DE19517399A1 - rf-SQUID mit Resonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen rf-SQUID mit Resonator ge­ mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Supraleitende Quanteninterferenzdetektoren (SQUID sind zur Zeit die empfindlichsten Detektoren für magneti­ schen Fluß. Ihr potentielles Einsatzgebiet hat sich durch die Entdeckung der sogenannten Hochtemperatursu­ praleiter (HTSL) vergrößert und umfaßt nicht mehr nur die Grundlagenforschung, sondern sie dringen mehr und mehr in Bereiche wie zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, biomagnetische und geomagnetische Untersuchungen vor.

Die bekannten rf-SQUIDs werden im Gegensatz zu den dc- SQUIDs nicht direkt (galvanisch) mit Elektroden kontak­ tiert, sondern es erfolgt die induktive Ankopplung ei­ nes als Resonator arbeitenden Tankschwingkreises an den SQUID. Sodann wird ein Hochfrequenzstrom in den Schwingkreis eingeprägt. Schließlich wird die am Schwingkreis abfallende Spannung, die vom extern ange­ legten Magnetfeld abhängt, gemessen.

Die Empfindlichkeit eines solchen SQUIDs wird wesent­ lich durch die Qualität Q des Tankschwingkreises mitbe­ stimmt. Dabei wird Q quantitativ durch das Verhältnis von Halbwertsbreite der Resonanz Δf zur Resonanz-, bzw. Betriebsfrequenz f₀ definiert:

Für den Betrieb eines rf-SQUIDs werden möglichst hohe Güten Q angestrebt, damit auch bei kleiner Feldänderung eine signifikante Abweichung vom Maximum der Resonanz­ kurve erreicht wird und gleichzeitig aber auch mög­ lichst hohe Resonanzfrequenzen. Das Feldrauschen bzw. das Feld, welches noch vom SQUID aufgelöst werden kann, ist dabei indirekt proportional zur Wurzel aus dieser Betriebsfrequenz f₀.

Bisher wurden für die Herstellung von Tankschwingkrei­ sen Kupferspulen und kommerziell erhältliche Kondensa­ toren verwendet. Dazu wurden beispielsweise Spulen mit einem Drahtdurchmesser von 0,1 mm, Spulendurchmesser von 3 mm und einer Windungszahl 13 eingesetzt.

Der SQUID kann als eine entsprechend strukturierte, auf einem Substrat aufgebrachte, supraleitende Schicht aus­ gebildet sein, der als Washer-SQUID bezeichnet wird. Der Washer-SQUIDs wird zur Ankopplung an den Tank­ schwingkreis am einen Ende der Spule auf ihrer Achse positioniert. Mit dieser Anordnung können Resonanzfre­ quenzen von 150 MHz bis etwa 400 MHz und Güten von etwa 35 bis 20 erreicht werden.

Um höhere Güten zu erhalten, sind aus DE 43 19 693.4 SQUIDs bekannt, deren Resonanzstruktur in Dünnschicht­ technik direkt mit dem SQUID integriert sind (λ/2- Resonator).

Nachteil dieser Struktur ist allerdings die im Gegen­ satz zum Washer-SQUID geringe Flußfokussierung und da­ mit zu geringe Feldauflösung. Außerdem ist die Variabi­ lität bei fest vorgegebenem lay-out nur gering.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen rf-SQUID mit Resona­ tor zu schaffen, der gegenüber bekannten SQUIDS einen vereinfachten Aufbau mit zugleich erhöhter Güte auf­ weist.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen rf-SQUID gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform findet sich in dem auf die­ sem Anspruch rückbezogenen Unteranspruch 2.

Nach Anspruch 1 weist der rf-SQUID einen Resonator auf, der von einem mit dem SQUID gekoppelten, dielektrischen Resonator gebildet ist. Ein solcher Resonator ist be­ sonders einfach in der Herstellung und der Kopplung zum SQUID.

Gemäß Anspruch 2 weist der rf-SQUID in vorteilhafter Weise ein dielektrisches Material mit großem ε auf. Die große Permittivität ε bestimmter Kristalle (vorwiegend Titanate wie SrTiO₃, BaTiO₃ oder auch TiO₂, LaAlO₃) er­ laubt eine Verkleinerung des Resonators z. B. bis auf die Größe eines SQUIDs und eine Ankopplung an den SQUID.

Zum Betrieb des SQUIDs bei zu bevorzugenden, hohen Fre­ quenzen sollten die als Dielektrikum eingesetzten Mate­ rialien der Zusatzanforderung eines möglichst geringen Verlusts, - ausgedrückt durch den Tangens des Ver­ lustwinkels δ - genügen, zur Beibehaltung einer ausrei­ chenden Güte des Resonators.

Ausführungsbeispiel

Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht eine solche Anord­ nung (Modul) aus einem Washer-SQUID C auf einem dielek­ trischen Resonator B, der in diesem Fall als Zylinder B ausgebildet ist. Der Resonator hatte einen Durchmesser von 8 mm und einer Höhe von 4 mm und steht wiederum auf einer Grundplatte aus einer supraleitenden, einer me­ tallischen Platte A oder einer solchen aus einem ande­ ren Material mit kleiner Permittivität ε. Die Platte A dient dem Zweck, die Energie im Resonator noch weiter zu konzentrieren.

Die Kopplung zwischen dem Resonator B und den Transmis­ sionsdrähten zur Ausleseelektronik geschieht durch in der Fig. 1 links und rechts des Resonators B darge­ stellten Elektroden (Antennen) in der Nähe des Resona­ tors. Die dazugehörigen Leitungen können dabei zweckmä­ ßigerweise in 50 Ω-Technik ausgeführt sein.

Der Resonator kann als Zylinder aber auch in anderer geometrischer Form, z. B. als Würfel ausgebildet sein. Auch ist es vorstellbar den dielektrischen Resonator flächig bis ggfs. schichtförmig auszubilden.

Erste experimentelle Ergebnisse für 20 _* 20 µm² Washer­ loops haben einen Spannungs-Fluß-Transformations­ koeffizienten von mehr als 300 µV/Φ₀ gezeigt.

Claims (2)

1. Rf-SQUID mit Resonator, gekennzeichnet durch ein dielektrisches Material definierter Geometrie (B), wobei wenigstens eine Frequenzmode dieser Geometrie an den SQUID ankoppelt.

2. Rf-SQUID nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein dielektrisches Material mit großem ε.