DE19524310A1

DE19524310A1 - Impedance converter for RF SQUID impedance converter for oscillatory circuit of SQUID tank - is in form of active impedance converter i.e. gallium arsenide amplifier with flux-focusing structure coupled to tank oscillatory circuit

Info

Publication number: DE19524310A1
Application number: DE1995124310
Authority: DE
Inventors: Yi Dr Zhang; Joerg Borgmann
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1995-07-07
Filing date: 1995-07-07
Publication date: 1997-01-16

Abstract

The impedance converter involves a tank oscillatory circuit which has an active impedance converter coupled to it. It can be a GaAs-amplifier. The converter can have a flux focussing structure which can work simultaneously as the tank oscillatory circuit or it can be in the form of a closed super-conducting loop acting as a lambda-resonator.

Description

Die Erfindung betrifft einen aktiven Impedanzwandler für rf-SQUID-Tankschwingkreis und galvanisch gekoppel tes SQUID als Schwingkreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.The invention relates to an active impedance converter for rf-SQUID tank resonant circuit and galvanically coupled tes SQUID as a resonant circuit according to the generic term of Claim 1. Furthermore, the invention relates to a Process for its production according to the preamble of claim 3.

Für viele Anwendungen im Bereich der Medizin und der zerstörungsfreien Materialuntersuchung wird eine extrem hohe Magnetfeldempfindlichkeit benötigt. Diese erreicht man nur mit Superconducting Quantum Interference Devi ces (SQUIDs). Man unterscheidet zwischen RF-SQUIDs und DC-SQUIDs. DC-SQUIDs sind aus einem supraleitenden Ring aufgebaut, der durch zwei Josephson-Junctions unterbro chen ist. RF-SQUIDs bestehen aus einem supraleitenden Ring, der durch eine Josephson-Junction unterbrochen ist. Über den Hochfrequenz-(HF-)schwingkreis wird eine bestimmte HF-Leistung eingestrahlt, die in Abhängigkeit von dem niederfrequenten, äußeren Magnetfeld mehr oder weniger absorbiert wird (T. Tyhänen et al., J. Low Temp. Phys. Vol. 76, Nos. 5/6 (1989)). Diese Dämpfung kann mit Hilfe eines empfindlichen HF-(Vor-)verstärkers messen werden.For many applications in the field of medicine and the non-destructive material inspection becomes an extreme high magnetic field sensitivity required. This reached one only with Superconducting Quantum Interference Devi ces (SQUIDs). A distinction is made between RF-SQUIDs and DC SQUIDs. DC-SQUIDs are made of a superconducting ring built up by two Josephson junctions Chen is. RF-SQUIDs consist of a superconducting Ring interrupted by a Josephson junction is. A high frequency (HF) resonant circuit is used certain RF power radiated in depending of the low-frequency, external magnetic field more or is less absorbed (T. Tyhänen et al., J. Low Temp. Phys. Vol. 76, Nos. 5/6 (1989)). This damping can with the help of a sensitive RF (pre) amplifier will measure.

Da dabei die HF-Absorption periodisch vom äußeren Feld abhängt, kann ein Flux-Locked-Loop-Verstärker, der über eine Spule ein dem äußeren Feld entgegengesetztes Feld am SQUID erzeugt, benutzt werden. Hierdurch wird die Dynamik des Systems wesentlich über die periodische Ab hängigkeit erhöht.Because the RF absorption periodically from the external field depends on a flux-locked loop amplifier that can be used a coil is a field opposite to the outer field generated at the SQUID. This will make the Dynamics of the system essentially over the periodic ab addiction increased.

Konventionelle RF-SQUID-Systeme arbeiten mit Frequenzen um 20 MHz. Bei diesen Frequenzen ergeben sich bei der Ankopplung des Tankschwingkreises wenige Probleme, weil relativ große Kapazitäten und Induktivitäten verwendet werden, die Dämpfung durch das Kabel zwischen Verstär ker und Tankschwingkreis relativ gering ist und die Einflüsse der Kabellänge einfach kompensiert werden können.Conventional RF-SQUID systems work with frequencies around 20 MHz. At these frequencies, the Coupling the tank resonant circuit few problems because relatively large capacitors and inductors are used the attenuation through the cable between ampl ker and tank circuit is relatively small and the Influences of the cable length can be easily compensated can.

Aus der Theorie des RF-SQUIDs ergibt sich, daß man bei höheren Pumpfrequenzen ein geringeres Flußrauschen er reichen kann (J. Kurkÿärvi, J. Appl. Phys. 44, 3729 (1973)).From the theory of RF-SQUID it follows that at higher pump frequencies, a lower flow noise can suffice (J. Kurkÿärvi, J. Appl. Phys. 44, 3729 (1973)).

Aus diesem Grund wurden einige Lösungen für höhere Fre quenzen entwickelt. Bei den passiven Lösungen sind drei prinzipiell verschiedene Konzepte realisiert worden:For this reason, some solutions for higher fre sequences developed. There are three in passive solutions basically different concepts have been realized:

1) Coupling of the resonant circuit via a λ / 2 resonance line to the RF preamplifier (VV), FIG. 1.
2) Impedance matching to the line resistance by capacitive voltage divider (Y. Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 60, 645 (1992)), Fig. 2.
3) impedance matching by tapping the resonant circuit inductance, Fig. 3.

Jede dieser Lösungen weist erhebliche Nachteile auf:
Die λ/2-Resonanzleitung gemäß der ersten Alternative ist in der Kabellänge stark eingeschränkt und benötigt einen Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz. Praktisch läßt sich der Kabeleinfluß nicht vermeiden. Für höhere Frequenzen wird die Leitungslänge unpraktisch klein. Die beiden anderen Lösungen haben den Nachteil gemein sam, daß durch die Impedanzanpassung an das Kabel die Amplitude des SQUID-Signals stark reduziert wird. Die Güte Q des Tankschwingkreises wird durch die Kabeldämp fung um 60% bis 70% herabgesetzt. Erhöht man die Fre quenz, muß die Induktivität verkleinert werden, wodurch die Kopplung k der Schwingkreisspule an das SQUID ver kleinert wird. Zusätzlich nimmt die Güte Q zu höheren Frequenzen hin ab. Die Bedingung k²_*Q < 1 für die opti male Anpassung kann nicht mehr erfüllt werden. Each of these solutions has significant disadvantages:
The λ / 2 resonance line according to the first alternative is severely restricted in the cable length and requires an amplifier with a high input impedance. In practice, the influence of the cable cannot be avoided. The line length becomes impractically small for higher frequencies. The other two solutions have the disadvantage in common that the amplitude of the SQUID signal is greatly reduced by the impedance matching to the cable. The quality Q of the tank circuit is reduced by 60% to 70% due to the cable damping. If you increase the frequency, the inductance must be reduced, whereby the coupling k of the oscillating circuit coil to the SQUID is reduced. In addition, the quality Q decreases towards higher frequencies. The condition k² _* Q <1 for the optimal adjustment can no longer be met.

Eine weitere Möglichkeit das Rauschen des Gesamtsystems herabzusetzen liegt darin, den Vorverstärker zu kühlen. Dies wurde bisher bei mehreren Tieftemperatur-SQUID- Systemen gezeigt (M. Mück et al., IEEE Trans. Appl. Su percond. Vol. 3, No. 1, (1993); A. Long et al., Rev. Sci. Instrum. 50, (1), (1979)). Das Rauschen des Vor verstärkers wird hierdurch um einen Faktor 2 bis 3 re duziert. Es wurde bei diesen Lösungen eine 50 Ω- Leitungsanpassung des Schwingkreises verwendet.Another possibility is the noise of the overall system reducing it is to cool the preamplifier. This was previously the case with several low-temperature SQUID Systems shown (M. Mück et al., IEEE Trans. Appl. Su percond. Vol. 3, No. 1, (1993); A. Long et al., Rev. Sci. Instrument. 50, (1), (1979)). The noise of the before amplifier is thereby by a factor of 2 to 3 re induced. With these solutions, a 50 Ω Line adaptation of the resonant circuit used.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung einen rf-SQUID mit gekoppeltem Tankschwingkreis bzw. Resonator zu schaf fen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kontaktes bereitzustellen, der die bekannten Nachteile zumindest mindert oder sogar vermeidet.It is therefore an object of the invention to have an rf-SQUID coupled tank resonant circuit or resonator fen, and a method for producing such Provide contact, the known disadvantages at least diminishes or even avoids.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Impedanzwandler ge mäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 5. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.The task is solved by an impedance converter according to the entirety of the features according to claim 1. Die The object is further achieved by a method according to the entirety of the features according to claim 5. Further expedient or advantageous embodiments or Variants can be found on each of these Claims related subclaims.

Das neu entwickelte Konzept verwendet einen aktiven Im pedanzwandler, insbesondere einen hochohmigen GaAs- Verstärker, der direkt an den Schwingkreis angekoppelt ist. Die hohe Eingangsimpedanz des Vorverstärkers hat den Vorteil, daß keine Leitungsanpassung notwendig ist und der Schwingkreis nicht belastet wird. Der Ausgang des Verstärkers ist auf die Leitungsimpedanz angepaßt. Deswegen ergibt sich durch die Kabellänge kein Einfluß auf das Signal und Signalgröße. Es zeigte sich keine Verschlechterung des Signals bei der Verwendung eines 30 m langen HF-Kabels zum Anschluß an den HF- Vorverstärker.The newly developed concept uses an active Im impedance converter, especially a high-resistance GaAs Amplifier that is directly coupled to the resonant circuit is. Has the high input impedance of the preamplifier the advantage that no line adjustment is necessary and the resonant circuit is not loaded. The exit of the amplifier is matched to the line impedance. Therefore there is no influence due to the cable length on the signal and signal size. There was none Signal deterioration when using a 30 m long HF cable for connection to the HF Preamplifier.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is further based on figures and Exemplary embodiments explained in more detail. Show it:

Fig. 1 rf-SQUID nach Stand der Technik; Fig. 1 rf-SQUID according to the prior art;

Fig. 2 rf-SQUID nach Stand der Technik; Fig. 2 rf-SQUID according to the prior art;

Fig. 3 rf-SQUID nach Stand der Technik; Fig. 3 rf-SQUID in accordance with the prior art;

Fig. 4 Aufbau mit drei Versorgungsleitungen, konven tioneller Schwingkreis von 20-500 MHz; Fig. 4 structure with three supply lines, conventional resonant circuit of 20-500 MHz;

Fig. 5 Aufbau mit zwei Versorgungsleitungen, konven tioneller Schwingkreis von 20-500 MHz; Fig. 5 structure with two supply lines, conventional resonant circuit of 20-500 MHz;

Fig. 6 galvanisch gekoppeltes Washer-SQUID; Fig. 6 is galvanically coupled washer-SQUID;

Fig. 7 galvanisch gekoppeltes Loop-SQUID; Fig. 7 is galvanically coupled SQUID loop;

Fig. 8 galvanisch gekoppelter Flußfokussierer; Fig. 8 galvanically coupled flux focuser;

Fig. 9 gemessene I/V-Kennlinie. Fig. 9 measured I / V characteristic.

Durch den Einsatz in flüssigen Stickstoff wird das Rau schen des GaAs-Transistors herabgesetzt. Der Aufbau (Fig. 4 oder 5) läßt sich bis 1 GHz betreiben und hat eine hohe Verstärkung zwischen 13-30 db. Die Zufüh rungen konnten auf zwei Leitungen A und B reduziert werden (Fig. 5). Die erste Leitung A dient als Signal leitung und Spannungszuführung, über die zweite Leitung B werden die HF-Versorgung des Schwingkreises und die Feedbacksignale des Lock-In-Verstärkers über den Wider stand R eingespeist. Durch den Aufbau erhält man eine reduzierte Schwingkreis-Dämpfung (Y. Zhang und C. Hei den, Proc. of the 4th Int. Conf., SQUID 1991), die über die Versorgungsspannung kontrollierbar ist. Hierdurch ist die Betriebsbedingung (k²_*Q 1) optimal einstell bar. Figur zeigt die I/U-Kennlinie für die optimale Betriebsbedingung.When used in liquid nitrogen, the noise of the GaAs transistor is reduced. The structure ( Fig. 4 or 5) can be operated up to 1 GHz and has a high gain between 13-30 db. The feeds could be reduced to two lines A and B ( Fig. 5). The first line A serves as a signal line and voltage supply, via the second line B the RF supply of the resonant circuit and the feedback signals of the lock-in amplifier are fed via the resistor R. The design results in a reduced resonant circuit damping (Y. Zhang and C. Hei den, Proc. Of the 4th Int. Conf., SQUID 1991), which can be controlled via the supply voltage. As a result, the operating condition (k² _* Q 1 ) can be optimally adjusted. Figure shows the I / U characteristic for the optimal operating condition.

Die Lösungen für konventionelle Schwingkreise lassen sich bis 500 MHz betreiben. Bei höheren Frequenzen muß man auf andere Lösungen zurückgreifen. Eine Möglichkeit liegt in der Verwendung von Resonatoren (Y. Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 60, 2303, 1992). Eine direktere Lösung ist, den SQUID oder eine flußfokussierende Struktur als Schwingkreis zu verwenden, wobei der SQUID galvanisch an den Vorverstärker und an Masse gekoppelt ist. Fig. 6 zeigt die Ankopplung für einen Washer- SQUID (Y. Zhang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 3, 2301, 19??), Fig. 6 zeigt dies für einen Loop- SQUID.The solutions for conventional resonant circuits can be operated up to 500 MHz. At higher frequencies one has to resort to other solutions. One possibility is the use of resonators (Y. Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 60, 2303, 1992). A more direct solution is to use the SQUID or a flow-focusing structure as the resonant circuit, the SQUID being galvanically coupled to the preamplifier and to ground. Fig. 6 shows the coupling of a SQUID washer- (Y. Zhang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 3, 2301, 19 ??), Fig. 6 shows this for a loop SQUID.

Fig. 9 zeigt die V_rf/I_rf-Charakteristik des erfin dungsgemäßen rf-SQUIDs für eine optimale Kopplung (k²_*Q < 1). Es wurde ein 50 _* 50 µm² großer Loop-SQUID (Y. Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 60, 2303 (1992)) bei einer Frequenz um 300 MHz verwendet. Fig. 9 shows the V _rf / I _rf characteristic of the rf-SQUID according to the invention for an optimal coupling (k² _* Q <1). A 50 _* 50 µm² loop SQUID (Y. Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 60, 2303 (1992)) was used at a frequency around 300 MHz.

Es ergeben sich folgende Verbesserungen gegenüber den bisherigen Lösungen:The following improvements result over the previous solutions:

a) Maximum signal from the resonant circuit, no loss through impedance matching and line losses,
b) minimal noise of the amplifier by cooling in liquid nitrogen;
c) RF line independence, any length of the sig pipeline;
d) optimal operating condition (k² * Q 1) adjustable.

Der erfindungsgemäßer Wandler weist folgende Merkmale auf:The converter according to the invention has the following features on:

a) The transistor can be arranged directly on the SQUID sensor be net (e.g. at a distance of 1-7 cm).
b) z. B. GaAs transistor with high on gating resistance can be used.
c) The RF level, modulation and feedback management are via a resistor in the resonant circuit coupled.
d) The RF signal is connected to the Lei behind the transistor adapted impedance read out and can over a HF cables of any length to the rest of the electrical nik can be connected.
e) The gain is via the supply voltage set.
f) The resonant circuit can be adapted to the Transistor can be connected.

Claims

1. rf-SQUID with coupled tank resonant circuit, characterized in that an active impedance converter is provided, which is coupled to the tank resonant circuit.

2. rf-SQUID according to claim 1, characterized characterized in that the impedance converter has a GaAs amplifier unit.

3. rf-SQUID according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the SQUID as coupled tank circuit a flow-focusing Has structure that is designed so that it at the same time as a tank resonant circuit (resonator) is working.

4. rf-SQUID according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the SQUID as coupled tank resonant circuit as a λ resonator acting, closed, superconducting loop having.

5. Method for producing an rf-SQUID with coupled tank circuit, thereby characterized that the tank circuit is coupled with an active impedance converter.