DE10312172B4 - Verfahren zum Betreiben eines SQUID und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines symmetrischen SQUID (10), insbesondere eines DC-SQUID, mit den Schritten:
– Einspeisen eines periodischen Bias-Stromes I_B in das DC-SQUID und
– Erzeugen und Einkopplung eines Bias-Flusses Φ_B durch eine Gegenkoppelspule (19) in eine FLL-Schaltung, die mit dem DC-SQUID verbunden ist,
gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
– Ändern der Amplitude des Bias-Flusses Φ_B durch Anpassen der Frequenz f_B und/oder der Amplitude des Bias-Stromes I_B und
– Ändern der Phase des Bias-Flusses Φ_B durch Anpassen der Frequenz des Bias-Stromes I_B,
um die Empfindlichkeit und die Bandbreite des DC-SQUID zu erhöhen, sowie Interferenzen zu unterdrücken.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines SQUID, insbesondere eines DC-SQUID. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Mit Hilfe von SQUIDs oder Superconducting Quantum Interference Devices (Supraleitende Quanten-Interferometer) ist es möglich, sehr schwache magnetische Felder zu messen. Ein Anwendungsbereich von SQUIDs ist beispielsweise die medizinische Diagnostik (Magnetokardiographie, Magnetoenzephalographie).
• Aus dem Stand der Technik sind DC-SQUIDs (Gleichstrom SQUIDs oder Direct Current-SQUIDs) mit Tief-T_c- und Hoch-T_c-Josephson-Elementen bekannt. Derartige SQUIDs arbeiten üblicherweise mit einer FLL (Flux-Locked-Loop)-Schaltung. Diese Schaltung ermöglicht eine Gegenkopplung (Feedback), bei der das eingekoppelte Magnetfeld zur Erzeugung eines möglichst konstanten Magnetflusses mit einem entgegengesetzten Magnetfeld überlagert wird. Aus dem für die Gegenkoppelspule benötigten Strom lässt sich dann die Größe des äußeren Magnetfeldes ermitteln.
• Beim Betrieb von DC-SQUIDs mit Hoch-T_c-Josephson-Elementen wird gewöhnlich ein AC (Wechselstrom- oder Alternating Current)-Bias-Strom I_B (Vorspannstrom) verwendet, der mit der Bias-Frequenz f_B periodisch zwischen +I_B und –I_B geschaltet wird, während die FLL-Schaltung den magnetischen Fluss im SQUID konstant hält.
• Wie in 1 stark vereinfacht dargestellt, ändert sich dabei die Spannungs-Fluss-Charakteristik (Voltage-Flux-Characteristic oder VFC) des SQUID bei jedem Wechsel des Bias-Stromes I_B. Gleichzeitig ändert sich auch die Lage der mit „A" und „B" bezeichneten Arbeitspunkte auf der VFC-Kurve, bei denen die FLL-Schaltung stabil arbeitet. Zur Gewährleistung eines ordnungsgemäßen Betriebes der FLL-Schaltung und zur Vermeidung von unerwünschten Sprüngen in der Signalkurve ist es daher erforderlich, die VFC-Kurve gleichzeitig mit dem Wechsel des Bias-Stromes I_B sowohl entlang der Spannungsachse V, als auch entlang der Fluss-Achse Φ/Φ₀ zu verschieben, und zwar so weit, bis die Punkte „A" und „B" in ihrer Position übereinstimmen. Zu diesem Zweck wird üblicherweise eine Zusatzspannung (–V_B) am Eingang der FLL-Schaltung angelegt, die als Bias-Ausgleichsspannung (bias compensation) bezeichnet wird. Gleichzeitig muss dem SQUID ein zusätzlicher Magnetfluss (–Φ_B) zugeführt werden, der als Bias-Fluss bezeichnet wird. Für ein ideales SQUID beträgt die Verschiebung entlang der Fluss-Achse Φ_B = Φ₀/4, wobei Φ₀ das Fluss-Quantum darstellt (Φ₀ = 2,07·10^–15 Vs).
• Im Ergebnis verschieben sich die beiden Arbeitspunkte „A" und „B" zu einem Punkt „C" nahe der Fluss-Achse Φ/Φ₀. Zur Verdeutlichung sind in 1 sowohl eine erste VFC-Kurve 1 für +I_B als auch eine zweite VFC-Kurve 2 für –I_B sowie die resultierende VFC-Kurve 3 eingezeichnet.
• Die Schaltung, die üblicherweise für das Erzeugen des Bias-Flusses Φ_B verwendet wird, ist schematisch in 2 dargestellt. Dabei wird der Bias-Fluss Φ_B im SQUID 4 durch einen Bias-Wechselstrom-Generator 5 über den Widerstand R_F 6 und der Gegenkoppelspule L_F 7 erzeugt. Die Größe des Widerstandes R_F 6 muss dabei derart eingestellt sein, dass der SQUID-Schleife ein Viertel des Fluss-Quantums zugeführt wird (I_B·M = Φ₀/4, wobei M die gegenseitige Induktivität zwischen SQUID und der Spule L_F darstellt.).
• Von Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass sich aufgrund des unterschiedlichen Frequenzverhaltens der Gegenkoppelspule L_F 7 und des nichtlinearen Widerstandes des SQUID 4 eine zwingende Begrenzung der Bias-Frequenz f_B zur Erhaltung der Rechteckform des Bias-Flusses Φ_B ergibt. Üblicherweise ist die Bias-Frequenz f_B in derartigen Systemen auf Werte von einigen hundert Kiloherz begrenzt, vgl. bspw. US 4,389,612 ; Drung, D. „Advanced SQUID read-out electronics" in H.Weinstock (ed.), SQUID Sensors: Fundamentals, Fabrication and Application, 63–116, 1996 Kluwer Academic Publisher; F.Ludwig, J.Beyer, D.Drung, S.Bechstein, Th.Schurig „YBb₂Cu₃O_7-x dc SQUID Magnetometers with Bicrystal Junctions for Biomagnetic Multichannel Applications", ISEC'97, Berlin, Germany, June 25–18, 1997, Extend. Abstr. S-10, vol.3, pp, 4–6.
• Aus Ludwig, F. u.a. YBa₂CU₃O_7-x DC SQUID magnetometers with bicrystal junctions for biomagnetic multichannal applications. In Applied Superconductivity, Vol. 5, Nos 7–12, pp. 345–352, 1998 ist ein Verfahren zum Betreiben eines symetrischen DC-SQUIDs bekannt, bei dem in das SQUID ein periodischer rechteckförmiger Bias-Strom eingespeist wird und ein Bias-Fluss durch eine Gegenkoppelspule erzeugt wird.
• Aus US 5 045 788 A ist ein Verfahren zum Betreiben eines nichtsymetrischen DC-SQUIDs bekannt, bei dem in dieses ein periodischer rechteckförmiger Bias-Strom eingespeist wird und ein Bias-Fluss durch eine Gegenkoppele erzeugt wird.
• Aus US 6 388 400 B1 ist ein Verfahren bekannt, dass einen rechteckförmigen, periodischen Bias-Strom direkt in den SQUID einspeist und einen rechteckförmigen, periodischen Bias-Fluss, der über die Gegenkoppelspule in den SQUID Strom eingespeist wird, verwendet. Dieses Verfahren stellt jedoch nur eine Optimierung des Arbeitspunktes eines SQUID dar.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Empfindlichkeit und Bandbreite eines SQUID zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung nach Anspruch 6 gelöst.
• Für den Fall eines symmetrischen SQUID umfasst danach das Verfahren das Einspeisen eines periodischen Bias-Stromes I_B und das Erzeugen eines Bias-Flusses Φ_B durch eine Gegenkoppelspule. Unter einem symmetrischen SQUID wird dabei ein SQUID mit identischer Konfiguration der Josephson-Kontakte (kritische Ströme oder Induktivitäten sind annähernd gleich) verstanden, welches symmetrisch genug ist derart, dass die Differenz der Ströme oder Induktivitäten nicht ausreicht, um einen Bias-Fluss Φ_B zu erzeugen. Als Gegenkoppelspule wird vorzugsweise die Spule einer FLL-Schaltung verwendet.
• Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, zur Erhöhung der Empfindlichkeit eines DC-SQUID die Bias-Frequenz f_B zu erhöhen. Mit der vorliegenden Erfindung können AC-Bias-Frequenzen im Megahertz-Bereich, insbesondere im Bereich von 1,5 bis 30 MHz, verwendet werden. Eine obere Grenze für die Bias-Frequenz gibt es nicht. Für alle relevanten Signale (Bias-Strom, Bias-Ausgleichsspannung und Bias-Fluss) wird dabei die Rechteckform gewahrt.
• Durch die Erhöhung der Bias-Frequenz f_B ist es zudem einfacher möglich, Interferenzen zu unterdrücken, die durch die Verwendung der AC-Bias-Technik auftreten.
• Einen für den Betrieb des SQUID besonders vorteilhaften Kurvenverlauf des Bias-Strom I_B zeigen die nachfolgenden zwei Ausführungsbeispiele. In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Bias-Strom I_B einen rechteckförmigen Zeitverlauf auf. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Bias-Strom I_B um einen rechteckförmigen Wechselstrom. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Bias-Strom I_B gleich große positive und negative Scheitelwerte auf. Mit anderen Worten sind die Maximalwerte der Halbwellen gleich groß.
• Zugleich wird ein SQUID-System zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßem Verfahren vorgeschlagen. Dieses SQUID-System ermöglicht eine geeignete Phasenverschiebung und Amplitude für Bias-Ausgleichsspannung und Bias-Fluss bei Frequenzen im Megahertz-Bereich. Von Vorteil bei dem erfindungsgemäßen SQUID-System ist sein verhältnismäßig einfacher konstruktiver Aufbau.
• Die vorliegende Erfindung kann mit allen Arten von SQUIDs, insbesondere auch mit Hoch-T_c-DC-SQUIDs, verwendet werden. Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen oder deren Unterkombinationen.
• Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
• 1: ein vereinfachtes Spannungs-Fluss-Diagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise eines SQUID,
• 2: eine vereinfachte schematische Darstellung einer Schaltung zum Erzeugen eines Bias-Flusses Φ_B nach dem Stand der Technik und
• 3: eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen SQUID-Schaltung.
• Eine vereinfachte Darstellung einer Schaltung, wie sie einem erfindungsgemäßen SQUID sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegt, ist in 3 abgebildet.
• Ein rechteckförmiger Bias-Strom I_B wird dabei unter Verwendung bekannter Mittel, beispielsweise eines entsprechenden Generators (nicht angebildet), einem DC-SQUID 10 zur Erzeugung einer Rechteckspannung zugeführt. Die SQUID-Signale werden über einen Vorverstärker 11 einer Integratoreinheit 12 zugeführt. Sind die Spannungsamplituden beider Polaritäten +I_B und –I_B gleich, liegen mit anderen Worten die Arbeitspunkte „A" und „B" von der Fluss-Achse Φ/Φ₀ gleich weit entfernt, ergibt sich der Signal-Mittelwert am Ausgang des Integrators 12 zu Null. Das FLL-System ist im Gleichgewicht. Ein Bias-Ausgleich, also das Anlegen einer Bias-Ausgleichsspannung, ist daher nicht mehr erforderlich.
• Zur Erzielung einer möglichst hohen Empfindlichkeit ist es nun erforderlich sicherzustellen, dass für beide Polaritäten von I_B der SQUID in Arbeitspunkten mit maximalem positivem Anstieg der VFC-Kurve ist. Dies wird durch Erzeugen eines Bias-Flusses Φ_B erreicht, was ein horizontales Verschieben der VFC-Kurve um Φ_B zur Folge hat, vgl. 1.
• Handelt es sich bei dem DC-SQUID 10 um ein SQUID, welches symmetrisch genug ist, so wird erfindungsgemäß das Signal der FLL-Schaltung zur Erzeugung eines Bias-Flusses Φ_B genutzt. Die FLL-Schaltung erzeugt hierzu automatisch ein Signal, das zur Erzeugung eines Bias-Flusses Φ_B genutzt wird. Mit anderen Worten passiert das nichtkompensierte Signal über dem SQUID den Vorverstärker 11. Anschließend passiert das Signal die Integratoreinheit 12, die einen Operationsverstärker 14 mit einem Kondensator C_int 15 umfasst. In der Integratoreinheit 12 wird die Amplituden-Phasen-Charakteristik des nichtkompensierten Teiles des Rechtecksignals modifiziert. Vom Integratorausgang 16 wird das Signal schließlich über die Feedback-Widerstände R_fb1 17 und R_fb2 18 in die Spule L_fb 19 eingespeist. In der Gegenkoppelspule (Feedback-Spule) L_fb 19 wird das Signal zur Erzeugung eines Bias-Flusses Φ_B verwendet, vgl. 3.
• Für eine AC-Bias-Frequenz f_B, die größer ist als die System-Bandbreite, hat dieses SQUID-System die folgenden Eigenschaften: Die Signalamplitude des Bias-Fluss-Signals nimmt mit steigender Bias-Frequenz f_B gleichmäßig ab. Gleichzeitig nimmt die Phase des Bias-Fluss-Signals mit steigender Bias-Frequenz f_B gleichmäßig zu. Dadurch ist es möglich, Amplitude und Phase des Bias-Fluss-Signals durch Anpassung der AC-Bias-Frequenz und -Amplitude zu verändern.

1

VFC-Kurve für +I_B

2

VFC-Kurve für –I_B

3

resultierende VFC-Kurve

4

SQUID

5

Generator

6

Widerstand

7

Gegenkoppelspule

10

DC-SQUID

11

Vorverstärker

12

Integratoreinheit

13

Josephson-Element

14

Operationsverstärker

15

Kondensator

16

Integratorausgang

17

Widerstand

18

Widerstand

19

Gegenkoppelspule

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben eines symmetrischen SQUID (10), insbesondere eines DC-SQUID, mit den Schritten: – Einspeisen eines periodischen Bias-Stromes I_B in das DC-SQUID und – Erzeugen und Einkopplung eines Bias-Flusses Φ_B durch eine Gegenkoppelspule (19) in eine FLL-Schaltung, die mit dem DC-SQUID verbunden ist, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: – Ändern der Amplitude des Bias-Flusses Φ_B durch Anpassen der Frequenz f_B und/oder der Amplitude des Bias-Stromes I_B und – Ändern der Phase des Bias-Flusses Φ_B durch Anpassen der Frequenz des Bias-Stromes I_B, um die Empfindlichkeit und die Bandbreite des DC-SQUID zu erhöhen, sowie Interferenzen zu unterdrücken.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Frequenz f_B des Bias-Stromes I_B im Bereich zwischen 1,5 MHz und 30 MHz.
3. Verfahren nach Anspruch 1 2, gekennzeichnet durch einen Bias-Strom I_B mit rechteckförmigem Zeitverlauf.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Bias-Strom I_B mit gleich großem positiven und negativen Scheitelwert.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem symmetrischen SQUID (10), insbesondere einem DC-SQUID, mit Mitteln zum Einspeisen eines periodischen Bias-Stromes I_B und mit einer Gegenkoppelspule (19) zur Erzeugen eines Bias-Flusses Φ_B.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine über einen Vorverstärker (11) mit dem SQUID (10) verbundene Integratoreinheit (12) mit einem Operationsverstärker (14) und einem Kondensator C_int (15) sowie eine mit dem Ausgang (16) der Integratoreinheit (12) über einen ersten Widerstand R_fb1 (17) und einen zweiten Widerstand R_fb2 (18) verbundene Gegenkoppelspule L_fb (19).