohlraums (52) bildet.
Ein Verfahren zur Ermittlung eines Oberflächenwiderstands einer Probe (20) unter Verwendung eines Systems (200) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, aufweisend die folgenden Schritte: i) Einbringen der Probe (20) in die Kavität (50), ii) Einkoppeln elektromagnetischer Wellen in die Kavität (50), wobei die elektromagnetischen Wellen eine radialsymmetrische transversal-magnetische Mode (10) mit einem ersten und einem radial weiter außen gelagerten zweiten Magnetfeld-Minimum (11,12) entlang einer radialen Erstreckungsrichtung der Kavität (50) resonant ausbilden, so dass das zweite Magnetfeld-Minimum (12) sich radial entlang des Spaltes (30) erstreckt, so dass ein Strom in der Probe (20) induziert wird, insbesondere wobei die Mode (10) eine TM₀₂₀ Mode ist, und iii) Ermitteln des Oberflächenwiderstands der Probe (20) anhand einer kalorimetrischen Messung.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die elektromagnetischen Wellen eine Frequenz im Bereich von 4.6 GHz bis 5 GHz aufweisen.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die kalorimetrische Messung eine Wärme, die durch einen elektrischen Oberflächenwiderstand der Probe (20) in Zusammenwirkung mit den durch die eingekoppelte Mode (10) erzeugten Oberflächenströme auf der Probe (20) erzeugt wird, erfasst und daraus der Oberflächenwiderstand der Probe (20) und insbesondere des Messbereichs der Probe (20) ermittelt wird.