DE19513481A1 - HF-SQUID-Gradiometer mit resonanter Flußfokussierungsstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein HF-SQUID-Gradiometer mit einer wenigstens einen Josephson-Kontakt enthaltender, als Gradiometer wirkender SQUID-Schleife und einer Flußfokussierungsstruktur aus supraleitendem Material die als HF-Resonator hoher Güte wirkt.

HF-SQUID sind hochempfindliche Sensoren für die Messung von magnetischem Fluß oder räumlichen Flußgradienten. Derartige Sensoren in Dünnschichttechnik sind aus EP 04 18 848 A2 in Magnetometerform und aus DE 39 31 441 C2 in Gradiometerform bekannt. Sie bestehen im Fall des Magnetometers aus einem supraleitenden Ring mit einem inkorporierten Josephson-Kontakt und einer an diesen Ring gekoppelten Streifenleitung, die als λ- oder λ/2-Resonator bei der Betriebsfrequenz des SQUID ausgebildet ist und mit einem Hochfrequenzstrom ge­ eigneter Amplitude und einer Frequenz im GHz-Bereich gespeist wird. Der supraleitende Ring bedämpft den Re­ sonator in Abhängigkeit vom magnetischen Fluß im Ring, wodurch sich der Spannungsabfall am Resonator ändert. Das dabei entstehende Amplituden- oder Phasensignal wird zum Auslesen des Sensors verwendet. Es ist bekannt, daß das Eigenrauschen und damit der minimal auflösbare Mag­ netfluß invers proportional zur Betriebsfrequenz des SQUID sind. Weiterhin ist bekannt, daß die magnetfluß­ abhängige Spannungsmodulation am HF-Resonator umso größer wird, je geringer die Kopplungskonstante k zwi­ schen supraleitendem Ring und Resonator ist und umso größer die Güte Q des Resonators ist, wobei die Bedin­ gung k²Q < 1 erfüllt sein muß.

Für den rauscharmen Betrieb des Sensors ist es außerdem entscheidend, die Induktivität des supraleitenden Rin­ ges auf Werte kleiner als ca. 200 pH zu begrenzen. Die damit verbundene kleine Fläche des Ringes erschwert die Einkopplung von zu messendem magnetischem Fluß in den Ring. Zur Verbesserung der Flußfokussierung können zu­ sätzliche supraleitende Flächen in der Nähe des supra­ leitenden Ringes plaziert werden (Y. Zhang et al., Su­ percond. Sci. Technol. 7 (1994) 269-272). Bei herkömm­ lichen HF-SQUID mit Resonatoren in der Form von Strei­ fenleitern ist die Größe der Flußfokussierungsflächen jedoch durch die Ausdehnung des Resonators begrenzt, außerdem wird die Hochfrequenzstromverteilung im Reso­ nator durch die zusätzlichen Flächen in der Nähe des supraleitenden Ringes ungünstig beeinflußt. Aufgrund der geringen Flußfokussierung der herkömmlichen HF- SQUID ist ihre Magnetfeldempfindlichkeit trotz geringen Eigenrauschen geringer als die von konventionellen Wechselstrom-Washer-SQUID, die im Frequenzbereich < 500 MHz arbeiten (Y. Zhang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 3 (1993) 2465). Dies gilt auch entsprechend für die Magnetfeldgradientenauflösung herkömmlicher HF- SQUID-Gradiometer, wie sie aus DE 39 31 441 C2 bekannt sind. Im Unterschied zur Ausführung als Magnetometer enthalten HF-SQUID-Gradiometer zwei supraleitende Schleifen, deren magnetfeldinduzierte Abschirmströme den Josephson-Kontakt gegensinnig durchfließen, so daß, wenn die Flächen der beiden supraleitenden Ringe exakt gleich sind, nur ein räumlicher Feldgradient zu einem Nettostrom über den Kontakt führt. Derartige Sensoren können dazu verwendet werden, den Gradienten von Mag­ netfeldern zu messen, die von am Ort des Sensors räum­ lich nicht variierenden Magnetfeldern größerer Feld­ stärke überlagert sind und daher von Magnetometern ohne zusätzliche Abschirmung oder Störfeldkompensation nicht meßbar wären.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein HF-SQUID-Gra­ diometer zu schaffen, daß den Nachteil geringer Flußfo­ kussierung beseitigt und somit gleichzeitig ein gerin­ ges Eigenrauschen und eine hohe Magnetfeldgradienten­ empfindlichkeit besitzt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Integration von HF-Resonator und Flußfokus­ sierungsstruktur in einer gemeinsamen supraleitenden Fläche wird die Größenbegrenzung durch den Streifenlei­ ter der herkömmlichen HF-SQUID aufgehoben. So kann die gesamte zur Verfügung stehende Substratfläche ausge­ nutzt und eine hohe Feldfokussierung in die SQUID- Schleifen erreicht werden. Die Ankopplung der HF-Lei­ stung an den Resonator erfolgt im Ein- oder Zweitorbe­ trieb in bekannter Weise z. B. über kapazitiv gekoppelte HF-Leitungen oder Antennen. Hierdurch wird im allgemei­ nen eine Überlagerung mehrerer entarteter resonanter Moden bei der Grundfrequenz oder der Frequenz geeigne­ ter Obermodi angeregt. Die resonante Flußfokussierungs­ struktur ist dazu geometrisch so auszulegen, daß ein ausreichender HF-Strom über den Josephson-Kontakt fließt. Die HF-Stromamplitude bestimmt dabei die Kopp­ lungskonstante k. Die Frequenz und HF-Stromverteilung der resonanten Modi kann durch feldtheoretische Com­ putersimulationen modelliert werden. Auf gängigen Sub­ straten für die Abscheidung von supraleitenden Schich­ ten wie z. B. Lanthanaluminat oder Saphir lassen sich für einen ca. 8 _* 8 mm² großen Resonator auf einem 10 _* 10 mm² großen Substrat Resonanzfrequenzen im Bereich 3-5 GHz für die Grundschwingung realisieren. Dadurch ist eine für den rauscharmen Betrieb des Sensors ausreichend hohe Frequenz gewährleistet.

Durch Variation der Kopplungsgeometrie sowie der Reso­ natorgeometrie kann die Kopplung k zwischen SQUID und Resonator abgestimmt werden. Fig. 1 zeigt den schemati­ schen Aufbau des erfindungsgemäßen HF-SQUID-Gradiome­ ters mit der resonanten flußfokussierenden Fläche aus supraleitendem Material (1), den beiden SQUID-Schleifen (2a) und (2b), dem Josephson-Kontakt (3) und den beiden HF-Einkoppelleitungen (4a) und (4b) für den Fall einer kapazitiven Zweitorankopplung.

Die Einstellung der HF-Stromamplitude am Ort des Jo­ sephson-Kontaktes kann gemäß den Ansprüchen 2 und 3 auf verschiedene Weise geschehen. Wird eine Überlagerung mehrerer entarteter Modi gleichzeitig angeregt und ha­ ben diese Modi unterschiedliche HF-Stromamplituden am Ort des Kontaktes, so kann durch eine asymmetrische Einkopplung der HF-Leistung an den Resonator der rela­ tive Anteil der Modi und damit der HF-Strom über den Kontakt gesteuert werden. Dies kann z. B. durch eine Verschiebung der Einkoppelantennen (4a) und (4b) rela­ tiv zueinander geschehen. Weiterhin kann durch eine ge­ zielte asymmetrische Auslegung des Resonators der Strom über den Kontakt beeinflußt werden. Dies kann z. B. durch Abflachung zweier gegenüberliegender Ecken des Resonators aus Fig. 1 geschehen. Eine dergestalt modi­ fizierte Struktur ist in Fig. 2 schematisch skizziert.

Zur Verringerung der Strahlungsverluste aufgrund der räumlich ausgedehnten HF-Stromverteilung, wodurch die belastete Güte des Resonators in Mikrostreifengeometrie auf Q ∼ 1000-2000 begrenzt wird, kann bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Struktur gemäß Anspruch 4 durch geeignet um den Sensor herum angebrachte HF-Reflektoren die Güte erhöht werden. Die Reflektoren müssen aus magnetisch durchlässigem bzw. rauscharmen Material bestehen. Im Extremfall ist eine Kapselung des gesamten Sensors in einer HF-dichten Umhüllung möglich, um Strahlungsverluste ganz zu verhindern. In diesem Fall wird eine Steigerung der belasteten Güte um wenigstens eine Größenordnung oder mehr erreicht. Auch eine Ausführung des Resonators in Stripline-Geometrie bietet die Möglichkeit, höhere Güten zu realisieren, die bei Verwendung von supraleitenden Endplatten um beispielsweise bis zu zwei Größenordnungen ansteigen können.

Der erfindungsgemäße Sensor bietet demnach die Möglich­ keit, durch gezielte Einstellung der Kopplung zwischen SQUID und Resonator sowie der belasteten Güte des Reso­ nators das Ausgangssignal zu maximieren.

Die beschriebenen Vorteile des HF-SQUID-Gradiometers gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 sind auch bei einem Be­ trieb des Sensors als Magnetometer nutzbar. Hierfür sind die Flächen der SQUID-Schleifen (2a) und (2b) un­ terschiedlich groß zu wählen. In diesem Fall fließt auch bei einem räumlich nicht variierendem Magnetfeld ein induzierter Nettostrom über den Josephson-Kontakt, da der magnetische Fluß in den beiden Schleifen nicht gleich groß ist.

Gemäß Anspruch 6 kann der beschriebene Sensor bei einer Ausführung in hochtemperatursupraleitendem Material vorteilhaft bei Temperaturen im Bereich des flüssigen Stickstoffes eingesetzt werden. Die dem erfindungsge­ mäßen HF-SQUID-Gradiometer anhaftenden Vorteile sind aber auch auf der Basis von Tieftemperatursupraleitern voll nutzbar.

Ausführungsbeispiel

• 1. Computersimuliert wurde die HF-Stromverteilung eines 8 _* 8 mm² großen HF-SQUID-Gradiometers mit zwei SQUID- Schleifen mit einer Fläche von je 100 _* 200 µm² im Grund­ modus für eine kapazitive HF-Ankopplung in Mikrostrei­ fengeometrie nach Fig. 1. Die Resonanzfrequenz auf einem 0,5 mm dicken Lanthanaluminatsubstrat liegt bei etwa 3,9 GHz. Die HF-Stromverteilung bei der Resonanz­ frequenz ist in Fig. 3a dargestellt. Deutlich erkennbar ist die sich zwischen den Einkoppelstreifen im Resona­ tor ausbildende Halbwelle und die Randüberhöhung des HF-Stromes. Die HF-Stromamplitude am Ort des Kontaktes ist vernachlässigbar klein (Fig. 3b).
• 2. Bei um 90 Grad gegenüber Fig. 4a um den Resonator rotierten Antennen liegt das Maximum der Halbwelle am Ort des Josephson-Kontaktes (Fig. 4b). Die in Fig. 3a und 4a gezeigten Moden sind entartet und daher gleich­ zeitig anzuregen, so daß durch eine geeignete Antennen­ anordnung ein beliebiges Verhältnis der Moden einstell­ bar ist. Der HF-Strom über den Josphson-Kontakt läßt sich somit auf den optimalen Wert einstellen.
• 3. Modifiziert man den Resonator nach Fig. 3a durch eine Einkerbung an zwei gegenüberliegenden Ecken, erhält man die in Fig. 5a und 5b (Detail) dargestellte HF-Strom­ verteilung. Die Einkerbung bewirkt eine Asymmetrie der Stromverteilung an den Innenkanten der SQUID-Schleifen, die zu einem höheren HF-Strom über den Josephson-Kon­ takt führt. Gleichzeitig wird die reguläre Halbwellen­ struktur gestört und der HF-Strom konzentriert sich an den Einkerbungen. Durch eine weniger starke Einkerbung ließe sich eine geringere Störung der Halbwelle errei­ chen und somit der Strom über den Kontakt auf den ge­ wünschten Wert einstellen.

Claims (6)

1. SQUID, insbesondere HF-SQUID, mit mehreren wenigstens einen gemeinsamen Josephson-Kontakt enthaltenden, als Gradiometer wirkenden SQUID- Schleifen und einer Flußfokussierungsstruktur aus supraleitendem Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußfokussierungsstruktur so ausgebildet ist, daß sie gleichzeitig als Tankschwingkreis arbeitet, indem der resonante Grundmodus oder einer der Obermodi der Flußfokussierungsstruktur zur Ankopplung der HF-Leistung an die jeweilige Gradiometer-SQUID-Schleife genutzt werden.

2. SQUID nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere resonante Moden der integrierten Flußfokussierungsstruktur zur gleichzeitige Anregung vorgesehen sind und zur Ankopplung der HF-Leistung an die Gradiometer-SQUID-Schleife genutzt werden.

3. SQUID nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Stromverteilung der angeregten reso­ nanten Mode oder Moden durch eine asymmetrische Geometrie der flußfokussierenden Struktur oder durch eine asymmetrische Ankopplung der externen HF-Leistung an das integrierte HF-SQUID gesteuert wird.

4. SQUID nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß geeignet angebrachte HF-Reflektoren zur Steuerung der Güte des Resonators vorgesehen sind.

5. SQUID nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 gekennzeichnet durch unterschiedliche Lochgrößen der beiden einen gemeinsamen Josephson-Kontakt enthaltenden Schleifen des Gradiometer-SQUID.

6. SQUID nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5 gekennzeichnet durch hochtemperatursupraleitendes Material zur Bildung der Schleife und der Flußfokussierungsstruktur.