DE19509230A1 - Hochsymmetrische Gradiometer-SQUID-Einrichtung mit Leiterbahnen aus Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hochsymmetrische Gradio­ meter-SQUID-Einrichtung mit einer Dünnfilmstruktur von Lei­ terbahnen aus einem Hoch-T_c-Supraleitermaterial. Mit den Lei­ terbahnen wird ein Gradiometer mit zwei gleichen Antennen­ schleifen, die über einen gemeinsamen Mittelsteg parallelge­ schaltet sind, sowie mindestens ein galvanisch mit dem Mit­ telsteg verbundenes SQUID mit mindestens einem Josephson-Ele­ ment ausgebildet. Eine derartige Gradiometer-SQUID-Einrich­ tung ist aus der Veröffentlichung "Applied Supercontactivity ("Proc. EUCAS ′93), Vol. 2, Seiten 1167 bis 1170, DGM-Infor­ mationsgesellschaft (Hrsg.: H.C. Freyhardt), Oberursel (DE), 1993 zu entnehmen.

Mit supraleitenden Quanten-Interferometern, die auch als "SQUIDs" bezeichnet werden, lassen sich bekanntlich äußerst schwache Felder oder Feldgradienten detektieren. Als bevor­ zugtes Anwendungsgebiet für SQUIDs wird deshalb die medizi­ nische Diagnostik angesehen, da die dort auftretenden bioma­ gnetischen Feldsignale nur Feldstärken im pt-Bereich hervor­ rufen. Ferner ist auch an einen Einsatz von SQUIDs auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung gedacht, insbe­ sondere wenn metalloxidisches Hoch-T_c-Supraleitermaterial eingesetzt werden soll. Ein derartiges Supraleitermaterial läßt insbesondere eine LN₂-Kühltechnik zu.

Eine entsprechende Einrichtung zur Erfassung und Aufbereitung derartig schwacher Magnetfelder oder entsprechender Magnet­ feldgradienten weist mindestens einen Meß- oder Detektions­ kanal auf. Dieser Kanal enthält auf seiner Eingangsseite als Antenne eine feldsensitive Schleifenanordnung aus dem Supra­ leitermaterial mit mindestens einer Detektionsschleife. Die in dieser Schleife hervorgerufenen magnetischen Flüsse oder Feldgradienten werden dann dem SQUID zugeführt. Diese kann induktiv über eine Koppelspule in die SQUID-Schleife des SQUIDs erfolgen. Die Effektivität der Flußeinkopplung läßt sich dadurch steigern, daß das SQUID direkt (galvanisch) in die Schleifenanordnung integriert wird.

Mit Schleifenanordnungen in Form von Gradiometern, die im Ge­ gensatz zu Magnetometern zusätzlich zu ihrer mindestens einen Detektionsschleife mindestens noch eine weitere, als Kompen­ sationsschleife bezeichnete Schleife besitzen, lassen sich unerwünschte Hintergrundfelder entfernterer Feldquellen dis­ kriminieren, während die Feldsensitivität bezüglich näherer Feldquellen erhalten bleibt (vgl. z. B. "Journal of Magnetism and Magnetic Materials", Vol. 22, 1981, Seiten 129 bis 201).

Eine entsprechende Unterdrückung unerwünschter Hintergrund­ felder läßt sich auch mit einem Gradiometer gewährleisten, das aus der eingangs genannten Literaturstelle aus "Applied Superconductivity", Vol. 2, zu entnehmen ist. Das bekannte Gradiometer ist als ein Gradiometer erster Ordnung gestaltet und enthält zwei gleichgroße, als Detektions- und Kompensa­ tionsschleife dienende Antennenschleifen. Diese Schleifen sind über einen gemeinsamen Teil einer Leiterbahn parallel­ geschaltet und zu diesem Teil der Leiterbahn symmetrisch an­ geordnet. Dieser Leiterbahnteil kann als ein Koppelsteg ange­ sehen werden, an dem mindestens ein SQUID galvanisch ange­ schlossen ist. Die bekannte Gradiometer-SQUID-Einrichtung enthält zwei bezüglich des Koppelstegs gegenüberliegend ange­ ordnete SQUIDs. Diese SQUIDs sind im Hinblick auf eine Be­ grenzung des Rauschanteils der mit ihnen erzeugten Signale als Gleichstrom(DC)-SQUIDS gestaltet. Sie enthalten deshalb jeweils in ihrer supraleitenden SQUID-Schleife zwei Joseph­ son-Elemente. Als supraleitendes Material der Leiterbahnen für die Antennenschleifen, den Koppelsteg und die SQUID-Schleifen ist ein bekanntes metalloxidisches Hoch-T_c-Supra­ leitermaterial vorgesehen, das eine LN₂-Kühltechnik erlaubt. Wegen der kristallinen Anisotropie dieses Materials ist dabei die mit den Leiterbahnen erzeugte Dünnfilmstruktur nur einla­ gig auf einem hierfür geeigneten Träger (Substrat) aufge­ bracht.

Entsprechende Träger, die die geforderte Textur bzw. Epitaxie des Hoch-T_c-Supraleitermaterials gewährleisten, stehen jedoch nur in beschränkter Größe zur Verfügung. Die feldsensitiven Flächen der Antennenschleifen von Gradiometer-SQUID-Einrich­ tungen mit in die Schleifen integrierte SQUIDs sind deshalb entsprechend beschränkt, so daß die Feld- bzw. Feldgradien­ tenempfindlichkeit dementsprechend gering ist. Man sieht sich deshalb bisher gezwungen, im Hinblick auf eine hohe Empfind­ lichkeit auf Konzepte von Gradiometer-SQUID-Einrichtungen mit Flußtransformatoren zurückzugreifen. Solche Flußtransforma­ toren bedingen jedoch mehrlagige Leiterbahnstrukturen. Bei solchen mehrlagigen Strukturen besteht jedoch die Gefahr einer unerwünschten Korngrenzenausbildung im Hoch-T_c-Supra­ leitermaterial an den Übergängen zwischen den in verschiede­ nen Ebenen befindlichen Leiterbahnteilen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Ein­ richtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß bei ihr die Gefahr solcher Korngrenzen vermindert ist und zugleich eine hohe Feld- bzw. Feldgradien­ tenempfindlichkeit erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

• - daß das Gradiometer auf einem ersten Träger mit seinen über den Mittelsteg parallelgeschalteten ersten Antennenschlei­ fen ausgebildet ist, die jeweils erste Flächen einnehmen,
• - daß auf einem zweiten Träger eine hochsymmetrische Schlei­ fenanordnung mittels Leiterbahnen aus dem Hoch-T_c-Supralei­ termaterial ausgebildet ist, die zwei gleiche zweite Anten­ nenschleifen enthält, welche jeweils zweite Flächen einneh­ men, die vergleichsweise größer sind als die ersten Flächen der ersten Antennenschleifen und
• - daß der erste Träger und der zweite Träger so aneinanderge­ fügt sind, daß unter Einhaltung der Symmetriebedingungen jeweils ein Teilstück jeder zweiten Antennenschleife induk­ tiv koppelnd, parallel zu einem Teilstück einer zugeordne­ ten ersten Antennenschleife verläuft.

Bei der Erfindung wird von der Überlegung ausgegangen, daß auf dem ersten Träger einlagig ein Gradiometer mit guter Störfeldunterdrückung, jedoch mit beschränkter Empfindlich­ keit auszubilden ist, wobei sich unerwünschte Korngrenzen­ bildungen in dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial unterdrücken lassen. Die Empfindlichkeit dieses Gradiometers wird dann da­ durch verbessert, daß man auf dem zweiten Träger eine Anten­ nenschleifenanordnung insbesondere in Form eines zweiten Gra­ diometers mit wesentlich großflächigeren Antennenflächen herstellt und dann diese Schleifenanordnung induktiv an das Gradiometer auf dem ersten Träger über die entsprechenden Teilstücke der Antennenschleifen koppelt, indem man eine Flip-Chip-Technik mit vorteilhaft verhältnismäßig großen Po­ sitioniertoleranzen vorsieht. Die auf dem zweiten Träger aufgebrachte Schleifenanordnung erfordert keinerlei Überkreu­ zungen oder Übergänge zwischen verschiedenen Ebenen, so daß sich diese Schleifenanordnung entsprechend einfach aus dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial herstellen läßt. Da der gesamte Aufbau der Gradiometer-SQUID-Einrichtung nach der Erfindung zumindest bezüglich seiner Antennenschleifen hochsymmetrisch ist, läßt sich eine entsprechend hohe Störunempfindlichkeit gewährleisten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gradiome­ ter-SQUID-Einrichtung gehen aus den vom Hauptanspruch abhän­ gigen Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils schema­ tisch

deren Fig. 1 den Aufbau eines ersten Gradiometers mit einem DC-SQUID,

deren Fig. 2 ein zweites Gradiometer,

deren Fig. 3 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrich­ tung mit den ersten Gradiometer nach Fig. 1 und dem zweiten Gradiometer nach Fig. 2,

deren Fig. 4 eine andere Ansicht des Aufbaus nach Fig. 3 und

deren Fig. 5 bis 8 jeweils den Aufbau einer weiteren er­ findungsgemäßen Einrichtung.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die supraleitenden Teile der Gradiometer-SQUID-Einrichtung nach der Erfindung sollen aus einem der bekannten Hoch-T_c-Su­ praleitermaterialien nach geläufigen Verfahren der Dünnfilm-Technik auf hierfür geeigneten Trägern (Substraten) jeweils einlagig, d. h. unter Vermeidung von Überlappungsbereichen (evtl. bis auf die Josephson-Elemente), hergestellt sein. Beispiele entsprechender Materialien sind insbesondere Cu­ prate mit Hoch-T_c-Phasen auf Basis von Stoffsystemen, die als Grundtypen YBa₂Cu₃O_7-x oder Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+y oder (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10-z aufweisen. Diese Materialien sollen eine LN₂-Kühlung ermöglichen.

Bei dem in Fig. 1 in Aufsicht veranschaulichten, allgemein mit 2 bezeichneten Basisteil einer erfindungsgemäßen Gradio­ meter-SQUID-Einrichtung wird von bekannten Ausführungsformen ausgegangen (vgl. z. B. die eingangs genannte Literaturstelle aus "Applied Superconductivity", Vol. 2). Dieser Basisteil enthält auf einem ersten Träger T1 als eine feldsensitive Schleifenanordnung ein erstes Gradiometer G1 erster Ordnung aus dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial. Der Träger weist vor­ zugsweise eine für das Supraleitermaterial epitaxiefähige Oberfläche auf. Beispielsweise besteht er aus SrTiO₃ oder MgO. Das Gradiometer G1 setzt sich aus zwei bezüglich einer gedachten, durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Linie S zumindest weitgehend symmetrisch aufgebauten Antennenschlei­ fen 4 und 5 zusammen, die gleichgroße Flächen F1 bzw. F1′ um­ schließen. Die Antennenschleifen sind ferner symmetrisch be­ züglich einer Mittellinie M miteinander über eine längs die­ ser Linie verlaufende gemeinsame Leiterbahn 7 parallelge­ schaltet, womit sich vorteilhaft ein supraleitender Abschirm­ ring für homogene (Stör-)Magnetfelder ergibt. Die gemeinsame Leiterbahn stellt einen ersten, streifenförmigen Mittel- oder Koppelsteg K1 dar, der sowohl als ein Teilstück der Anten­ nenschleife 4 als auch als ein Teilstück der Antennenschleife 5 angesehen werden kann und der in einem zu der Symme­ trielinie S symmetrischen Teilbereich ein Koppelelement k1 bildet. Dieses Koppelelement ist in der Figur zur besseren Unterscheidung gegenüber den übrigen Teilen des Koppelstegs K1 durch eine Schraffur hervorgehoben. Gegebenenfalls kann der als Koppelelement k1 dienende Teil des Koppelstegs K1 eine andere Breite b1 haben als die übrigen Teile des Koppel­ stegs. Die Ausdehnung des Koppelelementes k1 ist definiert durch Anschluß- oder Verzweigungspunkte P1 und P2 einer be­ züglich der Symmetrielinie S ebenfalls symmetrischen SQUID-Schleife 8. Das Koppelelement k1 stellt dabei im allgemeinen einen Teil der gesamten SQUID-Schleife dar. In diese Schleife sind symmetrisch angeordnet vorzugsweise zwei Josephson-Ele­ mente 9 und 10 integriert, so daß sich ein galvanisch an die Antennenschleifen 4 und 5 angekoppeltes DC-SQUID 11 ergibt. Wegen der hochsymmetrischen Anordnung dieses SQUIDs bezüglich der Antennenschleifen wird eine erhöhte Störunempfindlichkeit gewährleistet. Aufgrund der vorzugsweise einlagigen Dünnfilm­ struktur der supraleitenden Leiterbahnen für die Antennen­ schleifen 4 und 5, für den Koppelsteg K1 mit seinem Koppel­ element k1 sowie für die SQUID-Schleife 8 müssen Kontaktie­ rungsflächen 13 und 14 zum elektrischen Anschließen des SQUIDs insbesondere für einen Biasstrom innerhalb der Flächen F1 und F1′ angeordnet werden. Diese Kontaktierungsflächen und ihre entsprechenden Zuleitungen 13a bzw. 14a zum SQUID liegen symmetrisch zur Linie S.

Die in der Figur durch verstärkte Linien veranschaulichten Josephson-Elemente 9 und 10 können vorteilhaft sogenannte Korngrenzen-Elemente sein. Beispielsweise kann die Korngrenze in einem solchen Element dadurch ausgebildet werden, daß man an einer entsprechenden Grenzlinie Leiterbahnbereiche des Hoch-T_c-Supraleitermaterials mit unterschiedlicher kristalli­ ner Orientierung aneinanderstoßen läßt (vgl. z. B. "Appl. Phys. Lett.", Vol. 59, No. 6, 5.6.1991, Seiten 733 bis 735 oder DE 41 41 228 A). Oder aber man erzeugt eine Korngrenze nachträglich in einer Leiterbahn aus dem Supraleitermaterial dadurch, daß man in diese Leiterbahn mechanisch eine geeig­ nete Störzone einarbeitet (vgl. z. B. EP 0 364 101 A oder DE 43 15 536 A). Ferner ist es auch möglich, eine Korngrenze in einer über die Kante einer Stufe hinwegführenden Leiterbahn aus dem Supraleitermaterial auszubilden (vgl. z. B. DE 42 19 006 A). In der Figur ist eine entsprechende Kante 15 durch eine gestrichelte Linie angeordnet. Statt Korngrenzen-Joseph­ son-Elemente können für die Elemente 9 und 10 vorzugsweise auch an sich bekannte Josephson-Elemente mit künstlicher Dünnfilm-Barriere verwendet werden. Bei solchen Elementen läßt sich vorteilhaft über die Dicke der Dünnfilm-Barriere die Stromdichte vorgeben. Außerdem ist die Ausbildung ent­ sprechender Elemente an weitgehend frei wählbaren Stellen der Trägeroberfläche möglich. Im allgemeinen sollte für das SQUID 11 eine kritische Stromdichte an seinen Josephson-Elementen 9 und 10 von 500 A/cm² ausreichen.

Die Flächen F1 und F1′ des Gradiometers G1 können vorteilhaft verhältnismäßig klein gehalten werden, so daß sich das Gra­ diometer und das SQUID 11 in einem Arbeitsablauf mit einer an die Dimensionen des SQUIDs angepaßten Technik auf dem Träger T1 herstellen lassen. Die Empfindlichkeit eines solchen Gra­ diometers bezüglich magnetischer Felder oder Feldgradienten ist dann jedoch verhältnismäßig gering. Deshalb ist bei einer erfindungsgemäßen Gradiometer-SQUID-Einrichtung eine zweite hochsymmetrische Schleifenanordnung, insbesondere in Form eines Gradiometers, aus dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial vor­ gesehen, deren zwei gleiche Antennenschleifen über eine ge­ meinsame Leiterbahn, die insbesondere als ein zweiter Koppel­ steg dient, parallelgeschaltet sind. Diese gemeinsame Leiter­ bahn kann sowohl als ein Teilstück jeder Antennenschleife be­ trachtet werden. Die beiden Antennenschleifen nehmen jeweils zwei Flächen ein, die vergleichsweise wesentlich größer als die der ersten Antennenschleifen 4 und 5 sind. Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines entsprechenden zweiten Gradiometers G2. Seine beiden symmetrisch zu einer orthogonal bezüglich der Symmetrielinie S verlaufenden Mittellinie M ausgebildeten Antennenschleifen sind mit 21 und 22, deren Flächen mit F2 bzw. F2′ und der gemeinsame, längs der Mittel­ linie M verlaufende Koppelsteg mit K2 bezeichnet. Dieser Steg hat eine Breite b2, die im allgemeinen größer als die Breite b1 des ersten Koppelstegs K1 des ersten Gradiometers G1 ist. Die Fläche F2 oder F2′ sollte vorteilhaft mindestens dreimal, vorzugsweise mindestens zehnmal größer sein als die Fläche F1 oder F1′ jeder Antennenschleife des ersten Gradiometers G1. Das Gradiometer G2 ist vorteilhaft als einlagige Dünnfilm­ struktur aus dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial auf einem hierfür geeigneten zweiten Träger T2 ausgebildet.

Gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Schnitt wird eine erfindungs­ gemäße Gradiometer-SQUID-Einrichtung 25 mittels Aneinander­ fügens des ersten mit seinen supraleitenden Teilen versehenen Trägers T1 (gemäß Fig. 1) an den zweiten Träger T2 mit des­ sen supraleitenden Teilen (gemäß Fig. 2) nach Art einer Flip-Chip-Technik unter Einhaltung der Symmetrie bezüglich einer Ebene durch die Symmetrielinie S hergestellt. Für eine gute magnetische Kopplung ist es dabei wichtig, daß die Dicke d1 des das SQUID 11 und das erste Gradiometer G1 aufnehmenden ersten Trägers T1 kleiner als die Breiten b1 und b2 der Kop­ pelstege K1 bzw. K2 sind. In der Figur sind ferner an den Kontaktierungsflächen 13 und 14 vorzugsweise durch Löten an­ geschlossene Bonddrähte 26 und 27 angedeutet.

Fig. 4 zeigt als Aufsicht die so hergestellte Gradiometer-SQUID-Ein­ richtung 25. Wie aus dieser Figur hervorgeht, ver­ laufen die Koppelstege K1 und K2 des ersten und zweiten Gra­ diometers G1 bzw. G2 parallel zueinander längs der gemeinsa­ men Mittellinie M.

Wie ferner aus den Fig. 3 und 4 zu entnehmen ist, ist die von dem ersten Gradiometer G1 eingenommene Gesamtfläche so klein, daß sie bei dem Aneinanderfügen an das zweite Gradio­ meter G2 innerhalb der Umrandung dieses zweiten Gradiometers zu liegen kommt. Folglich befinden sich dann auch die Kontak­ tierungsflächen 13 und 14 für die Bonddrähte 26 und 27 inner­ halb dieser Umrandung. Aus diesem Grunde kann der erste Trä­ ger T1 an den zweiten Träger T2 nur so angefügt werden, daß die auf dem ersten Träger befindlichen supraleitenden Teile auf der dem zweiten Gradiometer G2 abgewandten Seite liegen; d. h., die Koppelstege K1 und K2 der beiden Gradiometer G1 und G2 sind durch das Material des ersten Trägers T1 räumlich ge­ trennt (vgl. hierzu insbesondere Fig. 3). Will man eine stärkere Kopplung zwischen den beiden Koppelstegen K1 und K2 der beiden Gradiometer G1 und G2 erreichen, so müssen die beiden Kontaktierungsflächen 13 und 14 außerhalb der Umran­ dung des zweiten Gradiometers G2 zu liegen kommen. Ein ent­ sprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 angedeutet, wobei eine Fig. 4 entsprechende Darstellung gewählt ist.

Die in Fig. 5 gezeigte, allgemein mit 30 bezeichnete Gradio­ meter-SQUID-Einrichtung weist wiederum ein erstes zu einer Symmetrielinie S symmetrisch aufgebautes Gradiometer G1′ mit integriertem DC-SQUID 11′ und Koppelsteg K1′ auf. An dieses erste Gradiometer G1′ ist wiederum ein großflächiges zweites Gradiometer G2′ so angefügt, daß dessen Koppelsteg K2′ über dem Koppelsteg K1′ des ersten Gradiometers G1′ induktiv kop­ pelnd verläuft. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 4 ist hier jedoch das erste Gradiometer G1′ in Richtung der Symmetrielinie S soweit ausgedehnt bzw. das zweite Gradiometer G2′ in dieser Richtung so schmal ausgebil­ det, daß die Kontaktierungsflächen 13′ und 14′ des SQUIDs 11′ sich außerhalb der von dem zweiten Gradiometer G2′ bzw. von dessen Träger T2 eingenommenen Fläche befinden. An diesen Kontaktierungsflächen sind Bonddrähte 26 und 27 anzuschlie­ ßen.

Gemäß den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 4 und 5 wurde davon ausgegangen, daß eine induktive Kopplung zwischen den (ersten) Antennenschleifen (4, 5) eines (ersten) Gradio­ meters (G1 bzw. G1′) auf einem ersten Träger (T1) und den (zweiten) Antennenschleifen (21, 22) eines (zweiten) Gradio­ meters (G2 bzw. G2′) über sich überlappende Koppelstege (K1-K2 bzw. K1′-K2′) erfolgt, an denen die jeweiligen Antennen­ schleifen parallelgeschaltet sind. Es ist jedoch ebensogut eine solche Kopplung auch über andere, sich überlappende Teilstücke aus den ersten und zweiten Antennenschleifen mög­ lich. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel geht aus Fig. 6 hervor. In dieser Figur sind in Aufsicht nur die supraleiten­ den Teile einer erfindungsgemäßen Gradiometer-SQUID-Einrich­ tung 32 angedeutet. Dabei liegt in der Bildebene eine auf einem zweiten Träger aufgebrachte Schleifenanordnung mit zwei zweiten Antennenschleifen 34 und 35, die jeweils einzelne Ma­ gnetometerschleifen bilden. Diese Schleifen liegen an einer Flachseite eines ersten Trägers an, auf dessen gegenüberlie­ gender, der Schleifenanordnung abgewandten Flachseite ein er­ stes Gradiometer G1 mit integriertem DC-SQUID 11 (gemäß Fig. 1) ausgebildet ist. Dieses erste Gradiometer G1 weist erste Antennenschleifen 4 und 5 auf. Diese Antennenschleifen überlappen sich mit den zweiten Antennenschleifen 34 und 35 jeweils an einem seitlichen Teilstück. So ist die zweite An­ tennenschleife 34 mit ihrem Teilstück 34a induktiv an die erste Antennenschleife 4 an deren Teilstück 4a gekoppelt. Eine entsprechende Kopplung erfolgt zwischen der zweiten An­ tennenschleife 35 und der zugeordneten ersten Antennenschlei­ fe 5 über deren Teilstücke 35a und 5a. Die Lage der einzelnen Antennenschleifen ist dabei wiederum hochsymmetrisch bezüg­ lich einer längs eines Verbindungs- oder Mittelstegs 7 ver­ laufenden Mittellinie M. An diesem Mittelsteg sind die beiden Antennenschleifen 4 und 5 des ersten Gradiometers G1 paral­ lelgeschaltet und außerdem das SQUID 11 angeschlossen. Bei der Ausführungsform der Gradiometer-SQUID-Einrichtung 32 stellt also in dem ersten Gradiometer G1 nicht der Mittelsteg 7 einen Koppelsteg dar; sondern die Kopplung erfolgt über die seitlichen Teilstücke 4a und 5a dieses Gradiometers.

Wie aus Fig. 6 ferner hervorgeht, kann generell bei jeder erfindungsgemäßen Gradiometer-SQUID-Einrichtung besonders vorteilhaft zusätzlich eine Abschirmung des SQUIDs 11 und des Mittelstegs 7 mittels eines entsprechend breiten, streifen­ förmigen Abschirmelementes A vorgesehen werden. Dieses Ab­ schirmelement ist im allgemeinen ebenfalls symmetrisch zu der Mittellinie M angeordnet und auf dem zweiten Träger zusammen mit den zweiten Antennenschleifen abgeschieden.

Selbstverständlich sind entsprechende Abschirmungen auch bei Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 5 möglich, indem dort die Koppelstege K2 bzw. K2′ so breit gestaltet werden, daß sie die SQUID-Schleifen vollständig überlappen.

Darüber hinaus ist auch eine Kombination der beiden Koppelar­ ten nach den Fig. 4 und 6 möglich. Ein entsprechendes Aus­ führungsbeispiel ist in Fig. 7 angedeutet, wobei eine Fig. 6 entsprechende Darstellung gewählt ist. Die allgemein mit 40 bezeichnete Gradiometer-SQUID-Einrichtung nach der Erfindung umfaßt auf einem zweiten Träger ein zweites Gradiometer G2′′, dessen zweite Antennenschleifen 41 und 42 an einer Koppellei­ terbahn L parallelgeschaltet sind. Diese Leiterbahn L enthält drei parallel zueinander ausgerichteten Teilstücke 41a, 42a, K2′, die mit entsprechenden Teilstücken 4a, 5a und K1 eines ersten Gradiometers G1 (nach Fig. 1) koppeln. Die drei Teil­ stücke 41a, 42a und K2′ der Koppelleiterbahn L sind mäander­ förmig hintereinandergeschaltet. Zumindest das mit dem Kop­ pelsteg K1 des ersten Gradiometers G1 koppelnde Teilstück K2′ der Leiterbahn L kann vorteilhaft eine solche Breite b2 auf­ weisen, daß es das mit dem Koppelsteg K1 verbundene SQUID 11 überdeckt und somit abschirmt.

Selbstverständlich kann das erste Gradiometer G1 der in Fig. 7 angedeuteten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gra­ diometer-SQUID-Einrichtung auch gemäß Fig. 5 so breit ge­ staltet werden, daß die supraleitenden Teile auf den aneinan­ derzufügenden beiden Trägern aufeinander zu liegen kommen können und Kontaktierungsflächen außerhalb des Überlappungs­ bereiches der beiden Träger auszubilden sind. Bei der in Fig. 8 angedeuteten erfindungsgemäßen Gradiometer-SQUID-Ein­ richtung 50 ist eine entsprechende Ausführungsform zugrunde­ gelegt. Die Figur zeigt wiederum in Aufsicht nur die sich überlappenden supraleitenden Teile. Die Einrichtung 50 ent­ hält ein zweites Gradiometer G2′′ nach Fig. 6 und ein erstes Gradiometer G1′′ mit Antennenschleifen 4′ und 5′ und einem er­ sten Koppelsteg K1′ entsprechend Fig. 5. An diesem ersten Koppelsteg K1′ sind beispielsweise zwei DC-SQUIDs 51 und 52 angeschlossen.

Denn es ist generell möglich, daß eine beliebige erfindungs­ gemäße Gradiometer-SQUID-Einrichtung unter Beibehaltung einer hohen Symmetrie auch mehrere SQUIDs aufweist. Die SQUIDs kön­ nen dabei an dem Mittel- bzw. Koppelsteg parallelgeschaltet sein. Hierbei ist auch eine sogenannte Spannungssteuerung der SQUIDs möglich. Ferner ist es nicht erforderlich, daß die mehreren SQUIDs einer erfindungsgemäßen Gradiometer-SQUID- Einrichtung auch nur auf einer Seite bezüglich eines Mittel- bzw. Koppelstegs angeordnet sind. So sind auch Ausführungs­ formen mit z. B. einem Paar von über den Steg in Reihe ge­ schalteten, stromgesteuerten DC-SQUIDs möglich. Selbstver­ ständlich können auch mehrere entsprechende Paare von SQUIDs mit einem Verbindungs- oder Koppelsteg verbunden sein.

Wie ferner in Fig. 8 angedeutet ist, sind die beiden SQUIDs 51 und 52 der Gradiometer-SQUID-Einrichtung 50 mit Zuleitun­ gen 53a und 54a bzw. 53b und 54b verbunden. Diese Zuleitungen münden in Kontaktierungsflächen 55a und 56a bzw. 55b und 56b, die sich vorteilhaft außerhalb des Überlappungsbereiches der beiden Träger befinden. Auch hier ist zumindest die Breite b2 des koppelnden Teilstückes K2′ der Koppelleiterbahn L so breit gewählt, daß eine Abschirmung der SQUIDs 51 und 52 er­ folgt.

Bei den für die Figuren gewählten Ausführungsformen der SQUIDs wurde jeweils eine Gestaltung als DC-SQUID angenommen. Eine erfindungsgemäße Gradiometer-SQUID-Einrichtung ist je­ doch nicht auf derartige Ausführungsformen beschränkt. Es können auch RF-SQUIDs mit jeweils nur einem Josephson-Element in ihren SQUID-Schleifen vorgesehen werden.

Ferner ist es ohne weiteres möglich, statt des den darge­ stellten Ausführungsbeispielen zugrundegelegten zweiten Gra­ diometers erster Ordnung auch Gradiometer höherer Ordnung an das jeweils zugeordnete erste Gradiometer induktiv anzukop­ peln.

Claims (16)

1. Hochsymmetrische Gradiometer-SQUID-Einrichtung mit einer Dünnfilmstruktur von Leiterbahnen aus einem Hoch-T_c-Supralei­ termaterial, mit welchen Leiterbahnen ein Gradiometer mit zwei gleichen Antennenschleifen, die über einen gemeinsamen Mittelsteg parallelgeschaltet sind, sowie mindestens ein gal­ vanisch mit dem Mittelsteg verbundenes SQUID mit mindestens einem Josephson-Element ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Gradiometer (G1, G1′) auf einem ersten Träger (T1) mit seinen über über den Mittelsteg (7, K1, K1′) parallel­ geschalteten ersten Antennenschleifen (4, 5) ausgebildet ist, die jeweils erste Flächen (F1, F1′) einnehmen,
• - daß auf einem zweiten Träger (T2) eine hochsymmetrische Schleifenanordnung (G2, G2′) mittels Leiterbahnen aus dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial ausgebildet ist, die zwei glei­ che zweite Antennenschleifen (21, 22) enthält, welche je­ weils zweite Flächen (F2, F2′) einnehmen, die vergleichs­ weise größer sind als die ersten Flächen (F1, F1′) der er­ sten Antennenschleifen, und
• - daß der erste Träger (T1) und der zweite Träger (T2) so an­ einandergefügt sind, daß unter Einhaltung der Symmetriebe­ dingungen jeweils ein Teilstück (K2; K2′; 34a, 35a; 41a, 42a) jeder zweiten Antennenschleife induktiv koppelnd, parallel zu einem Teilstück (K1; K1′; 4a, 5a) einer zuge­ ordneten ersten Antennenschleife verläuft.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Antennenschleifen (34, 35) der Schleifenanordnung auf dem zweiten Träger (T2) jeweils ein Magnetometer bilden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Antennenschleifen (21, 22; 34, 35; 41, 42) der Schleifenanordnung auf dem zweiten Träger (T2) ein zweites Gradiometer (G2, G2′, G2′′) bilden.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die koppelnden Teilstücke der ersten Antennenschleifen (4, 5; 4′, 5′) und die koppelnden Teilstücke der zweiten Antennenschleifen (21, 22; 41, 42) je­ weils einen gemeinsamen ersten Koppelsteg (K1, K1′) bzw. einen gemeinsamen zweiten Koppelsteg (K2, K2′) bilden und diese Koppelstege induktiv koppelnd parallel zueinander ver­ laufen.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das auf dem ersten Träger (T1) ausgebildete erste Gradiometer (G1, G1′′) und das auf dem zweiten Träger (T2) ausgebildete zweite Gradiometer (G2′′) je­ weils mehrere induktiv koppelnde Teilstücke (4a, K1, K1′, 5a bzw. 41a, K2′, 42a) ihrer Antennenschleifen aufweisen.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem zwei­ ten Träger (T2) ein sich parallel zu dem Mittelsteg (7, K1, K1′) des ersten auf dem ersten Träger (T1) befindlichen Gra­ diometers (G1, G1′′) erstreckendes Leiterbahnstück (A, K2′) vorgesehen ist, dessen Breite (b2) so groß gewählt ist, daß von ihm das mindestens eine auf dem ersten Träger (T1) be­ findliche SQUID (11, 51, 52) abgedeckt ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das minde­ stens eine SQUID als Gleichstrom-SQUID (11, 11′, 51, 52) mit zwei Josephson-Elementen (7, 10) ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des minde­ stens einen Josephson-Elementes (9, 10) als Korngrenzen-Ele­ ment.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mindestens einen Jo­ sephson-Element (9, 10) die Korngrenze durch eine Grenzlinie zwischen zwei Leiterbahnbereichen mit unterschiedlicher kri­ stalliner Orientierung ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mindestens einen Jo­ sephson-Element (9, 10) die Korngrenze durch eine in einer Leiterbahn mechanisch eingearbeitete Störungszone ausgebildet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mindestens einen Jo­ sephson-Element (9, 10) die Korngrenze mit zwei an einer Stu­ fenkante aneinanderstoßenden Leiterbahnbereichen ausgebildet ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das auf dem ersten Träger (T1) befindliche Gradiometer (G1) innerhalb des von der auf dem zweiten Träger (T2) befindlichen Schleifenan­ ordnung (G2, G2′′) eingenommenen Bereichs angeordnet ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das auf dem ersten Träger (T1) befindliche Gradiometer (G1′, G1′′) über den von der auf dem zweiten Träger (T2) befindlichen Schlei­ fenanordnung (G2′, G2′′) eingenommenen Bereich hinausragend ausgebildet ist, so daß sich Kontaktierungsflächen (13′, 14′; 55a, 55b, 56a, 56b) des mindestens einen SQUIDs (11′, 51, 52) außerhalb des Bereichs der Schleifenanordnung befinden.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Mit­ telsteg (K1′) des auf dem ersten Träger (T1) befindlichen Gradiometers mehrere SQUIDs (51, 52) verbunden sind.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Parallelschaltung mehrerer SQUIDs an dem Mittelsteg.

16. Einrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch mindestens ein Paar von zwei über den Mittelsteg in Reihe geschalteten SQUIDs.