DE3815636A1

DE3815636A1 - Squid aus oxid-keramischen supraleitern

Info

Publication number: DE3815636A1
Application number: DE3815636A
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1988-05-07
Filing date: 1988-05-07
Publication date: 1989-11-16
Also published as: DE3815636C2

Description

Die Erfindung hat zum Ziel, Squids aus einem oxid-keramischen Supraleiter ("Hochtemperatur-Supraleiter") aufzubauen und zwar aus massivem, sog. "bulk" Material.

Bekannt sind Squids aus massivem Material, in der in Fig. 1 gezeigten Art (W. Buckel: "Supraleitung, Grundlagen und Anwendungen"; Physik-Verlag). In einen Körper 1 aus einem supraleitenden Metall, daß zum Erreichen der Supraleitfähigkeit auf die Temperatur des flüssigen Heliums zu kühlen ist, werden zwei Bohrungen 2′ und 2′′ eingebracht. In die eine wird die zu der Meßschleife eines Flußtransformators 3 geführte Spule 4 untergebracht, in die andere die Spule des Nachweiskreises 5. Die Anordnung hat einen supraleitenden Punktkontakt 6 als Engstelle. Wenn durch Steigerung des Stroms in einer der beiden Spulen in diesem Punktkontakt der kritische Strom überschritten wird, d. h. dieser Kontakt normalleitend wird, ändert sich der Fluß in dieser Bohrung um einzelne Flußquanten. Ein Teil dieser Flußquanten dringt in die andere Bohrung ein: in der Spule in dieser Bohrung kann ein Signal zur Messung gewonnen werden.

Für eine Anwendung von oxidkeramischen Supraleitern eignen sich diese bekannten Squids nicht aus mehreren Gründen:

- bei den polykristallinen Supraleitern ist ein Punkt kontakt sehr unzuverlässig, weil bei dem anisotropen Material die Qualität des punktförmigen Kontakts von Zufälligkeiten abhängt
- die Anordnung ist thermisch instabil, weil geringe Temperaturveränderungen bereits zu einer Veränderung des Punktkontaktes führen
- oxidische Supraleiter wären in einer solchen Anordnung der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt, ihre Eigenschaften wür den durch Hydroxidbildung der Oberflächen rasch zerstört werden
- die Flußkopplung von der einen Bohrung in die andere ist schwach: nur ein kleiner Teil des von einer Bohrung ausgehenden Flusses schließt sich über die andere Bohrung
- das Squid ist nur mangelhaft gegen magnetische Felder abgeschirmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Squids aus massiven oxid-keramischen Supraleitern, aus "bulk" Material, aufzubauen und die genannten Probleme zu lösen, die bisher einen Einsatz solcher Supraleiter ausgeschlossen haben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Squid aus einem Monolithen aus einem oxid-keramischen Supraleiter aufgebaut wird mit mindestens zwei Hohlräumen, vorzugsweise Hohlzylindern, und mindestens einer Kreisströme um diese Hohlzylindern begrenzenden Engstelle, wobei die Hohlräume und die Engstelle(n) vollständig nach außen gekapselt sind. Für Hochfrequenz-Squids (RF-Squids) eignen sich erfindungsgemäß Monolithen mit zwei Bohrungen und einer Engstelle zwischen den Bohrungen.

Die Funktion eines solchen Squids wird in Fig. 2 der Zeichnung erläutert. Fig. 2 zeigt einen Monolithen 1 in den die beiden Bohrungen 2′ und 2′′ eingebracht sind. Der Monolith ist zwischen den Bohrungen bis auf die Engstelle 3 geschlitzt. Die Bohrungen 2′ und 2′′ werden die durch die Joche 4′ und 4′′ abgeschlossen. Diese Joche weisen Aussparungen 5′ und 5′′ auf. In die Bohrungen 2′ und 2′′ sind Spulen 6′ und 6′′ eingebracht. Die Durchführung der Spulen 7′ und 7′′ sind im Joch 4′ luftdicht verschlossen. Die Joche 4′ und 4′′ sind an der Fuge 8 miteinander verklebt. An den Stirnseiten des Monolithen 9′ und 9′′ besteht ein guter elektrischer Übergang zu den Jochen 4′ bzw. 4′′. Mit der Spule in der Bohrung 2′ ist ein RF-Schwingkreis, mit der Spule in der Bohrung 2′′ ein Flußtransformator verbunden.

Wirkungsweise: So lange kein Strom über den Flußtransformator in die Spule 6′′ eingekoppelt wird, ist die Engstelle 3 supraleitend und ein Strom im Supraleiter schirmt die Bohrung 2′ weitgehend von einem Fluß ab. Wenn, bei angenommen ansteigender magnetischer Feldstärke im Außenraum, der in die Spule 6′′ eingekoppelte Strom ebenfalls ansteigt, wird der kritische Strom in der Engstelle bei einem bestimmten Wert erreicht: in die Bohrung 2′′ dringt ein Flußquant ein, das den Schwingkreis verstimmt, zu dem die Spule 5′ in der Bohrung 2′ gehört. An diesem Schwingkreis kann eine Spannung als Funktion des eingekoppelten Flusses gemessen werden.

Die Engstelle besteht bei oxid-keramischen Supraleitern aus einer Reihe von Josephson-Kontakten und hat wegen der, mit metallischen Supraleitern verglichen, kleinen Stromtragfähig keit Abmessungen, die stabil hergestellt werden können. Die Herstellung dieser Engstelle erfolgt zweckmäßigerweise mit Laser-Strahlen und kann sogar im Betrieb des - noch unver schlossenen - Squids auf optimale Werte getrimmt werden. Die Eigenschaften des Squids können erfindungsgemäß dadurch verbessert werden, daß in dem Joch der Kapselung Kanäle 5′ und 5′′ vorgesehen sind, die die beiden Bohrungen 2′ und 2′′ miteinander verbinden.

Zur Erhöhung der Stabilität des Squids werden seine äußeren Flächen zweckmäßiger Weise versiegelt.

In einer anderen Ausbildung der Erfindung (Fig. 3) werden die zwei Bohrungen 10′ und 10′′ und die Engstelle 11 in einer vergleichsweise flachen monolithischen Scheibe 12 angeordnet und durch zwei weitere Bohrungen 13′ und 13′′ miteinander verbunden. Die Bohrungen werden durch einen Ring 14 am Umfang des Monolithen, der mit diesem verklebt ist, nach außen hermetisch abgeschlossen.

Ein Squid nach Fig. 3 arbeitet in analoger Weise zu dem in Fig. 2 dargestellten.

Ein erfindungsgemäßer DC-Squid ist in Fig. 4 dargestellt. Eine vergleichsweise flache monolithische Scheibe hat drei Bohrungen 16′, 16′′ und 17. Zwischen den Bohrungen 16′ und 17 ist eine Engstelle 18′, zwischen den Bohrungen 16′′ und 17 die Engstelle 18′′ angeordnet. Die Scheibe weist außerhalb der Bohrungen 16′ und 16′′, durch mit Feststoff gefüllte Schlitze, elektrisch isolierte Fugen 19′ und 19′′ auf. Die obere Hälfte der Scheibe 20′ und die untere Hälfte 20′′ sind mit elektrischen Anschlüssen 21′ und 21′′ verbunden. Die Kapselung ist in dieser Darstellung nicht gezeigt.

Wirkungsweise: Ein Gleichstrom von der Klemme 21′ zur Klemme 21′′ teilt sich auf die beiden Engstellen 18′ und 18′′ auf. Dieser Strom wird so eingestellt, daß diese beiden Engstellen supraleitend bleiben. Wird nun über einen Flußtransformator ein Fluß in die Bohrung 17 eingekoppelt, entsteht ein Ringstrom um diese Bohrung, der in der Engstelle, in der sich dieser Ringstrom zu dem Teilstrom überlagert, zu einem Quench führt: Diese Engstelle wird normalleitend. Der gesamte Gleichstrom wird auf die andere Engstelle kommutiert: Diese Stelle verliert ebenfalls ihre Supraleitfähigkeit. An den Punkten 22′ und 22′′ kann ein Spannung gemessen werden.

Claims

1. Squid aus massiven Supraleitern dadurch gekennzeichnet, daß das Squid aus einem Monolithen aus einem oxid keramischen Supraleiter besteht mit mindestens zwei Hohlräumen, vorzugsweise Hohlzylindern, und mindestens einer die Kreisströme um diese Hohlzylinder begrenzenden Engstelle, wobei die Hohlräume und die Engstelle voll ständig nach außen gekapselt sind.

2. Squid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten für die Kapselung aus supraleitendem Material von der Qualität wie die des Monolithen be stehen.

3. Squid nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten für die Kapselung mit dem Monolithen verklebt sind.

4. Squid nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Ausdehnung des Klebers der des Supra leiters angepaßt wird.

5. Squid nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in allen Hohlräumen des Squids ein Partialdruck von Sauerstoff vorzugsweise durch Füllen mit Sauerstoff aufrecht erhalten wird.

6. Squid nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Flächen des Squids versiegelt werden.

7. Squid nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Kapselung Kanäle vorgesehen sind, die die Hohlräume miteinander verbinden.

8. Squid nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß in dem Monolithen zwei Bohrungen und eine Engstelle zwischen den Bohrungen vorgesehen sind.

9. Squid nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Bohrungen und die Engstelle in einer ver gleichsweise flachen monolithischen Scheibe angeordnet sind und daß die beiden Bohrungen durch zwei weitere Hohlräume, vorzugsweise Bohrungen in der Weise mitein ander verbunden sind, daß eine toroidale Anordnung der Hohlräume entsteht.

10. Squid nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume am Umfang der Scheibe durch einen Ring hermetisch abgeschlossen werden.

11. Squid nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Qualität des Rings der des Monolithen gleicht.

12. Squid nach einem der Ansprüche 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß in die Bohrungen, deren Ringströme von der Engstelle begrenzt werden, Spulen für die Herstellung eines RF- Squids eingebracht werden.

13. Squid nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Monolith drei Bohrungen mit zwei zwischen den äußeren Bohrungen und der inneren Bohrung angeordneten Engstellen aufweist und daß die Scheibe außerhalb der äußeren Bohrungen einen elektrisch isolierenden, mit einem Feststoff verschlossenen Spalt aufweist.

14. Squid nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Engstelle mit Laserstrahlen hergestellt wird.